标准分划尺在CCD压痕直径测量系统校准中的应用

　　0　引言

　　CCD (Charge Coupled Device)又称为电耦合器件,是20世纪70年代发展起来的新型半导体图像传感器。由于它具有几何精度高、稳定性好、噪音小等优点,因此在遥感遥测、 微小尺寸测量、非接触工业测量、光学图像处理等领域得到了广泛应用[1]。在CCD微小尺寸测量领域中,随着测量精度的不断提高,对CCD的校准也提出了 要求,目前主要有基于光学畸变、通过建立数学校准模型的多项式拟合校准及基于标准分划尺校准等方法。

　　1　CCD摄像系统校准的意义

　　基于CCD成像技术在微小尺寸领域的测量已经得到了广泛的应用,在微小尺寸的高精度测量中, CCD像素的校正变得十分必要。CCD摄像头的误差可分为机械误差、电学误差和光学误差三大类[2]。机械误差主要由CCD本身的质量引起的,这与材料、 加工工艺有关;电学误差主要是由于CCD在感光、电荷信号转换以及传递等产生的误差,与工作环境也有一定的关系;光学误差主要是由于CCD镜头产生的畸变 误差,这部分误差目前有较成熟的校正理论和实际应用。目前有很多文献介绍校正模型,典型的有采用多项式合法对CCD相机进行校正,但多用于CCD图像的改 善,提高了视觉效果,而且模型都比较复杂,计算量比较大。针对上述分析,本文提出了一种在微小尺寸测量中校准CCD像素误差的简单可行的方法。

　　2　CCD硬度压痕测量系统及校准

　　本课题来源于布氏硬度压痕测量。通过加力装置在测件上施加一个压力,在测件上得到一个压痕,测件的硬度与压力、压痕直径存在一定的函数关系式,可以通过测量压力与压痕直径来计算测件的硬度,通过这种方法计算得到的硬度即是布氏硬度[3],系统测量示意图如图1所示。

　　2·1　测量系统

　　在本课题中,压痕直径的测量范围为0·2~6·0mm。系统采用光学系统对压痕放大,放大倍数为1·5~50倍可调;采用CCD对放大后的压痕成像;最后对图像进行分割、提取边缘,对压痕边缘进行拟合后得出压痕直径所占的像素。

式中:n为所测得的直径所占的像素数; m为放大倍数; p为像元尺寸; d为所测的压痕直径。在一般的测量中,可以直接采用CCD厂商提供的p值来计算压痕直径d。但是由于CCD系统存在机械的、电学的以及光学的误差,因此在 微小尺寸的高精度测量中不能直接使用厂家所提供的p值来计算,还需要对其校准。

　　2·2　CCD摄像系统误差标定

　　目前有很多文献介绍了针对光学畸变的CCD校正模型。当使用CCD将图像采集到后,采用多项式拟合的方法来实现校正,这种方法只考虑了光学畸变 校正,没有考虑电学误差、机械误差、放大误差、对焦误差等。由于在对焦过程中,物不可能恰好在镜头的焦平面上,使图像会产生一定模糊,会出现对焦误差,同 时,在设置光学系统的放大倍数的时候,也存在一定的放大倍数误差。由于这些误差都是系统误差,因此从综合误差的校正的角度考虑,采用标准分划尺来校准 CCD像素,分划尺经过线纹工作基准装置校准。分划尺的总距离为1 mm,被分化为100小格,每小格10μm,如图2所示,其中,图2 (a)为金属分化尺,图2 (b)为玻璃分化尺。