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光电显示与检测实验五 线阵CCD应用实验
（六） 利用线阵CCD测量物体的倾斜角度
一、实验目的
应用彩色线阵CCD可以测量物体的倾斜角度，学习利用线阵CCD测量被测物体倾斜角度的方法能够帮助学生进一步掌握线阵CCD的基本应用问题，培养学生充分发挥想象力，增强创新设计能力。
二、实验所需仪器设备
（1） LCCDAD-Ⅱ-A型线阵CCD应用开发实验仪一台； （2）装有VC++软件及相关实验软件的PC计算机；
三、利用彩色线阵CCD测量物体倾斜角度的原理
利用线阵CCD测量物体倾斜角度的方法有很多，其实质都属于尺寸测量和位移量测量的类型。常用的测量方法有两种。第一种方法为用单色线阵CCD的测量方法，在如图6-1所示中的水平粗线代表线阵CCD的像敏单元阵列，假设被测物体的轴线与像元排列方向垂直，线阵CCD将测出它的直径宽度为D，当该物体旋转了角度α后，CCD测量出来的宽度值也发生变化，变为DS。
从如图6-1所示的测量原理图可以推导出被测物的倾斜角度α的计算公式为
α＝cos-1 ( D / DS ) （6-1）
这种测量角度的方法比较简单，适用于低精度测量较大尺寸物体的倾斜角。这种方法要求预先知道被测体垂直放置时的宽度，且光学系统的放大倍数不能太高。当被测物体本身的宽度尺寸D有显著变化时，会直接影响角度的测量精度。
测量角度的第二种方法实际上类似于两条具有水平刻度尺的平行线切割被测物体而
对其倾斜角度进行测量的原理。彩色线阵CCD器件由3条相互平行的像敏单元阵列构成，且制造工艺保证了三条平行的光敏单元阵列的首尾及像元尺寸的精度极高，使得其中的任意两行光敏单元阵列能够构成两条刻度尺的特点，其像元尺寸可视为尺的分度，像元总长可视为测量范围（当然要考虑光学系统的放大倍率），当被测物与线阵CCD像敏单元阵列所成角度α时，便能测量物体倾斜角度。
如图6-2所示，假设被测物体在CCD像面上的投影如图中所示的灰色部分，R、B、G分别为彩色线阵CCD的三条像敏单元阵列（阵列传感器）。由图可以看出，三条阵列传感
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器对被测物体成像后的边界是相互错开的，用分离最远的R、G阵列传感器做测量尺，通过对R、G阵列传感器的边界信息的提取测量，便可以测得图6-2中的偏移量S。而相邻感光单元阵列的间距为64?m为已知量（见器件手册），则R、G阵列传感器的间隔距离为两倍的已知间距，故L0＝128?m。
由此可以推导出待测物体的倾斜角度为
α＝ctg-1 ( T / S ) (6-2)
由于彩色线阵CCD的相邻阵列传感器的距离L0较宽，而同列像元的中心距l0很小，因此用这种方法测角可以获得较高的精度，其角度分辨率为
αmin＝ctg-1 ( l0 / L0 ) (6-3)
五、实验内容
（1）用单色线阵CCD测量物体的倾斜角度； （2）用彩色线阵CCD测量物体的倾斜角度；
六、实验步骤
（1） 打开实验仪上盖，拆下图像扫描用的滚筒，并将倾斜一定角度的专用杆件安装在测试位置上。使实验仪构成为如图6-3所示的结构。
（2） 首先将实验仪的数据端口和计算机（或GDS-Ⅲ型光电综合实验平台）的USB端口用专用USB数据线缆连接好，并合上实验仪的主电源开关。
（3） 打开计算
机电源，完成系统启动后进入下一步操作。
（4） 确认已经正确安装实验仪软件。否则，请首先安装实验软件。
（5） 选择“角度测量实验”文件，点击并弹出角度测量主界面，而后按界面提示的内容进行下面的操作。 （一）角度测量方法之一
（1） 运行《角度测量实验》软件，远心照明光源即被自动点亮，同时弹出如图6-4所示的软件界面。先执行“连续扫描”菜单观测线阵CCD输出信号是否满足测量要求，成像物镜的焦距是否调整好；调整好后，输出信号的波形在物体的两个边界处非常陡直，输出信号的幅度应接近于饱和但是绝不能进入饱和工作状态（如图6-4所示的饱和值为255）；
（2） 进行光学系统放大倍率的标定工作，具体操作步骤已在实验3中详述；
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（3） 在如图6-4所示的界面上测量模式选择菜单框中，点击算法1按钮，计算机软件便可以用算法1测量物体的倾斜角度。测量时，按界面提示的操作步骤进行，先将被测杆件垂直地拧在与底板平行的螺孔上，使被测杆件与测量仪器底板垂直，测出它的直径值D，然
后再将同一个被测杆件拧到与底板倾斜一定角度的螺孔上，测出它在倾斜一定角度后的DS值，将二者代入公式（6-1），便可计算出物体倾斜的角度。
（4） 显然，算法1对物体倾斜的角度测量也属于二值化尺寸的测量范畴，既可以采用“固定阈值”方式又可以采用“浮动阈值”方式，界面给出了两种选择，图中选择了“浮动阈值”方式，选则50%的阈值后界面将以“压缩”的方式显示出CCD输出波形。当然，波形曲线上方的各项菜单均可以进行设置，其内容与前几个实验相似，不再赘述。 （二） 角度测量方法之二
物体倾斜角度的测量方法2是采用彩色线阵CCD器件的两条分离一定距离的光敏单元阵列分别测量物体中心距差异（或边沿像元差异）的方法（如图6-2所示），相当于用两条平行的线阵CCD光敏阵列测量物体倾斜角度的方法。从如图6-5所示曲线中可以看出红、绿两条线阵CCD对物体所成图像的起始位置（像元差为ΔN）与两行间距L0的方法进行测量。实验时执行“角度测量方法2软件”，仪器将自动转换为用TCD2252D中的UR、U（GL0=128μm的两条光敏阵列）输出信号分别进行中心距的测量，如果物体是垂直放置的（倾角为零度）则两条阵列测量出的中心位置Ni（也可以用起始位置表示）相同，若倾斜角度不为零，则中心位置Ni不相等，中心位置的差值S=ΔNl0便可以测量出来，而UR、UG间的距离T=128μm为已知数。将测出的S值代入公式6-2便可以测量出物体倾斜的角度α。
实验时，运行《角度测量实验》程序，将被测物安装到设备提供的倾斜安装杆件的装置上再放置到设备的测量位置上，在测量软件界面上选择第2种算法（点击算法2按钮），便可以按界面上的说明所示算法2的测量方法进行测量，测出S值与T值后计算出物体倾斜的角度α，并将测量结果显示在如图6-5所示的测量框内。其他实验步骤与角度测量方法类
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似。
七、实验总结
1、 假设本实验测量物体宽度为4mm，CCD像面的测量精度为±2（CCD像元尺寸），根据光学放大倍数，分析本实验测量角度的精度情况。
2、 同上条件，假设被测物体本身的宽度变化为8 ± 0.2mm，再分析角度测量的精度情况。
3、 试比较两种测量方法的测量精度，彩色线阵CCD的行间距越宽，测量精度越高吗？若采用两个平行放置的单色CCD能否实现更高精度的测量结果？