CCD显微检测系统误差分析及补偿.
基于线阵CCD的尺寸测量研究及误差分析
基于线阵CCD 的尺寸测量研究及误差分析余 震(安徽建筑工业学院数理系,合肥230022) 文 艺(武汉重工铸锻有限责任公司质管处,武汉430084)摘 要 通过分析基于线阵CCD 器件的一维尺寸测量原理,系统讨论了基于CCD 器件各种一维尺寸的测量方案,同时分析了各种测量方案所产生的测量误差的计算方法。
关键词 线阵CCD 尺寸测量 误差分析一、前言基于CCD 的尺寸测量一般采用非接触测量方式,由于CCD 器件[1]有精度高、动态性能好、便于同计算机组成高性能测控系统等特点,被广泛的应用于各种加工件的在线检测和高精度、高速度的检测技术领域。
采用CCD 器件进行尺寸测量时,随着被测尺寸大小的不同,所采用的检测方案及相应产生的测量误差也不同,本文就采用CCD 器件进行一维尺寸测量的测量原理、所采用的测量方案及相应的测量误差进行分析,并给出具体计算公式。
二、基于CCD 器件的尺寸测量原理基于CCD 器件的尺寸测量[1,2]采用的是光成像法,其测量原理如图1所示:该系统包括光源,CCD 传感器、CCD 视频信号处理模块、单片机控制与被测工件尺寸显示模块等。
图1其工作原理为:光照射在被测工件上,将被测工件成像于CCD 器件光敏面上,CCD 器件被光照射部位将产生光生电荷,通过后置电路对光生电荷进行采集,将采集的CCD 信号输出到模拟信号处理模块;模拟信号处理模块对信号进行滤波、箝位、二值化等处理后得到反映被测工件尺寸大小的数字信号;经计算机对数字信号进行前后边沿提取,把数字信号转化为反映尺寸大小的脉冲计数值,并通过软件处理后,进行被测尺寸显示,从而完成对被测工件尺寸的测量。
三、测量方案及误差分析采用CCD 器件进行尺寸测量时,随着被测尺寸大小的不同,测量方案也有所有不同,相应的,对测量误差分析也不一样。
本文将被测尺寸大小(L ,单位:mm )按照CCD 器件芯片感光面长度(b ,单位:mm )进行分类:(1)微小尺寸测量:L ≤1mm ;(2)一般尺寸测量:1mm <L ≤b ;(3)较大尺寸测量:b <L <2b ;(4)大尺寸测量:2b <L 。
CCD工业相机的误差
CCD工业相机的误差
CCD工业相机的误差来源:误差主要由光学镜头的畸变、机械误差与视频信号的“模/数转换”产生，由此产生的误差分别称为光学误差、机械误差和电学误差。
1.光学误差:也叫光学畸变差，是指相机物镜系统设计、制作和装配误差所引起像点偏离其正确成像位置的点位误差。
光学畸变差包括径向畸变差(RadialDistortion)和离心畸变差(DecentringDistortion)两类径向畸变差使构像点沿径向方向偏离其准确位置;而离心畸变是由于镜头光学中心和几何中心不一致引起的误差，它使构像点沿径向方向和垂直于径向方向都偏离其正确位置。
2.机械误差:在光学镜头摄取的影像转化到数字化阵列影像这一步产生的误差，这项误差又是由以下两个因素引起的:
①扫描阵列不平行于光学影像，致使数字化影像相对于光学影像有旋转;
②每个阵列元素尺寸不同而产生不均匀变形。
3.电学误差:主要包括行同步误差、场同步误差与采样误差，行同步误差是指视频信号转化时影像每行开头处的同步信号产生的错动现象;场同步误差是指影像奇数行与偶数行间的错位;采样误差是指由于时钟频率不稳引起的采样间隔误差线阵CCD相机在系统整体上表现是为光学畸变差对成像几何模型的影响。
光学畸变差的影响是非线性、非对称性的。
通常采用一定的算法去纠正和重采样，其结果并不能满足系统要求，原因是(1)超出时间控制(2)不利于系统整体拓展
深圳市科视创科技公司的解决方案:系统在对被检测图像和模板图像作差值运算时，都置于同样的条件下，光学畸变差对双方的影响是相同的，可以采用忽略光学畸变差对检测结果的影响的方式，经过检验这个方法是可行的。
CCD检测垂直度误差分析
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对于（2），由于光靶与分光镜平面、光靶与CCD摄像机镜头平面的距离较短。且在装 置安装调试时，我们对显示在屏幕上的圆光斑用目测法对光靶及CCD摄像机位置进行调 整，尽量使光靶、分光镜与CCD摄像机镜头平面平行。使显示的光斑尽量与实际的激光 光斑近似，减小CCD的图像读入误差。
对于（3)，在直线度的计算中以首截面光斑中心点坐标为坐标原点，其他各个截面的光 斑中心坐标为对应首截面光斑中心坐标的相对坐标，所以，由于活塞安装引起的微小变 化带来的误差是很小的，可以忽略。
对于（1），由于光线传播距离较长，可以认为光线中心大致与轴线重合，即认为反射 镜保持与光线垂直，即由于二者不垂直引入的计算原理误差可以忽略。在直线度获取的 方法上采用了角度积累的计算方法，光线中心与轴线的夹角在测量过程中保持不变，该 夹角对角度积累无影响，只是对初始偏角有影响，因此这项误差可以忽略不计。
2．误差分析的方法，采用这种方法先分析并列出仪器中产生系统误差的各项误差 源，然后计算或估算这些误差源所造成的仪器各系统误差分量的大小，则仪器的系 统误差便是各个系统误差分量的合成。
3．比对的方法就是在同等条件下，用几种相互完全独立的、而且具有同等效力的 仪器对同一个参数进行测量并观察其测量结果。这时得到的测量结果之间的差别可 咀作为仪器系统误差的一个估算值。
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CCD检测垂直度误差分析
——苏州鼎纳自动化科技有限公司
1
CCD摄像机的误差及其检校
X
X
由此，只要检测出直线的行抖动，即可考虑在 拟合边缘直线时校正，从而提高系统的测量精度。
图 1 平面上点的分布 Fig.1 Distribution of points on plane
图 2 x0、y0 初值确定 Fig.2 Setting initial values of x0 and y0
1
∆ x=k1(x-x0) ， ∆ y=k1(y-y0) 。因此可得：
x + ∆x + l1 x + l 2 y + l3 = 0 l 7 x + l8 y + 1 l x + l 5 y + l6 y + ∆x + 4 = 0 l 7 x + l8 y + 1
（2）
2004-05-08； 修改稿日期 2004-07-10 雷玉堂（1932-） ，男。教授。主要研究方向：光电技术与安全防范。E-mail: itoe@
收稿日期 作者简介
２ ＣＣＤ 摄像机的光学误差
由于 CCD 摄像机的物镜与普通摄影物镜无异， 这部分误差结果可直接应用。 对畸变差的改正，可采用二次多项式拟合法。 畸变差中的线性部分可用二维 DLT（直接线性变 换）算法改正。下面主要讨论非线性误差的改正。 一般非线性的物镜畸变差可表示如下：
∆x = ( x − x 0 (k 1 r 2 + k 3 r 4 + k 3 r 6 Κ Κ )
等因素造成。
１ 概 述
在利用面阵 CCD 摄像机进行实时检测的系统 中，CCD 摄像机所产生的误差是系统中的主要误 差，它影响系统的测量精度。必须对 CCD 摄像机 所产生的误差进行分析与检校，以便对系统的精度 进行评价。 CCD 摄像机所产生的误差主要由它的光 学成像镜头， CCD 器件本身的质量以及图像采集装 置（含图像采集卡等）共同产生，一般分为光学误 差、机械误差和电学误差。 光学误差主要是指影响影像几何精度的 CCD 摄像机的光学镜头所产生的镜头畸变差。它包括径 向畸变差和切向畸变差。镜头的这种畸变差在影像 上一般表现为中心小而周边较大。 机械误差主要是指 CCD 器件质量不好，即 CCD 机械加工安装时造成的 CCD 面阵的几何误 差，即像元排列不规则而使影像产生的几何误差。 它包括像素定位不准，行列不直及相互不垂直等误 差。此外还有 CCD 不同的像元对相同的光强信号 转换得到的灰度值有差异的像元敏感不均匀性误 差。随着现代加工工艺水平的提高，这种误差较其 它误差要小的多。 电学误差主要是指 CCD 在光电信号转换，电 荷在势阱中的传递以及 A/D 转换时所产生的影像 几何误差。它主要包括行同步误差、场同步误差和 像素采样误差。主要原因是光电信号转换不完全、 信号传递滞后以及 CCD 驱动电路电压及频率不稳
工具显微镜示值误差的检定方法
工具显微镜示值误差的检定方法工具显微镜示值误差的检定方法，看似是个高大上的话题，但其实它的背后，满是摸爬滚打的技术活儿。
别看显微镜那么小巧精致，它的作用可不小。
科学家们每天都离不开它，搞研究，做实验，没它可不行！但是呀，任何东西都不能完美无缺，工具显微镜也有它的小脾气。
比如说它有时候显得不太精准，误差一旦过大，那可就有点麻烦了。
这些误差是怎么来的呢？我们又该如何检定、修正它们呢？这就需要咱们聊聊显微镜的检定方法了。
咱们得搞明白，工具显微镜是如何显示物体的。
显微镜工作的时候，咱们不是直接看物体的原形，而是通过镜头放大它的样子。
这个时候，镜头、照明、焦距等等因素都会对成像产生影响，哪怕一个小小的失误，也可能让你看到的物体形态产生误差。
你想，假设你要检查一颗微小的细胞结构，显微镜误差大了，那可就看到不真实的画面了，后果不堪设想！这个时候，咱们就得开始检定了。
检定显微镜误差，咱们首先得弄清楚自己要找的是什么。
一般来说，显微镜的误差可以分成几种类型，常见的就是刻度误差、焦距误差、以及光学畸变这些。
这些误差就像是潜伏在显微镜内部的“隐形杀手”，虽然不容易被发现，但它们一旦出击，后果可大了。
如果不及时发现并修正，往后的测量数据可能全都是错的，根本没法用！咱们得做点实际的“功夫”了。
可以用标准物体来检定显微镜。
比如咱们常用的标准物质，就是某些高精度的玻璃尺或金属尺，这些尺子在制造的时候，误差就被控制在极小的范围内。
所以，拿它们来比对，可以检查出显微镜是否准确。
用这些标准物体来对照显微镜的刻度，看看它的显示是不是与标准物质一致，简单直接，能有效地检查显微镜的刻度误差。
这个过程也不复杂，就是反复对比，细心一点就行了。
还有一种方法，就是使用一些已知尺寸的显微镜标定片。
这些标定片上面有很多微小的格点，每一个格点之间的距离都被标定好了。
咱们通过显微镜放大这些格点，然后测量它们的间距，看看跟标定值对得上不对得上。
如果差距大了，那显微镜就得检修了。
CCD非接触式测径系统的设计及误差分析
随着科学技术的不断发展，大规模的自动化 生产，对被加工零件几何尺寸的测量要求速度快、 精度高、非接触、动态和自动化。在这种情况下， 研制出一种零件尺寸自动测量系统，实现产品零 件尺寸的快速动态测量和分选，提高测量和检测 速度，减少测量过程中所带来的人为误差，以便适 应当前自动化生产的需要，提高经济效益，减轻以 至解除工人繁重的检测工作。 以往在线测量几何尺寸，由于光电转换器件 的局限性，使测量系统不仅机构复杂，而且在性能 方面也难以满足精度和速度方面越来越高的要 求。目前ＣＣＤ器件的应用，使这些问题得到了很 好的解决。由于ＣＣＤ本身具有的自扫描、高分辨 率、高灵敏度以及结构紧凑、象素位置准确等特 性，ＣＣＤ尺寸测量技术作为一种非常有效的非接 触检测方法被广泛应用在工件尺寸在线检测，这 种测量方法无需配置复杂的机械运动机构，从而 减少了产生系统误差的来源。 １
４．６
元灵敏度均匀性是一个重要的指标。ＣＣＤ感光 单元灵敏度误差是由于制造过程中半导体材料杂 质不均匀所造成的，同时各个感光单元有效面积 的不一致也是影响灵敏度不均匀误差的一个重要 因素。 ＣＣＤ感光单元灵敏度不均匀误差小于１０％， 由实验可知ＴＣＤｌ２０６ＵＤ饱和光照时的Ｖｓａｔ＝ １．６７Ｖ，ＣＣＤ感光单元灵敏度不均匀产生的电平 误差为：△强≤（Ｖ。，×０．５％）×１０％＝８３．５ｍＶ 根据实验数据可以作出曲线，求出在边缘区 域点附近曲线的斜率。对边缘点ＸＥ附近几个点 的曲线进行一次项拟合，可以求出斜率为１１１ ｍＶ／／ｕｍ，由于斜率为Ｉ Ｋ ｆ≥１１１ ｍＶ／】ｕｍ，因此 均匀光照时ＣＣＤ感光单元灵敏度不均匀产生的
特—物透镜
ｏｃＤ
ｍｍ。
单线阵CCD相机定位精度评估模型及几何误差研究_智喜洋
相机内方位元素几何 标 定 误 差 可 能 不 一 致 ， 也会影 响目标定位 。 为对比 单 线 阵 与 三 线 阵 或 两 线 阵 相 机 内方位元素几何标定 误 差 对 定 位 结 果 的 影 响 ， 假设
图 １ 单线阵立体摄影及定位原理示意图
两条直线误差直接影响前方空 根据图 １ 所示 ， 间的交会点精度 ， 按投影中心与像点确定一条直线 ， 因此投影中心位置 误 差 、 影像姿态和像点位置误差 直接影响定位精度 。 投影中心位置和影像姿态误差 就是摄站位置和姿 态 角 的 几 何 标 定 误 差 ， 像点位置 误差是由内方位元素的几何标定误差和像点量测误 差引起的 。 １． ２ 几何标定和像点量测误差对定位结果的影响 图 ２ 所示为摄站位置 、 姿态角 、 内方位元素误差 对定位结果的影响示意图 。 由于像点量测误差与内 因 方位元素主点位置 误 差 对 定 位 的 影 响 规 律 相 同 ， 此将其省略 。 图 中 Ｍ 为 理 想 像 点 前 方 空 间 交 会 地
６ ６ ９
光 学 技 术 第 ３ ７卷
一步提高了单线阵 同 轨 立 体 测 绘 的 能 力 ， 且定位精
１—３］ ， 因此利用单 度也 可 满 足 大 比 例 尺 地 图 的 测 绘 ［
线阵相机 完 成 立 体 测 绘 任 务 已 成 为 重 要 的 发 展 趋
用立体影像摄影位置 、 姿态 、 内方位元素和同名点的 像点坐标来定位 地 面 目 标 的 。 因 此 ， 本文针对单线 阵同轨立体定位的特点 ， 在前方交会公式的基础上 ， 通过推导几何标定与像点量测误差在定位中的误差 建立它们之间的关系模型 ， 并研究长焦距 传播规律 ， 对定位精度的影响 ， 以期为单线阵 Ｃ Ｃ Ｄ 相机几何指 标设计提供理论支持 。
塞曼效应实验中显微测微技术及测量误差分析
( 3)
4 误差分析
4. 1 误差
用置信概率接近于 1 的不确定度来表示系统 Δ 误差 . 令 N 0 、 Ni 、 L 0 的不确定度分别为 Δ N0 、 Ni 和Δ L 0 ,那么由误差的传递公式可得 Di 的相对误 差为 : ΔDi
Dk 以及 Dk - 1 ,代入 ( 1) 式 ,即可得 : B = 4π c Nb - Na m × 2 he N k - 1 - N 2k
2 2
由以上分析可以知道 ,经过改进后 ,利用 CCD 观测技术成功的克服了塞曼效应中观察条纹不便 及其容易产生视觉误差的问题 , 通过选择非线性 失真和几何失真较小的监视器 , 准确度较高的标 尺也大大减少了测量中的仪器误差 , 提高了实验 精度 ,而提高精度使实验值更接近真实值是大学 物理实验一直在探讨的问题 . 参考文献 :
Di
沙 : 湖南师范大学出版社 ,1989.
[2 ] 陈九畴 ,文双春 ,文 景 . 大学物理实验 [M] . 长沙 : 湖
南师范大学出版社 ,1997.
=
(
ΔN 0
N0
)2 + (
ΔN i
Ni
)2 + (
Δ L0
L0
[3 ] 槠圣麟 . 原子物理学 [ M ] . 北京 : 高等教育出 版 社 ,
Δ Di =
1 2 1 2 0. 0002 2 ) + ( ) + ( ) ×Di 1000 1000 1 μ ≈0. 1 ( m) (
由此可见 ,测量系统误差极小 . 4. 2 实际值与测量值比较 使用显微测微技术测量 0. 25 T 的磁场时的 测量数据 : N a = 1040 , N b = 1070 , N k - 1 = 1770 , N k = 1630 显微镜用来接收塞曼效应中干涉条纹光信 号、 CCD 系统将光信号转换为电信号 ; 测量电路系 统则完成数字信号的采集和运算 , 标准尺用来定 标 ,监视器用来观察条纹现象并监视测量 . 塞曼效 应条纹的光信号经 CCD 系统摄像并将其转换为 电信号输入测量电路 , 与测量电路产生的测量信 号耦合一起进入监视器屏幕 ,进行调节 ,同时测量 电路产生测量数据 ,并通过数码管进行数码显示 . 代入 ( 3) 可得 :
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CCD显微检测系统误差分析及补偿
本论文在精密零件显微检测系统研究的基础上,详细阐述了CCD显微测量系统中关键技术研究。
一是CCD检测系统的误差引起因素。
一是不同视场测量的误差补偿问题。
一是照明系统的研究问题。
CCD检测系统要解决以下几个关键问题:图像畸变的校正,合适的光源建立的问题,误差分析问题。
这几个问题的解决对CCD检测系统的质量具有重要意义。
针对CCD检测系统的误差引起因素问题,讨论和分析了CCD检测系统的误差因素,并对CCD安装不准的因素进行了具体的分析,建立了数学模型,估计了此因素引起的相对误差,得出了像面的微小的偏转带来的误差是可以忽略的,不必进行补偿的结论。
针对不同视场测量的误差补偿问题做了深入的研究。
分析了引起这种误差的可能因素,并提出需进行图像校正。
说明了图像校正的原理,提出了一种基于直线的图像校正方案,并在VC++6.0上实现了校正算法。
通过实验证明,本系统在原系统基础上普通微小尺寸在视场的不同位置测量重复精度提高到±0.2μm,有效的进行了误差补偿。
对于照明系统的问题,讨论了照明系统的组成,研究了适用于图像检测的反射照明系统并提出了相应设计原理,设计了驱动电路和光源,建立了合适的反射照明系统。
在反射照明系统下测量细径的重复精度提高到了±0.15μm。
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