小尺寸物体光学测量方法

小尺寸物体光学测量方法

李闯闯

（华东师范大学，物理与材料学院，上海市，邮编：200000）

摘要：测量微小长度的方法很多，除了游标卡尺，螺旋测微器，读书显微镜等简单的长度测量方法外，利用激光强度高，干涉性好，方向性好的特点，设计出的光学测量方法也有很多，本文将先对实验中的线阵CCD 测量物体尺寸进行简单介绍，然后再介绍两种其他的小尺寸物体光学测量方法：利用光学多道仪测量，照相法测量。

1. 线阵CCD 测量物体尺寸

随着科学技术的发展和工业自动化检测程度的提高，传统的人工接触式的测量由于测量精度和效率的限制已经无法满足大规模生产的需求。高精度，高速度的在线非接触测量已经成为检测行业的发展趋势。产于上世纪70年代的电荷耦合器件（CCD ）是现代最重要的图像传感器的一种。

CCD 是由一种高感光度的半导体材料制成的模拟集成电路芯片，借助光学系统和驱动电路，图像经光敏区后可以实现光电信号的转换、存储和传输，从而将空间域的光学图像转换为时间域的离散电压信号。

线阵CCD 具有灵敏度高、光谱响应宽、集成度高、结构简单、成本低廉等诸多优点，因此在检测方面应用越来越广。

（1）线阵CCD 测量原理

装置由远心照明光源系统，待测物体，线阵成像系统，线阵CCD 图像采集系统和计算机数据处理系统构成。

远心照明光源发出平行光术均匀投射到待测物体，经成像物体成像在线阵CCD 的光敏阵列上。由于待测物体的成像面上光照度不同，线阵CCD 光敏阵列上的照度分布也就不同，因此，输出信号中将包含待测物体的尺寸信息，如下图所示。再通过线阵CCD 及其驱动器将其转换为图二右侧所示的时序电压信号（N1，N2是待测物体的边缘信号）

为了提取图二所示的边缘信息，通常要对线阵CCD 输出的信号进行二值化处理。其方法有固定阈值法，浮动阈值法和微分阈值法。实验中我们采用的是浮动阈值法。软件采集到一行周期U0输出的数据之后，根据背景光信号的强度信号

设置阈值，该阈值可以根据背景光幅值的百分比来设置，因此所设置的阈值将跟随背景光的变化而变化，即随背景光的强弱浮动，这在一定程度上减小了误差。

（2）误差来源

在测量过程中，测量精度和误差会受到多方面的影响，主要有：线阵CCD 像元的制造误差，照明光源的不稳定性，镜头焦距和孔径大小的选取，物体位置和透镜放大率，数据和采集速率等。

当光强发生变化时，线阵CCD 得输出信号幅度会上下浮动，固定阈值二值化处理电路的输出脉冲的宽度将发生变化。光照增强时，输出脉冲会变宽，但只要CCD 不处于饱和状态，脉冲变宽就不会影响中心位置的测量。但是如果处于饱和状态，因为饱和益处具有方向性，所以会引起中心位置测量产生偏移，最终在一定程度上影响测量结果的准确性。因此，选择光强分布均匀的稳定照明光源对获得理想测量结果至关重要。

（3）优势

线阵CCD 依据其自扫描功能，适用于动态快速测量及输出数字式信号的光电特性。具有高精度，高速度，操作简单，稳定可靠等优点。在实际生活中有较大的应用价值。

2. 光学多道仪（OMA ）测量微小物体尺寸

光学多道仪是一种通过测量衍射散射光强分布从而获得微小尺寸分布的方法。

（1）测量原理

OMA 测量小尺寸物体是基于光散射的米氏理论。当光强为I 的平行光照射到各向同性的球形小粒子时，在散射角为θ，离散射体为r 处的散射光强为：

①

i 1，i 2都是米氏系数。它与颗粒折射率和直径有关。当散射为一根细丝时，

细丝的垂直方向一样可以看作颗粒，可以得到同样的散射分布。当θ比较小的时候，散射成为前向小角散射，此处散射光强与颗粒的折射率及形状关系均不大，测量结果和被测物性无关。

测量时，采用前

向小角范围内的多

角折射，这样既有

好的动态特性，又

减少了折射率对实

验的影响。测试系

统如右图所示：

激光器发出的

光经过扩束器照到被测物上，散射光信号经过透镜投影到二极管阵列探测器上。由于阵列探测器收到的是多个粒子的散射光强叠加。因此，在散射角为θ的方向上，所测得的总能量为：②

②式中，n （D ）为尺寸分布函数，I （θ，m ，D ）是单颗粒的散射光强，可由①求得，对于两个角度的散射光由②可以得到，于是有：

③

式中，在前向小角范围内，折射率不考虑的情况下，只有平均直径D m 未知，因此可求得颗粒的平均直径。

（2）注意事项

因为要选取很小的散射角才可以尽量减小折射率的影响，所以入射光的平行度是一个非常重要的指标。

（3）优势和使用范围

采用OMA 测量是因为无需多次测量，这对于适应恶劣环境下的工作和降低成本有非常重要的意义。

因为细丝和相同宽度的狭缝具有同样的干涉条纹，所以可以测量细丝，单颗粒，以及狭缝的宽度。

3. 利用照相法测量微小物体尺寸

（1）基本原理

照相测量法是基于当今成熟的数码照相技术所建立起来的。先方便的提取到物体的轮廓，再用电脑进行编辑。

使用照相法最关键的两点：一是要清晰的将被测零件的轮廓照下来；二是要有一个测量基准，以便得到绝对尺寸。

（2）操作步骤

①在待测零件上放置一把尺子，尽量让尺的刻度与被测要素在同一平面，并且保持平行

②使用变形小，失真小的相机，在光线充足的情况下，拍下被测零件，尽可能使相机与被测零件平面垂直，被测要素在视野内，以减少失真。

③ 拍好的照片导入电脑，对照片进行适当校正，以使轮廓清晰，便于描画边界。

④有很多处理图像的软件，这里以AutoCAD 为例，值得注意的是：最好要把照片1：1的插入到软件中。

⑤使零件的被测要素与坐标轴平行，便于测量

⑥将窗口进行放大，在看清零件轮廓边界的情况下，仔细地把被测要素的轮廓描画下来

⑦把照片上尺的刻度根据明暗关系，垂直刻度线上画好连线。

⑧测量并计算刻度线上单个的长度，并以此为比例尺，调整好零件被测要素的轮廓线，然后对各部进行尺寸注标或是测量，此时所得尺寸长度就是零件被测要素的尺寸。

（3）注意事项

①照相法只适合小尺寸测量，大尺寸测量会因为照相的成像原理而增加误差

②被测要素应该竟可能在一个平面内，否则不宜成像，会影响精度

③相机的成像质量影响很大，应该选用变形小，失真小的相机

④照相时，相机力求与被测平面垂直，主要被测要素应该在视野中央

⑤为了得到更加清晰的图像，可以进行着色或者光照处理

⑥为了得到准确的绝对尺寸，需要将一个准确的可读一起找到照片中，并且刻度应该与倍的要素同处于一个平面

（4）适用范围

照相法可以解决一些小尺寸或者软物体这些不方便用尺的问题，可以进行快速准确的测量。比如对数电实验电路板中元件的测量，照相法就很实用。 结论：

小尺寸物体的光学测量方法有很多，除了本文中的线阵CCD 测量、光学多道仪测量以及照相法测量，还有很多，比如利用改装迈克耳逊干涉仪测量小尺寸物体。

无论时哪一种测量方法，都是利用了激光强度高，干涉性好，方向性好的特点。而要达到非常精密的测量，排除光的折射等其他因素是能否测量成功的关键。

利用光学方法测量小物件有其他物理方法所不具备的优势，比如大大减小了肉眼观察所带来的误差，同时很大程度上降低了时间成本，并且在一些物理方法难以测量的地方，激光测量起到了非常大的作用。