电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室， 河南洛阳471003
采用1 064 nm激光辐照可见光面阵CCD时，在其光敏面上观察到了规则点阵，相邻格点的间距约为99.38 μm。改变激光的入射参数发现，规则点阵的产生与激光的入射能量、束散角和入射角无关，而与激光的波长有关，532，632，670和780 nm激光辐照时均没有观察到规则点阵的出现。更换不同型号的CCD，像元尺寸由3.75 µm增大为5.6 µm，相邻格点的间距却由99.38 μm减小为63.84 µm。改变前置光学系统的F数、焦距和光路结构，相邻格点的间距均保持不变。通过采用高分辨率的折返镜头开展实验，发现点阵中的每个格点与CCD光敏面上的像元一一对应，并且实验测得的格点间距与衍射效应计算的格点间距最大偏差仅为1.18 μm，证明了规则点阵是由于CCD光敏面的二维光栅衍射效应引起的。
激光辐照 规则点阵 可见光面阵CCD F数 laser radiation regular lattice visible array CCD F-number
安徽大学物理与材料科学学院, 安徽 合肥 230601
温度控制在 LF 炉精炼过程中具有重要地位, 它是控制钢水成分质量、连铸质量及稳定工艺的关键。研发了一种非接触式的钢水温度监测系统, 该系统通过双光路近红外面阵 CCD 探测器实时获取 LF 炉内钢水高清热像, 再利用计算机对该图像信息进行技术处理,从而准确地识别出钢水, 并根据测温模型计算出实时的温度数据。该测温系统还可作为工业电视使用, 便于炼钢工人及时了解炉内状况。不同于以往的接触式测温方法, 新系统可以在不影响钢水冶炼进度的情形下完成对LF炉内钢水温度的实时监测, 操作便捷、安全, 是一项十分值得推广的技术, 对其它测温应用领域也具有一定的指导作用。
LF炉 实时 面阵 CCD 探测器 温度 LF furnace real time area array CCD detector temperature
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 合肥 230031
2 中国科学技术大学 合肥 230026
3 安徽大学物质科学与信息技术研究院 合肥 230601
静止轨道卫星差分吸收光谱仪采用摆扫成像方式对大气进行探测，针对其工作时CCD成像系统信噪比大于1 000、高速探测模式下探测周期小于10 min、高分辨率模式下探测周期小于1 h的要求，进行CCD成像系统设计.选取CCD47-20作为探测器，设计成像电路实现光谱图像信号的采集和上传.分析了帧叠加和像元合并对时间、空间分辨率的影响.结合帧转移CCD的特点设计了每个位置最后一帧读出时摆镜转动的成像方式，并合理设置了帧叠加数和像元合并数，达到优化成像周期的目的.1 s曝光时间条件下，该CCD成像系统的高速、高分辨率模式探测周期分别为515 s和3 315 s，图像信噪比均大于1 000，污染物观测实验中未出现失帧或重复的现象.该CCD成像系统方案满足静止轨道星载差分吸收光谱仪的探测需求，为静止轨道环境监测仪器设计提供参考.
遥感探测 成像光谱仪 光谱图像 面阵CCD 时序设计 Remote sensing Imaging spectrometer Spectral image Array CCD Timing design
1 安徽大学物理与材料科学学院, 安徽 合肥 230601
2 合肥师范学院物理与材料工程学院, 安徽 合肥 230601
3 马钢 (集团) 控股有限公司, 安徽 马鞍山 243003
设计了一种在实验室环境下模拟工业现场高速线材椭圆度监测系统, 利用三相机测量的方式, 实现了线材椭圆度的非接触式测量。首先选取双侧远心镜头、准直光源、高速面阵 CCD 工业相机对线材实时图像进行采集, 并对相机进行标定与畸变矫正; 随后对三路相机采集到的实时图像依次预处理, 提出了一种自适应 Ψ 值运动模糊图像恢复方法; 最后通过霍夫变换检测到的两条直线上点分别计算出三路相机测得的线材直径, 并利用直径计算出线材椭圆度。研究结果表明, 在实验室条件下该系统的测量精度达到了实际工业生产中所需的精度, 有望在高线生产线上投入使用。
双侧远心镜头 霍夫变换 椭圆度 运动模糊 面阵 CCD bilateral telecentric lens Hough transform ellipticity motion blur processing area array CCD 大气与环境光学学报
2020, 15(4): 314
1 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光工程技术实验室, 上海 201800
荧光免疫层析定量检测技术已被广泛应用于临床检测领域,如新型冠状病毒肺炎的筛查和检测。为了提高检测精准度,提出了基于荧光显微镜数字图像处理的荧光免疫层析定量检测方法。首先构建了显微系统的光通量损失方程,然后根据面阵CCD输出的数字图像特征提取原始图像中的RGB分量并对其进行加权处理,之后拟合了面阵CCD的量子响应速率曲线,获得了荧光信号的相对强度。根据荧光信号强度即可反演出待测物的浓度。实验验证后可知,检测结果的变异系数为3.04%,线性拟合系数大于0.99。本检测方法可对最低质量浓度为0.1 ng/mL的待测物进行准确检测,适用于CCD成像型荧光显微镜系统,对荧光检测具有一定的参考意义。
生物光学 光通量损失 数字图像处理 面阵CCD 定量检测 荧光免疫层析 中国激光
2020, 47(11): 1107001
安徽大学物理与材料科学学院,安徽 合肥 230601
设计了由平行光源、双远心镜头、面阵CCD摄像机和待测物等部分组成的高精度线材测径仿真系统。考虑到实验系统是 为了模拟完成高速线材的拍摄测量,在线材轧制过程中其径向速度可以高达100 m/s,同时存在横向跳动的迹象, 所以在光学设计中采用具有固定放大倍率的远心镜头,确保当物距改变时光敏面上的图像大小不发生变化; 并且选用的面阵CCD最快曝光时间可以达到1 μs,从而可以得到实时反映被测物体尺寸的高清图像。 实验结果表明:使用该仿真系统测量出的工件直径精度可以达到20 μm,足以满足生产需要。
双远心镜头 机器视觉 面阵CCD相机 高速线材 double telecentric lens machine vision plane array CCD camera high speed wire 大气与环境光学学报
2020, 15(2): 154
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所通用光学与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 中国资源卫星应用中心, 北京 100094
4 北京空间机电研究所, 北京 100094
针对推扫型光学遥感器成像光学系统中线阵CCD探测器各像元响应不一致的现象,提出一种基于太阳漫反射板星上相对辐射定标方法。该方法以实验室积分球定标数据作为参考标准,对星上太阳漫反射板定标数据进行平场校正,消除了相机视场内杂散光及双向反射分布函数(BRDF)分布对相对定标结果带来的影响;进而得到各像元的相对定标系数,最后将相对定标系数应用于海洋、戈壁滩、云层三种不同地物目标场景。结果表明:三种地物场景的原始影像中存在的各种垂直条纹噪声可以得到有效消除;相对定标后各场景影像条纹系数均优于0.0045;基于太阳漫反射板相对定标方法可对线阵CCD探测器进行大动态范围内相对辐射校正,具有较高的时效性和定标精度,以满足星上相对辐射定标需求。
遥感 线阵CCD探测器 太阳漫反射板 相对辐射定标 条纹系数
面阵CCD 具有灵敏度高、动态范围大的优点，适用于荧光测量、DNA 测序、拉曼光谱分析和低光度检测，因此，研制基于面阵CCD 的高灵敏度微型光纤光谱仪具有重要的实际价值。光学系统采用了优化后的交叉非对称型Czerny-Turner 结构，并获得了1 nm 的光学分辨率。结合DC-DC 和LDO 的设计方法，通过USB 供电实现了6 路电压输出的复杂电源系统设计；通过Verilog HDL 完成了CCD 驱动时序设计；采用Altera 公司的EPM7064 芯片实现了驱动信号输出。CCD 输出的视频信号经双相关采样的高速16 位AD 芯片AD9826 转换后存储在独立的静态RAM 中，使得数据的采集和读取分离。所设计与实现的微型高灵敏度光纤光谱仪的灵敏度是通常基于线阵CCD 的微型光谱仪的11 倍左右，动态范围20000:1，信噪比达到500:1，很大程度地提高了微型光纤光谱仪的性能。
光谱仪 面阵CCD 高灵敏度 双相关采样 spectrometer area array CCD high sensitivity complex programmable logic device(CPLD) CPLD correlated double sample
哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
为了解决三线阵CCD空间目标位姿测量的精度问题,提出一种高精度位姿解算方法。该算法将所有线阵CCD相机的坐标系进行统一化处理。通过建立一个新的误差评价函数,运用改进的正交迭代算法求解位姿参数,并进行非线性优化。仿真和实际测量结果表明,该算法有效避免了因数据恶化或初值选取等因素造成的不收敛或收敛差的问题。与传统算法相比,该算法测量精度和抗噪特性均得到有效改善,计算效率提高了4.6倍,实际测量的6个自由度的最大相对误差为0.71%。该测量系统可实现对空间目标的高精度实时测量,且具有安装方便、应用范围广等优点。
机器视觉 正交迭代算法 位姿解算 线阵CCD 空间目标
