确定透镜焦面的系统设计 第6页

 由此可以定性的证明本文讨论的检焦方法中象图样是正确的。

2.5CCD器件的选择

为提高CCD位置测量的分辨率CCD象元尺寸越小越好，而为满足测量范围的要求，CCD的光敏区应足够长。目前，国内外生产的线阵CCD，为防止相邻象元在转移脉冲的驱动了引起串扰,CCD芯片间距一般都在7um左右.本文选择的是台湾一家公司生产的M5PA31H4型线阵CCD作为光电转换元件。像元间距为7m并有5000个像元，可使用的有效光敏区长度为5000X7um=35.0mm本实验中平行光管的焦距fc′=550mm,玻罗分划板刻线对间最大距离为y=20mm测量显微镜物镜的放大倍率 =10,待测透镜焦距的目测值f=50864mm，则CCD所接收象光斑之间的最大距离为:

因此所选CCD满足检焦范围的要求。

2.5.1积分法

传统的焦距测量中焦面是由人眼判读目标所成像的清晰度来确定的本实验采用CCD代替人眼作为接收器。理想的线阵CCD的输出电压值与入射光能量有如下关系：V=KET为输出信号值，k为比例系数，E为人射到CCD光敏面的照度t为积分时间。在一定的积分时间内V与E成正比由于实际的CCD器件都存在光电响应不均匀性和非线性，故实际器件不满足上述关系。而是在理想的响应曲线附近小范围内上下波动。差别可以由图2.9表示：若图片无法显示请联系QQ752018766 

图2.9实际CCD器件与理想器件间的差别

图中的横坐标表示曝光量，纵坐标表示CCD的光电响应值。基于这个原因，使得在单次测量中CCD的输出信号值V与理想的满足线性关系的值有一定的偏离。因此采用多次测量取平均的办法可以平滑其影响。使测量结果得到弥补和修正。

同时我们知道CCD探测器本身不可避免的存在噪声。噪声大小符合正态分布，噪声电压为V的概率密度P(V)满足下式：若图片无法显示请联系QQ752018766 

式中V0表示噪声电压的均方根值。或写成

设V由信号Vs和噪声Vn组成即V=Vs+Vn，对应的信噪比为
如果我们在同样的光输入情况下，连续采集N次信号以i代表采集信号，

则　

     i=1,2,3,…N

将N个信号相加平均得

由于输入不变，所以

而若图片无法显示请联系QQ752018766

服从相同的正态分布，那么

对应信噪比

可见，对同样信号采集N次取平均后，信噪比提高了 倍，我们把它称之为积分法。

由上面的分析可知，积分法既可起到平滑噪声，正确地判定焦面的作用，又可提高信噪比，故在本实验中，采用积分法取N=10。

2.5.2刻线象（尖锐信号）的位置确定

从原理论述中我们得知，d的测定是确定焦面位置的关键，而测定d是以刻线像的位置的确定为前提，但由于光学系统的象差、衍射效应、CCD光电响应非均匀性、CCD的暗电流、电噪声等因素的影响，使采集到的信号出现不稳定的尖蜂。单次采样获得的波形毛刺很多，像的位置很难精确确定。为使计算结果能够准确，灵敏地反映信号特征，尽可能地消除系统误差和随机噪声实验中采用如下措施来提高信号质量，以保证像的位置的精确测定。

(1)采取多次采样求平均的方法，即积分法，可提高信噪比，抑制随机噪声。

(2)对于单次采样得到的所有样本数据点，将连续相邻的每5个数据作一组，这样便将单次采样的所有数据点分成了若干组，将每组数据都求取其平均值，所有平均值仍按原来数据的顺序重新组成一新的数据链。用新的数据链来代替原数据，这样得到的曲线较为平滑，毛刺的影响大大减小。

(3)根据具体的信号选取合适的阈值，在新组成的数据链中，相邻的两组数据作差，大于所选阈值的值所对应的CCD象素坐标值即为所计算的刻线像在CCD上占据的坐标位置。同时，小于阈值的测量数据，不参加运算，又有利于消除背景噪声的影响，闽值的选取要综合考虑噪声和参加运算的象元数两个方面。实验分析选取阈值为100.0（饱和值为4096）。

2.5.3检焦系统软件设计

软件主要由主程序，采样子程序组成。由于阈值电压被梯形所截的宽度d为本实验的检焦的关键，故主程序除了完成系统的初始化工作外，主要是d的计算。采样子程序实现数据的采集CCD输出的尖锐信号的判断及阈值的选取。采样子程序返回后，主程序在所选取的阈值下对CCD信号进行d值的运算程序的流程图如下所示：（其中，N表示调用主程序中循环的次数，