測(cè)量顯微鏡是一種用于測(cè)量精密零件長(zhǎng)度和角度的儀器,廣泛應(yīng)用于測(cè)量室、生產(chǎn)線和科學(xué)研究部門。過(guò)去,測(cè)量顯微鏡一般由物鏡和測(cè)量顯微鏡組成,屬于視覺(jué)設(shè)備的范圍,測(cè)量結(jié)果容易受到人為因素的影響。隨著數(shù)字成像技術(shù)的普及,測(cè)量顯微鏡被CCD相機(jī)取代,結(jié)合圖像分析和數(shù)據(jù)處理,不僅實(shí)現(xiàn)了測(cè)量自動(dòng)化,而且提高了測(cè)量速度和精度。
測(cè)量原理
假定被測(cè)部件長(zhǎng)度為y,經(jīng)物鏡顯像后長(zhǎng)度為y',物鏡放大倍數(shù)為y,β,因此,存在以下關(guān)系:
物鏡放大倍數(shù)也可以用幾何光學(xué)來(lái)表示。
其中f為物鏡物方焦距,f"就像方焦距,而且有f'=-f。x為焦距,即物鏡物方焦距至被測(cè)物體的距離。x"為焦像距,即物鏡方焦點(diǎn)到像的距離。將(2)帶入(1)獲得
從(3)可以看出,物鏡焦距確認(rèn)后,被測(cè)長(zhǎng)度值取決于物鏡的大小y,以及被測(cè)物體與CCD表面相比的位置。如果后者因某種原因出現(xiàn)偏差,如CCD安裝位置誤差或調(diào)焦偏差(詳細(xì)下節(jié)),則會(huì)導(dǎo)致實(shí)際放大率偏差理論放大率,從而導(dǎo)致測(cè)量誤差,因?yàn)楸粶y(cè)物體的大小是根據(jù)公式(1)中的理論放大倍數(shù)計(jì)算出來(lái)的。所謂理論放大倍數(shù),是測(cè)量顯微鏡的主要性能參數(shù)之一,通??淘阽R筒上,如1X、0.5X等。
物方遠(yuǎn)心光路
為了保證被測(cè)物體在CCD表面清晰顯示,需要改變被測(cè)物體到測(cè)量顯微鏡之間的距離,直到獲得清晰的圖像。這個(gè)過(guò)程叫做調(diào)焦。
對(duì)焦可以有手動(dòng)對(duì)焦和自動(dòng)對(duì)焦,但無(wú)論選擇哪種方法,對(duì)焦都有偏差。如圖1所示,紅色實(shí)線表示正確的圖像位置,藍(lán)色實(shí)線表示對(duì)焦偏差。對(duì)于普通顯微鏡來(lái)說(shuō),藍(lán)色光束的主光(通過(guò)孔徑光闌中心的光,代表光束中心)的方向與紅色光束的主光相比發(fā)生了變化,CCD表面的交點(diǎn)從A跑到B,換句話說(shuō),測(cè)得的圖像大小發(fā)生了變化,實(shí)際放大率不等于理論放大率,從而導(dǎo)致測(cè)量誤差。
選擇物方遠(yuǎn)心光路可以去除焦距偏差引起的測(cè)量誤差。如圖2所示,孔徑光闌放置在物鏡方焦平面上,入瞳遠(yuǎn)離物方,物方主光始終與光軸平行。無(wú)論被測(cè)物體的位置如何變化,出射光束的主光方向始終保持不變。即使有焦距偏差,CCD上的圖像也只會(huì)改變清晰度,不會(huì)改變大小。因此,物方遠(yuǎn)心光路不會(huì)因放大率偏差引起的測(cè)量誤差。當(dāng)然,由于光闌外移,軸外像差增大,物鏡的結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜,價(jià)格遠(yuǎn)高于普通物鏡。
對(duì)顯微鏡進(jìn)行校正
雖然物方遠(yuǎn)心光路可以清除焦距偏差帶來(lái)的測(cè)量誤差,但CCD位置誤差仍然會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差,因此在使用測(cè)量顯微鏡之前需要進(jìn)行校正。一般用尺子作為標(biāo)記,如圖3所示,首先測(cè)量尺子的一定距離(如從-5毫米到5毫米)占用的CCD像素的數(shù)量,乘以像素的大小,然后除以物鏡的理論放大率,從而獲得尺子的一定長(zhǎng)度的測(cè)量值。測(cè)量值應(yīng)該等于10毫米,但由于CCD位置誤差,測(cè)量值通常不等于10毫米,例如可能是10.10。mm。多余的0.1mm就是系統(tǒng)偏差,之后每一次測(cè)量結(jié)果都會(huì)減少0.1mm。mm?;蛟谡{(diào)整CCD位置后重新校正,直至測(cè)量值等于或接近10毫米。
校正分割板,1“X1”,格值100。μm。
由于尺子的刻線具有一定的總寬度,所以它的像總寬度通常大于一個(gè)CCD像素,在確認(rèn)兩個(gè)刻線之間的CCD像素?cái)?shù)量時(shí),往往會(huì)受到人為因素的影響,從而造成偶然的誤差。所以我們用圖4所示的標(biāo)準(zhǔn)圖案代替尺子進(jìn)行校正,其優(yōu)點(diǎn)是利用MATLAB圖像處理工具包自動(dòng)識(shí)別圖形,計(jì)算圖案的大小,避免了人為因素的影響。已知的標(biāo)準(zhǔn)圖案是4x4mm的黑白正方形,用Edmund0.9XCobaltTL遠(yuǎn)心鏡頭進(jìn)行測(cè)量(商品號(hào)62901)。.5μm,詳細(xì)的測(cè)試過(guò)程參考視頻1:
視頻1檢測(cè)細(xì)節(jié)
圖5顯示了使用視頻1系統(tǒng)相機(jī)拍攝的圖像。接著對(duì)圖5進(jìn)行計(jì)算機(jī)圖像處理,用MATLAB編寫的編程代碼見(jiàn)附錄。程序的第一段是讀取圖像并顯示。第2段是將灰度圖像轉(zhuǎn)換成圖6所示的二值(黑白)圖像。第3段第1行的函數(shù)regionprops()統(tǒng)計(jì)了每個(gè)白色區(qū)域的面積、重心和邊界框,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。其中,面積用像素的數(shù)量表示,重心用x、y坐標(biāo)表示,邊界框用四個(gè)數(shù)值表示。第一個(gè)和第二個(gè)數(shù)字是矩形左上方的x、y坐標(biāo),第三個(gè)和第四個(gè)數(shù)字是矩形的寬度和高度,用像素的數(shù)量表示。接著給每一個(gè)白色區(qū)域貼上標(biāo)簽,如圖8所示,共有10個(gè)白色區(qū)域。很容易看出只有4、5、7三個(gè)矩形是完整的,所以第四段第一句就是選擇這三個(gè)矩形,其它矩形不會(huì)考慮。二是提取三個(gè)矩形邊界框的數(shù)據(jù),并將其寫入二維數(shù)組BoundingBoxes。從圖7可以看出,第4、5、7三個(gè)矩形的寬度和高度等于660個(gè)像素。最后一句是計(jì)算3個(gè)方形邊長(zhǎng)的平均值,為660個(gè)像素,乘以CCD像素大小0.0055mm,再除以理論放大率0.9,得到方形邊長(zhǎng)的測(cè)量值為4.033mm,比標(biāo)準(zhǔn)值大0.033mm。今后的測(cè)量中,需要減少0.033mm的測(cè)量值。
本文介紹了測(cè)量顯微鏡的工作原理和測(cè)量誤差的主要來(lái)源。─放大率偏差,放大率偏差主要來(lái)自焦距偏差和CCD表面與物鏡相比的位置誤差。選擇物方遠(yuǎn)心光路,將孔徑光闌放在物鏡方焦平面上,可以有效去除焦距偏差引起的測(cè)量誤差。實(shí)際放大率與理論放大率之間的誤差可以通過(guò)使用尺子或標(biāo)準(zhǔn)圖案進(jìn)行放大率校準(zhǔn)來(lái)測(cè)量,以補(bǔ)償CCD位置誤差引起的測(cè)量誤差。本文介紹了如何使用標(biāo)準(zhǔn)圖案和MATLAB強(qiáng)大的圖像處理工具包來(lái)測(cè)量實(shí)際放大率,并共享編程代碼。