（机械电子工程专业论文）微流体数字化技术中微器件的显微测量技术研究.pdf

l 学位论文 微流体 微流体数字 和技术进步 进行的相关 本论文 别根据各自 针采用基于 作了相关研 径与喷射不 行显微测量 具体配制比 关研究，以液体水的输送为例，测量出水的流量问题。 关键词：显微测量，玻璃微针，玻璃微管道，微流体数字化， 折射率液，图像处理，倒置法 t 学位论文 微流体数字化技术中锻器件的显微测量技术研究 a b s t r a c t 1 1 l ed i g i t a l i z a t i o no fm i c r o f l u i d st e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tr e s e a r c ho fn l e m i c l o - s y s 呦l a bi nn a n j m gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yl a t e l y t h e r ea l e s o l n ec r e a t i v et h e o r i e si nt h e d i g i t a l i z a t i o no fm i c r o f l u i d st e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , t h em i c r om e a s u r e m e n tr e s e a r c h e so ft h eg l a s s - m i e r o p i p e t t ea n dg l a s s m i c r o c o n d u i t w h i c ha r em e n t i o n e di nn ed i g i t a l i z a t i o no fm i c r o f l u i d st e c h n o l o g ya b o v ea r e d i s c u s s e d i nt h i s p a p e r , t h ed i f f e r e n tm e a s u t l 奠l l e n tm e t i l o d s a r e g i v e nb a s e do nt h e i r d i f f e r e n tc h a r a c t e r sw h i c ha r cm e n t i o n e di nn l ed i g i t a l i z a t i o no fm i 伽o f l u i d s t e c h n o l o g ya b o v e - - t h eg l a s s m i e r o p i p e t t ea n dt h eg l a s s - m i c r o c o n d u i t , t h em i c r o m e a s u r e m e n ts y s t e ma r eb u f i t t h eu p e n dm e t h o dw h i c h i sb a s e do nt h e i m a g e - p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi su s e df b rm eo a s s - m i c r o p i p c t t c sm i c r o m e a s u r e m e n t , m e a n w h i l e , m a k es o m ef l l r t h e r r e s e a r c h e si nt h ed i g i t a l i z a t i o no fm i c r o f l u i d s t e c h n o l o g y , a n ds e tt h es t a i n l e s ss t e e lp o w d e r si n s u t i l a t i o na sae x a m p l e ，g i v et h e r e l a t i o n sb e t w e e nt l l eg l a s s - m i c r o p i p e t t e si n n e r - d i a m e t e ra n dt h es t a i n l e s ss t e e l p o w d e r sw i d t h ；t h e r e f r a c t i v ei n d e x l i q u i d m e t l l o d i su s e df o rt h e g l a s s m i c r o c o n d u i t sm i c r om e a s u r e m e n lc h o o s et h e k i n do fl i q u i d sa n ds u m m a r i z e t h ep r o p o r t i o no ft h ef i q u i d sw h i c h 哦u s e df o re o n f e c t i n gt h er e f r a c t i v ei n d e xl i q u i d , a tl a s t , a l s os e tt h ew a t e r st r a n s p o r t a t i o na sa l le x a m p l e d os o m er e s e a r c h e si n1 1 l e d i g i t a l i z a t i o n o f m i c r o f l u i d s t e c h n o l o g y , m e a s u r e t h e f l u x o f n l e w a t e r k e y w o r d s ：m i c r om e a s u r e m e n t ，g l a s s m i c r o p i p e t t e ，# a s s m i c r o c o n d u i t ， d i g i t a l i z a t i o no f m i c r o f l u i d s ，r e f r a c t i v ei n d e xl i q u i d ， i m a g e - p r o c e s s i n g ，u p e n dm e t h o d 本学位 本学位论文 表或公布过 历而使用过 已在论文中 研究生签名 南京理 或上网公布 交并授权其 于保密论文 研究生签名 学位论文微流体数字化技术中微器件的显微测量技术研究 1 绪论 1 1 徽流体数字化技术 1 1 1 徽流体数字化驱动控制一体化技术的提出与确立 “微流体数字化驱动控制一体化”概念【1 1 是南京理工大学微系统研究室 章维一教授和侯丽雅教授在国际上率先提出的。在“十五8 6 3 计划”项目微流体 数字化驱动控制一体化技术的研究及其在r p 中的应用( 项目编号： 2 0 0 1 a a 4 2 3 2 2 0 ) 及国家c a 然科学基金项目微流体数字化驱动控制一体化 技术研究( 项目编号：5 0 2 7 5 0 r 7 9 ) 的资助下，进行了大量的研究工作。经过理 论上的逐渐成熟，方法上的不断突破及装置的不断研制和更新，该技术于2 0 0 4 年3 月顺利通过江苏省科技厅主持的微流体系统数字化技术鉴定鉴定委员 会认为：“微流体系统数字化技术的研究在基本概念和理论上有原创性，为建立 与信息数字化、能量传输及固体运动数字化有等同意义的物质传输数字化开辟了 道路，对微流体系统的研究和技术进步有重要意义；该项技术总体达到国际先进 水平”1 2 l “微流体数字化技术在2 0 0 5 年初被科技导报( 中国科协会刊) 评为 2 0 0 4 年中国科学、技术与工程重大技术进展”，同时入选的有袁隆平的超级杂交水稻 技术和“中国资源二号”卫星等共8 项【羽。 近两年，微系统研究室致力于该技术的理论创新及应用研究。理论方面，提 出了物质数字化及物质能量信息统一数字化的概念1 4 1 ，“影响流体流动的方法及 其装置和应用”已经获得国家专利1 5 l 。在应用方面，“基于微流体数字化技术的细 胞输送方法及装置”已经申请国家专利，该方法和装置用于生物工程中的细胞输 送和定位，较传统的操作更准确高效，且装置少、易操作。微流体数字化技术在 微流控芯片方面的应用包括微流体驱动、微混合、微分离等，另外在微胶囊制作、 非接触式基因芯片点样、细胞微注射、粉体喷射成型等方面的应用正在研究中。 目前，该技术已经得到学术界的普遍认可和重视，具有深远的理论意义和广 阔的应用前景。 1 1 2 徽流体数字化喷射技术 微流体数字化喷射技术，是“微流体数字化驱动控制一体化技术应用于 驱动和控制微流体以微液滴的形式自微流道出口离散、喷射时的一种简单提法。 学位论文 微流体数字化技术中微器件的显微测量技术研究 它不同于已有的喷射技术，是一项原创性的数字化喷射技术。它的最大特点是喷 射量非常的小而且可控，最小可以达到飞升级( 1 0 5 l ) 的水平，而且喷射的材 料种类多，该技术不仅适用予液体、同样适用于粉体，并对液体、材料没有特殊 限制，所以可根据不同的实际需要，具体选择喷射材料和控制喷射薰。 该项技术在生物微制造与微化工方面的技术优势是： 数字化微喷射在技术上先进，喷射物质范围广、能对各种黏度的营养物 质以及细胞、分子等微粒进行喷射：造型能力强，胜任三维细胞支架造型和二维 表面梯度修饰，在较低温度压力下工作、不破坏生物活性，工作可靠性高，成本 低； 与通常的微外形流体系统( 如微流控芯片) 相比，扰动性好( 近壁、大 而且可调) 、流动特性好( 输送分辨率高、相同阻力下可用更小直径、数字化流 动) 、微结构特性好( 可用非i c 工艺制造、可制造更细长流道) ，所能完成的微 化工操作效果更好、种类更广，包括物质微输送、微混合、微分离、微传热、微 反应、纳米颗粒制备等； 已初步研发出数字化微喷射和数字化微扰动及其制造方法和装备，包括 数字化喷射扰动平台、数字化微流体器件及其制造方法和制造装备州。 1 2 显徽测量技术概述及其发展现状 1 2 1 显徽测量技术概述 尺度的测量一般分为静态尺度和动态尺度( 位移) 测量两种，微尺度以及微小 几何量一般指微米或纳米级尺度，具有检测范围小、精度要求高等特点。微几何 量分布与不同测量方法的测量范围示意图如图1 2 1 1 所示 1 d 1 0 1 0 x l 矿 管 匮 撼 翻 嚣i m 厦 螽 1 0 x 呻 光电坐标铡量仪| 墼堕墨坐堡翌曼堡 徽几何量 分布范围 纳米级、 几何量 分布范囝 白光干涉 扫描力 探针 显微镜 相移干涉显徽镜 i m1 0 l o x i 旷1 0 x l 矿l x 1 0 ， 横向测量范围( p1 ) 图1 2 i 1 徽几何量分布与不饲测量方法的测量范围示意圈r 刀 2 学位论文微流体教字化技术中徽器件的显微测量技术研究 在微系统中，显微测技术已成为影响微系统性能的一项重要技术难点，寻求 先进、高效、实用的测量方法是深入进行微系统研究和开发的关键之一传统的 显微测量方法有触针测量法、光学测量法和扫描测量法三种。这些方法都以各自 的优势在许多方面得到了广泛的应用。 1 2 1 1 触针测嚣法 触针测量法是利用机械触针进行测量该方法对测量的环境要求不高，操作 简单，对被测材料性质不做要求，金属和非金属都可测量。因为具有较高的垂直 分辨率而广泛用于表面粗糙度的测量。但是由于测头半径小的影响使其横向分辨 率不高，而且当触头半径太小时对样品的测量力过丈，会导致样品表面的损伤及 引起触针测杆的变形等。该方法精度只有几个微米量级故逐渐被电子显微镜法所 代替。 1 2 1 2 光学测量法 光学测量法包括光触针的聚集法、光学离焦法和共焦法、移项干涉测量法、 光外差干涉法、共模抑制干涉法、散射法、激光全息法等。聚焦法的原理是将表 面信息的变化转化为物镜前焦点相对目标表面的偏移量，再由光电探测元件转换 为电量处理。移相干涉法的工作原理是通过移相改变两干涉光波的相对相位，通 过干涉场中同一点在不同的移相量下光强的变化，求出初始相位差，达到微尺寸 显微测量的目的。光学外差干涉法是利用载波技术将被测信号转换成调频或调相 信号而实现微尺寸的高分辨率测量。其他的光学测量方法均是基于不同的光学原 理进行微尺寸的非接触式测量这种方法在显微测量中占有极其重要的地位。在 高精度显微测量中光学方法的主要不足是由于光线的干涉和衍射现象造成重复 性达不到要求，抗干扰能力差。测头精度还只在微米级。 1 2 1 3 扫描渭量法 扫描测量法主要有扫描电子显微镜和扫描探针显微镜两种方法： ( 1 ) 扫描电子显微镜 扫描电子显微镜最大优点是在水平方向上的测量( 被测表面水平安放) 具有 非常高的分辨率( 几个纳米) 和比光学显微镜更大的测量范围，但不能反映垂直 方向上的形貌变化能够反映垂直方向形貌变化的立体扫描电镜则测量过程复 杂，需要抽真空。传统的扫描电子显微镜( s 蹦) 采用截面测量的方法可以获得样 品的线宽和轮廓，但是这种方法具有一定钧破坏性l 弼，不能获取表面特征高度的定 3 学位论文 徽流体数字化技术中微器件的显微测量技术研究 量化数据。 ( 2 ) 扫描探针显微镜 扫描隧道显微镜( s 1 m ) 的出现，使物质表面在原子和分子量级上的结构研 究得以实现s t m 具有非接触测量的优点，由于利用隧道效应来工作，故具有 极高的分辨率，纵向可达到0 0 1 r i m ，横向可达到0 i n m 。g b i n n i n g 等人于1 9 8 6 年研制出可以用于测量导体和非导体表面的原子力显微镜( a f m ) ，它克服了 s t m 的缺陷，只是要获得精确的线宽和轮廓测量结果时，需在原位表征探针的 形状和尺寸 9 1 。a f m 的原理是：用极尖的探针对被测表面进行扫描( 依靠原子 力使探针和被测表面实际并不接触) ，借助于纳米级的三维定位系统测出该表面 的三维形貌。用这种原理测量的方法还有：磁力显微镜( m f m ) 、激光力显微镜 ( i j f m ) 、热敏显微镜( t s m ) 、光子扫描隧道显微镜( p s t m ) 、扫描近场声显 微镜、扫描离子力显微镜等。s 1 m 和a f m 对试件表面都不会造成损伤，也无特 殊的试件制备要求，而且可以工作在大气、液体和真空介质下，a f m 不但用于 导体和非导体的测量，且还适应在液体里测量的环境，可作为非破坏性的测量方 法进行线宽和轮廓的测量【1 0 l ，故a f m 应用日益广泛。这种方法越来越广泛的被 用于显微尺寸的显微测量。 1 2 2 国内外发展现状 目前，在国外，以美国、日本、以及一些欧洲国家为代表的国家从事显微测 量方面的研究比较早，而且研究的也比较多。 m m 公司苏黎世实验室研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器一扫 描隧道显微镜( s c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p e , 以下简称s t m ) ，如图1 2 2 1 所 示。它的出现，使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和 与表面电子行为有关的物理、化学性质。但由于隧道电流产生于两导体之间，所 以s t m 无法测量非导体的表面，而涂上导电膜后，往往掩盖了表面结构的细节， 不适合玻璃材料的测量。 4 学位论文 徽流体数字化技术中微器件的显微测量技术研究 z 反馈 图1 2 2 1 扫描隧道显微镜示意图【l ” 日本松下电器公司开发的装有原子力测头的u a 3 p 型三坐标测量机，如图 1 2 2 2 所示。这种测头被报导为目前测量机中的有最高准确度并可进行非接触连 续测量的测头，但经过计算其2 9 u n 半径测头的测量力为1 0 4 n 5 l 矿n ( 1 0 5 0 r a g ) ，已远远超出原子力范畴。经分析，该测量机测头的测量力仍完全属于宏 观机械接触力，只是接触力较小而已，对被测物体可能造成物理损伤。同时可根 据接触力的经验公式，计算出其接触力造成的变形误差在亚微米级，仍具有较大 的测量误差，对微器件的检测和计量相对较困难。 图1 2 2 2 原予力显微镜测量示意图“w 而基于近些年扫描探针显微技术( s c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p e ，简称s p m ) 的 发展以及国际上已经成熟的计量型探针显微技术【1 3 - 1 4 ，并依据日本松下屯器公司 原子力测头的设想，以原子力微探针作为瞄准装置传感器，并结合二维微位移 系统和高精度传感器，研制了真正意义的原子力测头，应用原子力微探针结合二 维微位移系统很好地进行纳米量级尺寸的三维坐标测量，这种微尺寸坐标测量法 的分辨力较高，测量重复性较好，不产生接触力弹性变形误差，测量范围在垂直 学位论文微流体敦字化技术中微器件的显微测量技术研究 方向为几微米，水平方向为几十微米“7 1 ，是未来显微测量的发展方向之一但 是s p m 涉及到设备庞大且昂贵、操作复杂等问题，在目前研究室的条件下也是 不可行的。 国内对于微器件的显微测量研究起步相对较晚，但是通过近年来的不懈努力 也取得了很大的成果。 由德国联邦物理技术研究院( f i b ) 和中国计量科学研究院联合研制了世界上 第一台计量型原子力显微镜。他们是将微型光纤传导激光干涉三维测量系统引入 。到a f m 中，实现了自校准和尺寸的绝对测量。其精度为：任意两点间距离的测 量不确定度乩，= 5 n m + 2 x l 旷f ；在z 轴上的测量不确定度 砜产( 1 1 1 2 n m ) + 2 x l o _ _ i l ，其中h 为测量高度，单位为微米l l 研。 上海中晨数字技术设备有限公司依托国内著名高校和科研单位，广泛采用国 内外有关专家的最新科技成果，着重胶体与界面、粉体技术、纺织纤维等性能测 量技术产品的开发。公司生产的光学显微系统系列，主要用于观察细小物体的形 状，测量细小物体的大小，由于配备了各种可变长焦距的镜头，可观察并记录 细小物体的变化情况，放大倍数可达准纳米级，比如结晶过程，高分子在电场下 的链结，细胞的变化等。显微测量系统对半导体、液晶、石油，印染，医药，喷 涂，选矿等行业的科研生产有非常重要的作用。 由哈尔滨工业大学研制的基于原子力探针测头的微三维坐标测量系统，重点 解决微陀螺零件台阶高度，微动压马达尺寸、微硅加速度传感器加工尺寸、微薄 膜厚度、微齿轮齿形精度等微机械零件的高精度测试问趔埘。原子力显微镜 ( a f m ) 虽然具有高的纵向和横向分辨率，在线间距和台阶高度的测量中能提 供较强的比对能力岌啦”，但是a f i v l 就其测量精度和范围属于纳米测量手段阎， 目前微系统研究室所用到的微器件一般在微米量级，而且探针具有一定的形状和 尺寸，所以a f m 测量时具有较大的测量误差圆，对于目前玻璃微器件的测量不 适合采用。 1 3 论文背景和主要工作 本论文微流体数字化技术中微器件的显微测量技术研究是结合南京理工 大学微系统研究室承担的江苏省科技攻关计划项目“数字化微流体器件及其细胞 基因工程应用装备开发及产业化” i t l土 l d r、 图2 2 2 1 镍铬合金加热丝示意图嗍 r - i 卡头夹持点i。卡头夹持点t - - 1 上上 ! ； - l l 图2 2 2 2 玻璃毛细微管道示意图嘲 图2 2 2 3 拉制好的玻璃微管道图片 从拉制的原理来看，拉制后的玻璃微管道与玻璃微针一个明显不同的地方在 于，玻璃微管道中间部分相对玻璃微针尖端来说比较均匀，而且内径比玻璃微针 要大这在液体和粉体输送中是非常重要的，也决定了他们采用的测量方式是不 同的 2 3 徽器件待测几何参数的确定 在微流体数字化技术的实际应用中，玻璃微器件的几何参数对其系统性能影 响较大，甚至是决定性作用。如在细胞微注射过程中，如果不能准确测量出玻璃 微针的内径，微注射的注射量是无法得到有效控制的，而且玻璃微针的内径对于 i l r l【i-i 学位论文微流体数字化技术中微器件的显微测量技术研究 3 玻璃微针几何量的测量研究 3 1 玻璃徽针测量方案的分析与载物台的设计加工 3 1 1 玻璃徽针显徽测量方案分析 如1 2 节所述可知目前对于微器件的测量方法有触针测量法、光学测量法和扫 描测量法。这些测量方法各有优点，应用广泛，在各自的应用领域里发挥着重要 作用，但是由于其难以克服的缺点和应用领域的局限性，在科学技术发展日新月 异的今天，其测量能力和测量准确度已经难以满足人们的需要1 2 9 。 触针测量法是利用触针式传感器来进行显微测量的，该方法对测量的环境要 求不高，操作简单，对被测材料性质不做要求，金属和非金属都可测量，但是由 于测头半径大小的影响使其横向分辨率不高，而且当触头半径很小时对样品的测 量力过大，会导致待测物体表面的损伤及引起触针测杆的变形等。对于要测量的 玻璃微针和玻璃微管道来说，因为属于玻璃材质，容易因触针式传感器的机械力 作用产生损坏，影响测量精度。而近几十年发展起来的扫描隧道显微镜、扫描电 子显微镜和扫描近场光学显微镜虽然具有很高的测量精度，但其设备庞大且昂 贵，操作复杂，在目前研究室的条件下不适合采用。因此许多科学研究和工业领 域应用较多的仍是一般的光学显微镜。而光学显微镜主要分为透射式和反射式两 种方式，常用的生物显微镜主要是透射式的，而晶相显微镜主要是反射式的显微 镜。透射式光学显微镜的光源从物镜的底部发出，透过透明的载物台进入物镜的 视野；反射式显微镜则利用物体对光的反射原理在目镜中成像。由于要测量的微 器件材料是透明的玻璃，因此，不适合采用反射式显微镜，只适合采用透射式显 微甜3 0 】 由以上分析，针对目前的情况比较可行的只有光学显微镜法，但如果采用显 微镜测量法必需解决以下几个问题：玻璃微针内径的测量；测量精度的问题。 3 1 2 倒置澍量法测量原理 目前一般测量方法都是将待测物体水平放置，因此只要测量工具达到一定精 度，玻璃微针的外径是可精确测量的，但玻璃微针内径位于内表面、针尖非常小， 而且玻璃材料受折射和反射影响，一般的水平放置测量方法无法精确测量，因此 尝试将玻璃微针垂直固定，利用选定的光学显微镜直接测量。但目前所用光学显 微镜的透明载物台是玻璃材质，难以实现垂直固定，因此设计了专用载物台，专 用载物台与原有的透明载物台不同在于中间加工了几个特定尺寸的孔径，测量时 将玻璃微针插入载物台的孔径中，利用孔径与玻璃微针之间的摩擦力实现垂直周 lliir ol， 有机玻璃载物台直径d 为9 5 m m ； 有机玻璃载物台的厚度h 为5 r a m , 加工孔径直径大小d 为1 6 r a m ； 加工孔径之间的间隔l 为5 m m 。 ( 2 ) 加工过程中应注意的问题 有机玻璃载物台由于其特殊的作用决定它在加工过程中必须经过一定的处 理，比如说加工直径为1 6 r a m 孔径时，只有在保证加工孔径具有很好垂直度时 才能保证固定玻璃微针时的垂直性，如果玻璃微针没有垂直固定好，那么通过载 物台所成的像就不是真实像，有一定的偏差，而且固定玻璃微针时容易折断；同 时为了提高玻璃微针与孔径之间的摩擦力，对孔径进行粗加工后，不要进行精加 工，以提高孔径的摩擦系数。但对于载物台的边缘来说，由于经常与透射式光学 显微镜原透明载物台相互替换，因此为了替换的方便，载物台边缘在加工过程中 要进行精加工，以便于替换 综上所述，有机玻璃载物台在加工过程中需注意以下几个方面： 加工孔径应具有很好的垂直度； 孔径在进行粗加工后不需要精加工，以提高摩擦系数； 载物台的边缘要进行精加工，以提高它的光滑度，便于替换。 根据以上得出的加工尺寸和加工过程中应注意的问题，加工出如图3 1 4 1 所示的有机玻璃载物台。 1 7 of i lr 学位论文徽流体数字化技术中微器件的显微测量技术研究 图3 1 4 1 有机玻璃载物台图片 3 2 显徽测量系统平台的硬件设计与选择 3 2 1 显徽测量系统的组成 根据倒置显微测量法的测量原理以及目前研究室的实验条件，采用基于图像 处理技术的倒置测量法，采用图像处理技术主要是基于以下两个方面的考虑： l ( 1 ) 对图片进行图像处理可消除噪声及外界一些因素对图像质量的影响， 从而提高图像的质量或达到人们所要求的某些预期效果，使其中对测量有用的信 息得到增强，减弱无关的信息，便于精确测量； ( 2 ) 图像处理软件在对图片进行处理后进行测量时是自动读数，不需要人 为的读数，避免了人为读数所产生的误差，提高了测量精度。 在具体测量过程中采用光学显微镜和c c d 摄像头相结合，通过数据采集卡 采集后再利用图像处理技术来进行测量。测量时将玻璃微针固定在有机玻璃载物 台上，通过c c d 摄像头采集到待测玻璃微针在光学显微镜下的图像信息，将其 转化成电信号，由图像采集卡采集信号，再由图像处理软件对获取的图像进行一 定的处理后得出待测玻璃微针的内外径，其具体豹测量流程如图3 2 1 1 所示。 图3 2 1 2 是测量玻璃微针内外径过程中采用的测量系统图。由于测量时采用的 测量像素值方法，是一个相对值概念，在经过系统标定后，系统误差是要被消除 的。 学位论文微流体数字化技术中微器件的显微测量技术研究 图3 2 i 1 玻璃微针测量流程图 数 1 c c d 摄像头，2 显微镜，3 加工的载物台，4 图像显示软件，5 计算机 图3 2 1 2 倒置法显微测量系统 3 2 2 显徽测量系统硬件分析与选择 由图3 2 1 2 的倒置法显微测量系统图看出，测量系统主要有c c d 摄像头、 光学显微镜、加工的载物台、图像显示软件、计算机以及数据采集卡等组成，对 其中的硬件除了计算机没有特殊要求外，都需要经过分析后进行选择。因此显微 测量系统的硬件选择主要是光学显微镜、c c d 摄像头和数据采集卡的选择。 ( 1 ) 光学显微镜的选择 在选择显微镜首先要考虑的问题就是显微镜的景深问题，它决定着被观测物 体的可视深度。 景深的定义为：当显微镜调焦于某一物面( 称为对准平面) 时，如果位于其前 学位论文 微流体数字化技术中微器件的显微测量技术研究 后的物平面仍能被观察者看得清楚，则两平面之间的距离就称为显微镜的景深 圆 根据理论推算，显微镜的景深l 可按如下公式计算3 0 l ： m i j o “a l ) m ( 毫米)( 3 2 1 ) 式中：( i ) o 一眼睛的调节状态不变时显微镜的景深数值， ( a l ) o2 亍耳i 茜万( 其中n 为物镜和试样间介质的折射率；r 为显微镜的 视放大率，其绝对值即显微镜的放大倍数；n a 为物镜的数值孔径) ； ( i ) 扣由人眼调节能力贡献的对显微镜观察所附加的景深值， ( l 泗1 兰三! 粤，是按3 0 岁左右的正常眼的平均调节能力计算的。 i p 由于所测量的玻璃微针内外径一般都在i 4 0 0 u m 之间，因此可用这个标准 对显微镜的放大倍数与数值孔径值进行选择。数值孔径可选择：n a - - 0 6 5 。由上 述景深公式可知，本系统中所用显微镜与c c d 联结时实际上只有物镜起作用， 因此显微镜的放大倍数只能取物镜的放大倍数，若物镜的放大倍数采用l 倍时， 数值孔径n a = 0 6 5 ，n = l ，按照上面所述的公式可得： 扯( 螗确因为没有目镜，贿物镜，所以也就不存在由人眼 调节能力贡献的对显微镜观察所附加的景深值，即( ( a l ) m - - - 0 ) ，且r = i ( 因为没 有目镜) ，由此可得： a l - - - 0 0 2 7 4 5 m m = 5 4 9 哪 此时显微测量最大可达4 3 9 2 u m ，可满足实际测量要求。 因此，最后选择的体视显微镜其物镜的放大倍数为l 倍( 最大放大倍数为4 倍) ，数值孔径n a = 0 6 5 。 ( 2 ) c c d 工作原理及型号选择 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 是电荷耦合器件的缩写，电荷耦合器件c c d 是 7 0 年代发展起来的新型半导体器件，具有光电耦合、存贮与转换电荷的功能， 并有灵敏度高、尺寸小、可靠性好、信号处理方便、易于计算机配接等优点。目 前c c d 已被广泛应用于摄像、遥感测控、工艺检测，人工智能视觉、图像传输 与处理等领域 3 2 1 常用的c c d 主要分为两大类：线阵和面阵考虑到本测量系统处理的是两 维图像信息，因此选择面阵c c d ，又因为黑白c c d 一般比彩色c c d 的清晰度 要高，因此选择黑白c c d 学位论文徽流体数字化技术中微器件的显微测量技术研究 通过同类产品比较，最终本系统选择的c c d 为m i n t r o n 公司的 m t c - 2 3 k 9 h 型面阵黑白c c d 摄像头，而所需照度仅为0 0 8 l u x ( f i 2 ，5 6 0 0 0 k ) 。 c c d 总像素：7 9 5 ( 水平) x5 9 6 ( 垂直) ( c c m 制式) 8 1 1 ( 水平) x5 0 8 ( 垂直) ( e i a 制 式) 。扫描系统：6 2 5 线，5 0 场，秒( c c i r 制式) 。水平清晰度：6 0 0 线。信噪比： 5 2 d b ( 最d , ) 6 0 d b ( 最大) ( 自动增益关闭) 。拥有自动增益控制：镜像功能；数字放 大( 2 倍) 功能；背光补偿功能；伽玛修正：o 4 5 。 。 ( 3 ) 图像采集卡的选择， 图像采集卡的作用就是将c c d 传来的模拟图像信号经过采样，量化为图像 的数字信号，然后把数字式图像信号送到帧存储器或计算机存储器中以进行处 理。本测量系统所用的采集卡主要由解码器、可编程逻辑器件行存储器和p c i 总线控制器组成。解码器为p h i l i p s 公司的s a a 7 1 1 0 芯片，它选择4 路复合视频 中的一路作为输入，经过滤波等处理后，然后经a d 转换成数字信号。由于解 码器和p c i 总线控制器之间速度不同，数字信号暂存在行存储器中，以加快信号 传输的速度，行存储器采用n e c 公司的d 4 2 1 0 2 c - 3 芯片p c i 总线控制器将缓 冲器送来的数据组合成3 2 位送系统内存或显示内存。总线控制器选用z o r a n 。 公司的z r 3 6 1 2 0 芯片 ” 3 a 数字图像处理技术 ； 。： 3 4 i 图像处理技术的发展与应用 ， ， ，* 数字图像处理( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) 也叫计算机图像处理，是一个覆盖面 非常广泛的新兴学科。数字图像处理技术是指将一幅模拟的图像信号经a d ( 模 数) 转换器量化后，图像转换为由一定数量级的数所表示的数学矩阵，然后运用计 算机根据一定的算法对其进行处理的过程。在一般的图像处理过程中，数字图像 处理硬件系统主要由图像采集系统、数字计算机以及图像输出设备三部分组成。 图像处理系统构成如图3 4 1 1 所示。 图3 a 1 1 图像处理系统构成 数字图像处理主要研究的内容有图像变换，图像编码压缩、图像增强和复原、 图像分割、图像描述、图像分类( 识别) 等。 数字图像处理的应用领域十分广泛，诸如在航天和航空技术、生物医学工程、 学位论文微流体数字化技术中微器件的显微测量技术研究 通信工程、工业和工程、军事公安、文化艺术等方面的应用。 本论文中对玻璃微针的内外径的测量采用了数字图像处理的方法，其中图像 处理程序是基于l a b v i e w7 1 软件的图像处理程序。 l a b v i e w7 1 是一个业界领先的工业标准软件工具，用于开发测试、测量 和控制系统。自1 9 8 6 年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将m l a b v i e w 7 1 图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品 质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率使用集成 化的l a b v i e w7 1 环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共 享信息成果，有助于在整个企业范围内提高生产效率。由于l a b v i e w7 1 具有 编程语言的灵活性，可以结合专业测试、测量和控制设计的内置工具，因此可 以建立各种应用程序，其范围可从温度监控到复杂的仿真和控制系统。 l a b v i e w7 1 提供的各种工具能满足任何项目需要。 l a b v m w7 1 的图像处理工具箱是由一系列支持图像处理操作的函数组成 的，可支持许多图像处理操作。图像处理工具箱的函数，按功能可以分为以下几 类：图像显示、图像文件输入与输出、算术操作、几何操作、图像配准、像素值 和统计、图像分析与增强、去模糊处理、图像滤波、线性二维滤波器设计、图像 变换，邻域和块操作、二值图像的形态学处理、颜色映射和颜色空间转换、图像 类型和类型转换、工具箱参数获取和设置等。 3 4 2 图像处理流程的选择 根据玻璃微针的图像特点，经过比较和分析采用如图3 4 2 1 所示的图像处 理流程： 图3 4 2 1 图像处理流程图 图像处理的流程是先将由c c d 捕获的玻璃微针尖端图像进行二值化处理， 去掉不必要的颜色信息，将图像信息从背景中分离出来，以便于图像处理；然后 进行图像的数字滤波，即为去除图像噪音所进行的中值滤波；接着对图像进行边 缘检测，获得所需图像的边缘信息；最后测量其各待测参数。在参数测量前，还 学位论文 徽流体数字化技术中微器件的显微测量技术研究 要先对本测量系统进行尺寸标定 、 3 a 3 二值化 由于l a b v w7 1 软件的图像处理程序所处理的图像必须是二值图像，而通 过c c d 摄像头所得到的图像是b m p 格式的图像文件，在进行图像处理时首先应进 行二值化处理。 二值图像是只有o ( 黑色) 和l ( 白色) 两个灰度值的图像，又称黑白图像。边缘 图像只有0 和1 两个灰度值，属于二值图像【蚓。图像二值化处理的目的是将图形信 息从背景中分离出来，二值图像可通过适当地分割灰度图像得到，如果物体的灰 度值落在某一区间内。并且背景的灰度值在这一区间之外。则可以通过阈值运算 得到物体的二值图像，把多灰度图像转换成二灰度级的黑白图像。在处理过程中， 阈值的可调范围一般设定在( 0 ，2 5 5 ) 之间，闽值越大，黑与白的反差就越大，反 之则越小在图像的二值化过程中既可能丢失原始图像的大量信息，也可能引入 大量的多余信息，如何使二值化处理后的图像能最大限度地保持原图像的重要特 征或细节是很重要的问题。保证图像二值化质量的关键是阈值的选取，常用的阈 值选取方法有固定( 或全局) 阈值法和自适应( 或局部) 阈值法两种1 3 4 1 。不同材料的 分形图像根据灰度分布峰值的不同，按分形特征提取的相应要求，可以选择不同 的二值化转换阈1 3 ” 对于2 5 6 级的灰度图像，将图像上位于s 处的灰度值记为x ( o 1 时，记，( 力= 2 5 5 ：x t 时，记，( 曲= o 由此在 图像上得到了以二值化数据，( 标定的黑白二值化的图像，从而完成了图像的 数字化处理过程。二值化的变换函数表达式可表示如下1 3 6 1 ： f0工 t ，( 加凶工2 r 其中t 为指定的阈值。 图3 4 3 1 和图3 4 3 2 是玻璃微针二值化处理前后的效果图片 ( 3 4 1 ) 学位论文 微流体数字化技术中微器件的显微测量技 图3 4 3 1 玻璃微针原始图片图3 4 3 2 二值化处理后的玻璃微针 3 4 4 图像滤波 滤波是图像处理中一种最基本而又极为重要的技术，利用滤波技术可从复杂 的信号中提取出所需要的信号，抑制不需要的信号。在数字图像处理中，根据噪 声的特征及来源，一般采用滤波的方式实现降噪处理。去除噪声的滤波器很多， 可在空间域和变换域进行。常见的有均值滤波，中值滤波，高斯滤波，窗函数滤 波，层叠滤波扎3 8 1 ，分形几何滤波口9 l ，形态学滤波4 0 ”川j ，最b - - 乘方意义下 的维纳滤波i 弼4 1 1 等等。 所谓滤波器就是一种选频器件或结构，它对某一频率的信号给予很小的衰 减，使这部分信号能顺利通过，而对其他不需要的频率信号则进行大幅度衰减， 尽可能阻止这些信号通过。在图像处理中，滤波常常用来修改或增强图像，以提 高图像的信息量。例如，可以对一幅图像进行滤波，从而强调或消除其主要特征。 假设线性系统： y ( n ) - - - - x ( n ) * h ( n ) ( 3 4 2 ) 若x ( n ) 、) ，( n ) 的傅立叶变换存在，则输入、输出的频域关系是 y ( 矿) = x ( 矿) 日( p 一) ( 3 4 3 ) 假定i x ( p 加h 、l h ( e l ) 1 分别如图3 4 4 1 ( a ) 、3 4 4 1 ( b ) 所示，那么由式( 3 4 3 ) 可 知。l y r e 一) i 将如图3 4 4 1 ( c ) 所示 学位论文微流体数字化技术中微器件的显微测量技术研究 芝丘匝 嗥 仿 “) i x ( e ii ”1 日( ，) li “) i y ( ，) 图3 4 4 1 滤波原理图 0 q 劬 图3 4 4 1 中的坨称为截止频率，它是信号通带与阻带的分界频率( 以很小的 衰减通过滤波器的频率范围称为滤波器的通带；被滤波器阻止通过的频率范围称 为阻带) 。这样，x ( n ) 通过系统h ( n ) 的结果使输出y ( n ) 中不再含有i 卅w c 的频率成 分，而l 叫 k 的成分则毫不失真。因此，通过设计通频带，不同的1 日( 矿) i 就可 以获得不同的滤波效果 若滤波器的输入、输出都是离散时间信号，那么该滤波器的冲激响应也必然 是离散的，这样的滤波器称为数字滤波器。按照滤波器的时域特性可以将数字滤 波器分为无限冲激响应滤波器( i 玎l 滤波器) 和有限冲激响应滤波器( f i r 滤波器) 两 种。f i r 滤波器由于不具备f i r 所固有的稳定性和设计实现的简单性，所以一般 不使用这种滤波器。 从应用理论的角度来看，数字滤波器可分为两大类：经典滤波器和现代滤波 器。经典滤波器是假定输入信号中的有用频率成分和希望去除的频率成分各占有 不同的频带。经典滤波器又可以分为四种，即低通( l p ) 滤波器、高通滤波器、 带通( b p ) 滤波器和带阻( b s ) 滤波器。低通滤波器使截止频率以下的所有信号通 过，截止频率以上的信号则给予很大的衰减，阻止其通过，高通滤波器使截止频 率以上的信号通过，阻止截止频率以下的信号通过；带通滤波器使某一频带内的 信号通过，而对于这个频带范围以外的信号则给予很大的衰减；抑制某一频带内 的信号，同时让这一频带以外的其他信号通过，这样韵滤波器称为带阻滤波器。 带通滤波器与带阻滤波器中有两个截止频率，分别称为上截止频率和下截止频 率。 如果信号和噪声的频谱相互重叠，那么就需要使用现代滤波器。现代滤波器 主要研究如何从含有噪声的数据记录( 又称对间序列) 中估计出信号的某些特征 或信号本身。通常估计信号的信噪比将会高于原始信号。现代滤波器把信号和噪 声都视为随机信号，利用它们的统计特征( 如自相关函数、功率谱等) 导出一套最 学位论文微流体教字化技术中微器件的显微测量技术研究 佳的估值算法，然后予以实现。维纳( 谢盯) 滤波是一种最基本而常用的现代滤 波方法，这种滤波器以最小均方误差作为最优标准，通过分析输入随机信号和噪 声的自相关性，利用傅立叶变换得到原始信号的最优估计【4 2 1 。 图3 4 4 2 、图3 4 4 3 、图3 4 4 4 分别是对二值化后的玻璃微针图片采用中 值滤波、低通滤波和均值滤波的效果图片 图3 4 4 2 中值滤波后的玻璃微针图3 4 4 3 低通滤波的玻璃微针 图3 4 4 4 均值滤波的玻璃微针 对于所要测量的玻璃微针图像，根据几种滤波处理的效果选择中值滤波来进 行滤波处理。 矢量中值滤波在图像处理中得到广泛应用，它是先将待滤波的矢量经过某种 变换，得到新的空间域上的矢量或是标量，然后再用简单的中值滤波方法进行滤 波。 矢量中值滤波器的输出值为滑动窗口中矢量集合的中值。该算法要求对矢量 进行排序。其计算量与矢量个数的平方成正比。对于具有n 个矢量的集合 v = v l ，屹，一】将其通过一个矢量中值滤波器后得到的输出中值矢量为 砀，= v m v 1 ，v 2 ，v n 】，其中钿属于“，v 2 ，v 】其算法如下： 7 ， m ：f o 工订 【2 5 5x t ( 3 4 5 ) 1f lll 学位论文徽流体数字化技术中微器件的显微测量技术研究 ( 4 ) 拉普拉斯算子：拉普拉斯( l 丑p l a d a l l ) 算子是不依赖于边缘方向的二阶 善l 二乏：，瞳一l ，】一2 厂【f ，刀+ ，【f + l ，刀 ( 3 4 6 ) 宴l 二；：，【f ，一l 卜2 ，【f ，】+ ，【f ，+ 1 1 ( 3 4 7 ) v 2 ，：粤+ 丝 ( 3 4 8 ) d zd v 啊= 闻。 图3 4 5 1r o b e r t s 算子边缘检测的图片图3 4 5 2s o b e l 算子边缘检测的图片 学位论文 徽流体敦字化技术中微墨 图3 4 5 3p r e w i t t 算子边缘检测的图片3 4 5 4 拉普拉斯算子边缘检铡的图片 对几种边缘检测后的效果进行对比后，选择r o b e r t