（光学工程专业论文）铟钢尺光电检测系统的研究.pdf

硕士论文铟钢尺光电检测系统的研究 摘要 铟钢尺比一般的水准标尺具有更高的精密性，因此在进行精密水准测量时起着重 要的作用。而对其分划精度进行快速、准确的检测是计量部门急需解决的问题之一。 本论文在已有仪器的基础上，研制了一套铟钢尺的光电检测系统。文中构建了一个系 统平台，设计和改造了显微光学对准放大系统，结合双频激光测距仪可以对铟钢尺刻 度分划进行自动测量。分析了图像处理在检测中的应用，编制了图像采集处理软件、 功能实现软件、与激光测距仪的通讯控制软件、按国家标准编制的铟钢尺检定结果数 据分析软件与报表生成、打印软件等。本系统不仅适用于铟钢尺的检测，还适用于线 纹尺的检测。最后；利用该系统对铟钢尺、线纹尺等进行实际的分划检测，对检测过 程中产生的误差进行分析，并对其中的重要误差阿贝误差进行分析并提出了补偿 方法。利用本系统对铟钢尺、线纹尺等进行的检测与传统的检测方法相比较，不仅检 测速度快，而且精度较高。因此，本系统适合计量部门对于铟钢尺、线纹尺等的分划 检测。 关键字：铟钢尺图像处理计量检定光电检测 a b s t r a c t 硕十论文 a b s t r a c t i n v a rr o d sa r em o r ep r e c i s et h a no t h e rl e v e l i n gr o d s s ot h e ya r em o r ei m p o r t a n tw h e nw e w a n tt og e tap r e c i s em e a s u r e m e n tr e s u l t i ti so n eo ft h ep r o b l e m st h a tm u s t b es o l v e df o r m e a s u r e m e n ts e c t o r st oc h e c ku pt h ei n v a rs c a l e sf a s t e ra n dm o r ea c c u r a t e l y at e s t i n g s y s t e mo fi n v a rr o d si st a l k e da b o u t i nt h i sp a p e r i nt h ep a p e lam i c r o s t r u c t u r ea n do p t i c a l s y s t e mi sd e s i g n e d i nc o m b i n a t i o nw i t had o u b l e f r e q u e n c yl a s e ri n t e r f e r o m e t e rl e n g t h m e a s u r e m e n ts y s t e m ，d y n a m i ct e s t i n go fs t r i p ee r r o ro fi n v a rr o d sc a nb ep e r f o r m e d a u t o m a t i c a l l y a l s ot h eu s eo fi m a g ep r o c e s si sa n a l y z e da n dt h es o f tw a r e sa r ec o m p i l e d ， i n c l u d i n gi m a g ec o l l e c t i o na n da n a l y s i ss o f t w a r e ，f u n c t i o nr e a l i z a t i o ns o f t w a r e ，c o n t r o l s o f t w a r e ，d a t aa n a l y s i ss o f t w a r e ，p r i n ts o f t w a r ea n ds oo n t h es y s t e mi sn o to n l ya p p l i e d t oi n v a rr o d s ，b u ta l s ot ol i n e a rr o d s i nt h el a s t ，t h ee r r o r sa r ea n a l y z e dd u r i n gt e s t i n ga n i n v a rr o da n dan e wm e t h o di se s t a b l i s h e dt oc o m p e n s a t et h ea b b ee r r o r c o m p a r e dt ot h e t r a d i t i o n a lt e s t i n gm e t h o d ，ab e t t e rr e s u l ti sg o t t e n s ot h es y s t e mi sf i tf o rt h em e a s u r e m e n t s e c t o r st ot e s tt h es c a l e so fi n v a rr o d sa n d1 i n e a rr o d s k e yw o r d s ： i n v a rr o d s i m a g ep r o c e s s m e a s u r ea n dt e s t i n g p h o t o e l e c t r i c i t y t e s t i n g 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 舻孑年d 倜弓9 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生躲粹 洳占年捌。日 坝p 睦史 镕钢凡光电检删系统的研究 1 绪论 1 1 项目的研究背景 本论文铟钢尺光电检测系统的研究是属于光电智能检测仪器领域，奉课题 源于生产及计量检测等部门的实际需要。 铟钢尺也叫铟瓦尺或铟瓦水准标尺，是水准标尺的一种，有1 m 、2 小、3 m 等 几种型号，分格值有l o m m f = n5 m m 两种，有两排分划，如图i1 所示。由于它比一般 的水准标尺有更好的特性和更高的精度，所以，要进行精密的水准测量时，首选该类 尺子。 图1 1 铟钢尺 铟钢尺的分划精度直接影响测量结果的准确性与可靠性，因此必须对铟铡尺的分 划精度进行定期检测，测定铟钢尺的分划误差或确定钢钢尺的修正常数，以便对铟制 尺进行测量的结果加以改正。而且根据检测结果可以判定该尺是否符合国家标准中的 精度要求，能否继续使用。因此在进行高等级水准测量前，都应该对铟钢尺进行检测， 以确保测量的精度。 随着我国国民经济的高速发展，要求对各种工业生产中的技术指标进行高精度和 高效率的定量检测。在相关企业i s o 9 0 0 0 族的认证中，镏钢尺作为高精度的测量工 具必须定期送计量部门校准，检测需求十分大。而日前我国大多数计量部门对铟钢尺 的检验手段还停留在使用光学读数显微镜进行目视测量的方法。即先用光学读数显微 镜瞄准锢钢尺各个刻线的右下边缘电录读数，然后立即进行返测，瞄准各个刻线的左 上边缘，记录读数。然后对记录的读数按国标中的计算方法进行计算处理。这种检测 方法不仅繁琐，消耗时问，计算量大，而且由于采用目视方法对准，产生的误差也比 较大。 随着社会的发展和各项技术的进步，对检测装置的检测效率和检测精度的要求 l 绪论 硕士论文 也相应提高，而且检验指标也越来越多，这就要求对铟钢尺的检测快速、准确。因 此，研制出一套误差小，速度快，便于操作的铟钢尺自动检测装置不但有着很高的 应用价值而且会有很好的市场前景。 1 2 国内外现行的检验装置及研究情况 近年来，由于激光的出现，干涉技术得到突飞猛进的发展，激光干涉仪广泛用 于精密机械加工以及测量中，带来了更精确的结果。1 9 7 5 年许莱曼尔在他的博士论 文中第一次提出用激光干涉仪检验精密水准标尺的方法。他的这一成果很快被许多国 家所采用。水准标尺激光干涉检定器的工作原理概述如下。 图1 2 是激光干涉检定器的方框图。在检定台的导轨上安置有一滑动平台，水准 标尺置于平台上。标尺上方固定有一台显微镜。平台和标尺在显微镜下面运动时，其 位移量用一台激光干涉仪记录通过接收装置的干涉条纹数来确定的。此时，每当一根 分划线在显微镜下通过时，计数器读数就自动显示和记录。整个检验工作是在动态状 况下检测的。分划改正数的测定精度均匀且优于l o m 。 图1 2 激光干涉检定原理框图 1 2 1 我国的检验装置和原理 为了适应生产发展的需要，我国自上个世纪九十年代对铟钢尺的检测也制定了较 完整的检测规范和检定方法。国内一些研究人员为了提高铟钢尺检测的质量进行了大 量的研究，提出了一些旨在能够实现对铟钢尺进行高精度高效率检测的方法。为了提 高检测的速度和精度，一些研究人员将光学读数显微镜改为光电显微镜进行瞄准，配 以双频激光长度测量系统进行检测，这样可以进一步提高检测精度。下面我们就主要 介绍一下利用光电瞄准显微镜进行检测的原理。 利用光电瞄准显微镜进行铟钢尺线纹分划的瞄准检测，检测系统原理如图1 - 3 所 示。检测系统主要由双狭缝光阑的光电瞄准显微镜、双频激光干涉仪、计算机、测量 2 硕士论文铟钢尺光电检测系统的研究 运动系统等几部分组成。机械运动工作台承载铟钢尺平稳运动，双频激光干涉系统实 时测量标尺的位移量。当光电瞄准器瞄准分划线纹中心时，经过信号处理产生条纹中 心瞄准的脉冲信号，计算机捕捉到瞄准信号，采集待测铟钢尺的实时位移量，经过计 算机处理后给出最后的检测结果，得到各线纹间距的分划误差，从而实现了对铟钢尺 的测量。【1 8 】 待测标尺 双频激光干涉仪 测量工作台 光 图1 3 铟钢尺检测系统的组成 在检测的过程中，瞄准铟钢尺刻线中心是实现检测高精度的重要一步。利用光电 显微镜瞄准条纹中心的原理如图所示，在铟钢尺的分划线纹1 的像面上设置两个光缝 2 ，两个光缝的中心距等于条纹宽度，由狭缝后的两个性能一致的光电接收器( 光电 池) 接收通过狭缝的光通量，当条纹的前后边缘分别经过两个狭缝时，光电池经光电 转换得到信号如图1 4 ( a ) 中3 所示。瞄准信号处理电路对光电转换后的信号进行差动 放大，过零触发等处理后，得到如图1 4 ( d ) 所示的瞄准脉冲，标识对条纹中心的瞄准。 即当差分信号等于零时，此时差分信号的过零点对应于黑色分划线的中心，以此过零 位置作为瞄准位置。 瞄准光学系统的基本任务是将水准尺上的分划线清晰地成像在双狭缝上，并能获 得足够大的信号。因此瞄准光学系统应满足两个基本要求：一是应具有足够的景深， 以适应尺面波动；二是在双狭缝上要有足够的光通量，以满足能量的要求。所以瞄准 光学系统既是一个几何成像系统，又是一个能量传递系统。为了减少由于水准标尺面 上光亮度不均匀产生的瞄准误差，照明系统应该采用柯勒照明方式；为消除由于景深 存在而产生的瞄准误差，瞄准光学系统应该采用物方远心光路。 从上面的理论可以看出，这种利用激光干涉仪进行水准标尺检定的方法虽然大大 3 l 绪论硕士论文 口 一( a ) ( c ) n 7 ： ： n。 图1 4 条纹的瞄准检测原理 提高了水准标尺的检定速度和精度，但是还是存在一定的不足之处。这种方法的检测 系统结构复杂，需要比较复杂的信号处理电路及照明系统，并且还需要两个性能完全 一致的光电接收器，增加整个检测系统的成本。另外，由于采用的是光电显微瞄准器 固定，水准标尺移动的检测方法，对于3m 的铟钢尺来说，检测需要6 m 长的导轨， 并要求很高的导轨直线度，这给机械加工带来困难。 本项目铟钢尺光电检测系统的研究是利用已有的实验装置，本着检定结果符 合国家要求、检定速度快、精度高、节约成本的原则，来研制的一套铟钢尺的光电检 测系统。我们可以在这种方法的基础上进行改进，使之检定符合我们的要求。 1 3 本项目的检测原理以及所做的主要工作 本项目采用的是水准标尺固定，光电显微镜移动的检测方法，检测3m 的水准标 尺只需要3m 长的导轨，因此首先在设备结构方面做出了改进。其次，我们利用软件 控制来寻找刻度的中线，而不是采用光电瞄准器瞄准刻线中心，节约了成本。整个检 测工作的基本思想是：在三米导轨上增加对准系统承台和水准标尺承台，对准系统由 一台测量显微镜改装，目视部分改为c c d 接收；高低、左右微调保留使用；在适当 的位置加装角锥反射器，用以反射激光，作为激光测距仪的合作目标。并且增加不同 倍率的显微物镜，以便适应不同对象的检定要求。然后采用计算机、图像卡构成的自 动对点偏差测试系统，通过图像处理、编写测量软件得到水准标尺的实际分划间隔长 度，并按国家标准中数据处理方法计算水准标尺的刻度偏差。 除了能检测铟钢尺刻度分划外，本系统还可以根据被测标尺刻线宽度的不同，更 换不同倍率的显微物镜来检测线纹尺等其他种类的刻度尺，检测的原理与铟钢尺相 同。 因此，本论文主要包括以下几个方面的研究内容： ( 1 ) 熟悉国标水准标尺检定规程( j j g 8 9 1 ) ，分析其检测铟钢尺的主要方法以 4 卟虫 硕士论文 钢钢尺光电检测系统的研究 及检测步骤，了解国标中对数据的计算、处理等，并研究国内外现行对铟钢尺 的检测手段和方法； 设计并搭建铟钢尺的光电检测系统平台，包括：基座的改造、光学显微放大对 准系统的机械设计与改装、显微照明系统等，来进行图像采集和数字化工作； 编写软件，包括：图像采集与处理软件、检测功能实现软件、与双频激光干涉 仪的通讯控制软件、按国家标准编制的铟尺检定结果数据分析软件与报表生 成、打印软件等； 进行误差分析，并对出现的重要误差阿贝误差进行分析和补偿，使其减小 或消除； 对研制的系统进行铟钢尺或线纹尺等的实际检测，并将所得结果与传统检测方 法进行比较分析，得出结论。 5 ) ) ) ) 2 3 4 5l，l，、，k 2 系统的设计硕十论文 2 系统的设计 本系统的设计思想是利用显微光学放大系统，结合双频激光测距仪对铟钢尺等标 尺的分划精度进行自动测量。然后采用计算机、图像卡构成的自动对点偏差测试系统， 通过图像处理、编写控制软件得到水准标尺的实际分划间隔长度，并按国家标准中数 据处理方法计算水准标尺的刻度偏差。 2 1 铟钢尺的特点 2 1 1 特点 关于铟钢尺，其原理就是一根用铟钢带尺刻划，并按一定条件固定在尺框内，主 要用于精密水准测量。这根尺主要精密在：用铟钢带作刻划读数的基质，热膨胀系数 较小，材料很贵；另一个是刻划精度较高( 并不要求刻划等分很细) ，一般水准尺是 做不到的；再一个就是固定铟钢带有讲究，基本上是正好自由状态，用手触动可以感 觉到。因此，铟钢尺的特点就是：刻划很严密，精度高，热膨胀系数小，受外界温度 影响几乎可以忽略( 正常工作范围内，极限条件另论) 。 2 1 2 国家检测要求 在国家标准水准标尺检定规程( j j g 8 9 1 ) 中，对铟钢尺的检定包括很多方面： 外观、中轴线与标尺底面的垂直度、零点差之差、分划面弯曲差、米间隔长度平均值 及各分米分划误差等。本项目的主要任务是研制一套自动检测铟钢尺的分划间隔误差 的系统。 国标中对铟钢尺的间隔有明确的规定，即对铟钢尺间隔长度平均值及各分米分划 误差有如下要求： 铟钢尺米间隔长度平均值与标称值之差，一支标尺不得超过o 1 r a m ，一副标尺 不得超过0 0 5 m m ；一排分划的刻划标准差不得超过_ + 1 3 i r a 【l 】。 2 2 系统的总体设计 2 2 1 系统总体设计思想 本系统的系统设计思想是在三米投影测长机上增加对准系统承台和水准标尺承 台，对准系统由一台j x d b 型读数显微镜改装，目视部分改为c c d 接收；读数显微 镜的高低、左右微调保留使用；在读数显微镜的机械筒的适当的位置加装角锥反射器， 作为激光测距仪的合作目标，用以反射激光，产生多普勒效应进行测距。并且可以更 换不同倍率的显微物镜，以便适应不同对象的检定要求。对于测量间距较大的标尺， 6 硕士论文 铟钢尺光电检测系统的研究 可以利用测长机平台上手轮来移动显微放大系统；对于测量间距较小的标尺，比如玻 璃线纹尺等，我们可以通过调节显微镜上的左右微调来对显微放大系统进行移动。当 显微放大系统经过尺子每个刻线时，刻线图像经显微物镜放大后，由c c d 接收成像， 经过数字图像处理后，由编写的软件以及双频激光测距仪可以得出刻线之间的实际距 离。再根据国家标准中的检测和计算的方法，生成打印报表，可以得出刻度分划的刻 划标准差以及平均值与标称值之差等。 2 2 2 系统装置构成图 本项目的检测系统装置包括系统平台、滑动导轨、双频激光测距仪、光学显微放 大机构、c c d 、待测标尺、计算机等。图2 1 为系统装置结构框图。 待测标尺三米平台 i 可移动光 显微镜 双频激光测距仪 计算耖 c c d 图2 1 系统结构框图 系统装置中所用的滑动导轨是由南京计量测试研究所提供的三米测长机，导轨具 有良好的平行度。导轨上安装一个滑动手轮，用以移动光学显微放大系统。如图2 2 所示。将水准标尺放在测长机的水平承台上，显微放大系统安装在测长机的滑动承台 上，位于待测标尺的上方，由手轮控制，可以平滑的移动用以瞄准标尺刻线。双频激 光测距仪也是南京计量所提供的英国雷尼绍( r e n i s h a w ) 公司生产的h e n e 双频 激光测距仪，它不仅具有高精度的测距功能，而且它上面带有传感器，可以实时提供 室内温度、湿度、气压等环境参数，也可以提供材料的温度和膨胀系数。通过这些数 据，可以进一步提高检测的精度。光学放大显微机构是由学校实验室提供的j x d b 型读数显微镜经过改造而成，目镜改为c c d 接收，物镜和c c d 之间用一个螺管连接， 并使物镜到c c d 的距离为共轭距，以便产生清晰的图像于计算机上。另外，由于光 线不足，待测标尺经物镜放大后，在c c d 上所成的像不清晰，因此，我们在读数显 微镜的物镜上增加一个照明灯。照明灯可以转动方向，以适应检测的需要。杠杆表是 用来调节标尺的平行度，使之与导轨平行，以提高检测的精度。具体的系统装置如图 7 ，论土 23 所不 i 刊2 2 二泶洲k 机导轨及滑动手轮 目23 系统址丑实物l 纠 木系统1 ，读数砬微镜j 山带的 ：f 微调下轮川咀川来调节c c d 的化嚣，使得 硕士论文铟钢尺光电检测系统的研究 标尺上刻线成像最为清晰；显微镜上自带的左右微调手轮可以用来对分划间隔较小的 标尺进行微调；而导轨上的滑动手轮则是用来带动放大显微系统对分划间隔较大的标 尺进行检测。显微物镜可以更换，根据被测对象的不同，可以更换不同倍率的显微物 镜。显微镜的- n 安装角锥反射镜，用以反射双频激光测距仪发出的激光。显微放大 系统的左右移动使得接收的激光产生多普勒效应，通过激光测距仪来测得显微镜移动 的距离，从而达到测量距离的目的。 2 3 系统构成的各部分分析 2 3 1 光学系统设计分析 本文使用光学系统的目的是将铟钢尺刻线的像放大，成像在c c d 上，以便于计 算机采集图像。根据本系统所采用的c c d 靶面的大小，针对于不同标尺的检测目标， 要选取不同的物镜。因此，本系统采用共轭距为1 8 0 m m 的一组显微镜物镜作为放大 系统。 这里本文先试着采用理想的最简单的单片共轭透镜作为显微物镜来实现图像的 放大。原理如图2 4 所示。 光疆 _ _ _ _ - - - h - - - 图2 4 简单光学系统示意图 理想光学系统的成像特性主要表现在像的位置、大小、正倒和虚实。牛顿公式可 描写任意位置物体的成像性质。 式( 2 1 ) 是牛顿公式的表达式，它是以焦点为原点的物象位置公式。其垂轴放 大率公式为式( 2 2 ) ： 溉= f f ( 2 1 ) ：z ：一：一羔 ( 2 2 ) 。 y x f 在共轭距l 一定的条件下，1 3 和透镜的焦距存在以下关系： 厂。：二丝一一l ( 2 3 ) 。 ( 1 一) 本文所采用的光学系统根据给定的倍率确定物镜、水准标尺和c c d 的位置。利 9 2 系统的设计硕士论文 用垂轴放大率公式( 2 2 ) 代入数据即可求出物平面的位置。 本文实验中采集的铟钢尺刻线图像要求的放大率并不是很大，所以可以选择2 3 个中倍消色差显微物镜。利用垂轴放大率公式( 2 2 ) 代入数据即可求出物平面和像平 面( c c d 靶面) 的位置。 本文在现有的测量显微物镜中选取两个物镜进行分析，一个为4 倍另一个为1 0 倍，其结构参数分别如表2 1 和表2 2 所示 4 倍透镜的光学性能为：= - - 4 ，n a = 0 2 5 ，f = 2 9 0 5 。其结构参数如表2 1 所示： 表2 14 倍物镜的结构参数 rd 玻璃 2 0 5 1 3 0 8k 9 ，1 2 6 4 7 1 8 9z f 3 2 9 3 8 9 5 8 7 6 9 l 4 6 4k 9 5 0 3 5 1 0 倍透镜的光学性能为：= - 1 0 x ，n a = o 2 5 ，f = 1 7 7 1 。其结构参数如表 2 2 所示： 表2 21 0 倍物镜的结构参数 rd 玻璃 1 7 8 6 5 2 8b a 飚 1 0 8 6 4 1 5z f l l 3 1 8 4 1 9 1 5 8 6 1 3 3 6b a f 6 1 7 9 8 9 上面选取的两个测量显微物镜其成像质量能否符合本论文的要求，还要对其进 行像差分析，计算出其成像指标进行判断，并进行优化1 1 2 1 2 3 2 像差分析 2 3 2 1 像差的概念 为了加速设计过程，提高设计质量，人们对像差的性质，像差和光学系统结构参 数的关系，进行了长期的研究，取得了很多有价值的成果，这就是像差理论。 光学系统的像差除了是结构参数的函数之外，同时还是物高y ( 或视场角国) 和 1 0 硕士论文 铟钢尺光电检测系统的研究 光束孔径h ( 或孔径角“) 的函数。在光学自动设计中，我们在y ，h 一定的条件下， 把像差和系统结构参数之间的关系用幂级数表示，并且仅取其中的一次项，建立像差 和结构参数之间的近似线性关系 单色像差，即单一波长的像差，在这里主要讨论轴上像点的单色像差。对于旋转 对称系统而言，由于系统对光轴对称，进入系统成像的入射光束和出射光束都对称于 光轴，如图2 5 所示。轴上有限远物点发出的以光轴为中心的，与光轴夹角相等的同 一锥面上的光线( 对轴上无限远物点来说，对应以光轴为中心的同一柱面上的光线) ， 经过系统后，其出射光线位于同一锥面上，锥面顶点就是这些光线的聚焦点，而且位 于光轴上，因此这些光线成像为一点。但是，由于球面系统成像不理想，不同高度的 锥面( 柱面) 光线( 他们与透镜的交点高度不同，也即孔径不同) 的出射光线与光轴 的夹角是不同的，其聚焦点的位置也就不同。虽然同高度锥面( 柱面) 的光线成像 聚交为一点，但不同高度锥面( 柱面) 的光线却不聚交为一点，这样成像就不理想。 最大孔径的光束聚交于4 。；4 筋孔径的光线聚交于以尚，依次类推。从图2 5 可见， 轴上有限远同一物点发出的不同孔径的光线通过系统后不再交于一点，成像不理想。 为了表示这些对称光线在光轴方向的离散程度，我们用不同孔径光线对理想像点4 的距离4 4 0 ，4 4 鄹表示，称为球差，用符号昆表示，三的计算公式为 0 7 , i l - ，( 2 4 ) 式中f 一表示一宽孔径高度光线的聚交点的像距； p 一表示像点的像距。 如图2 5 所示，昆的符号规则是：光线聚交点位于4 右方为正，左方为负。为 了全面而又概括地表示出不同孔径的球差，我们一般从整个公式中取出1 0 ，o 8 5 ， 0 7 0 7 ，0 5 ，0 3 这5 个孔径光束的球差值昆1 o ，昆o 8 5 ，昆o 7 0 7 ，配o 5 ，昆o 3 ，来 描述整个光束的结构。在光学设计中，通常取1 0 ，o 8 5 ，0 7 0 7 ，0 5 ，0 3 这几个抽 样点来计算轴上和轴外点不同光束高度( h ) 和不同视场( 国) 的像差值，如果系统理 想成像，则所有出射光线均交于理想像点彳。，球差昆1 0 = 配。彤= 0 7 , 0 7 0 7 = 配。，- - - - - 1 5 s l l 0 = o ；反之，球差值越大，成像质量越差。3 对于轴上点来说，仅有轴向色差昆阳和球差昆这两种像差，用它们就可以表示 一个光学系统轴上点成像质量的优劣【l 2 】。 2 系统的设计硕士论文 h r 1 4 _ -卜 二日7 一 “么n 型，k 一一 幺1! 套l 1 妒 - - 1 i - - - - 7 一l 、 、 名 - ! d _ 面 一5 r ，l莎歹 幺| - - oi r 1 pi，r、 1 j 图2 5 轴上像点的单色像差示意图 2 3 2 2 应用z e m a x 分析和优化光学系统 z e m a x 是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优 化、分析、公差以及报表集成在一起。z e m a x 不只是透镜设计软件而已，更是全 功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。 将表2 1 和表2 2 的数据分别输入z e m a x 软件进行分析和优化。得到系统的光 路图如图2 6 所示。 1 2 i 剥兵! l u 多迮r i 豁器喾，；驴 ：孺黼酱 氏一 匕 一掣：姻。 豁：谬，；驴 1 甩l 且盯州：玎j c ：q 日仲n 翻忤u s 址晤z i g c 唧哪】呻【胙l ( a ) 4 倍物镜光路图( b ) 1 0 倍物镜光路图 图2 6 系统光路图 硕士论文 铟钢尺光电检测系统的研究 p i _ 咀瑚叮目 脯皿胍黔刚_ 丑靠皿i !? f i ； i _ 赫一一；啷一一。i 幽。 j 赫一一；腑一。；由。 i i 1 珈! 暖i 山咖 l 删匹f 咖l 舳田彻n嘲田珊虬明鼎皿_ 鼢匏黝j j l e 锰器嚣皆，；m l 啪凳驴；瑚。埔堋唧；舶詹 州i 啊l f t 州l flc ：u b n 对旦让幅z 嘣 c 口f 珊阳呻l 呼1 c 唧辟叮删i 胙i ( a ) 4 倍物镜横轴像差( b ) 1 0 倍物镜横轴像差 图2 7 横轴像差 图2 7 给出了两个物镜的横轴像差，其横轴为像差值，纵轴为光瞳孔径高，主要 表示物镜的球差和轴向色差。从图中可以看出4 倍物镜的横轴像差在波长较大时达到 0 0 1 5m m ，其余在0 0 0 5m m 附近；1 0 倍物镜的横轴像差均小于0 0 1 5m m 。 图2 8 用曲线和列表数据给出了细光束场曲，此时的场曲定义为指定像平面与近 轴像平面之间的距离。从图中可以看出4 倍物镜的细光束场曲小于0 0 2 5 m m ；1 0 倍 物镜的细光束场曲小于0 0 1 5m m 。 1 ：s t i：s f ； ； ： 胥：未”；茹”x 苦：；涵”；描i ：_；苗；茹“越函 x 赫茁”；：崩i ：矗一 h u 巩难咛阳 田盯 m 喇嵋 旧田n f 皿d 珊t l l t i e ，拼时删 日丑d 伽堋t 旺，0 1 5 1 唧瑚 蠕器：器省，；罂 翟唑马哩鼍蚤0 2 ：- p 曙 i 管器尝阿器船丐：| 严b 二二一 c 叫印嘲】删l 旷】 l 渭器器群髻丐 ( a ) 4 倍物镜场曲( b ) 1 0 倍物镜场曲 图2 8 场曲 1 3 丽勿星主凛筌苎套至芝竺篡软件中对选取的两个测量显微物镜进行分析得到的几 霎警黧价指麓吉苎妻鬯竺舸以得出所选物镜的像差对磊磊黄荔羞磊茹裂矣 于o 0 0 0 5 聊聊，完全可以满足检测铟钢尺所需光学系统的要求。 “”蕊八 陆傍耋嘉量銎譬苎：差甓是的一种仪器，但只能由人眼接收显微信息。如果采用数字 譬萋霎篡坚罢翼璺竺竺以实现图像的保存，并可以进行磊荔苔荔薪譬誉 耋篡兰登艨黝不里竖数字显微成像系统可以不再需薹苫蠢斋嚣鞴(女字成像器件f lc c d ) 放置在物镜的一次成像面的位置上茹遢；薪：且舨竹裂 显馓物镜 数字成僚器件 加钍妻于善黧祭竺是亨高灵敏度、高分辨率、数据采集方便等优点，且与计算 銎篓差蠢誓霎髻妾銎箩至挚竺自动化和数字化，因此近年某磊蒜、拓荔墓萎 茎霎笑篓尝黧竺戮璺，量定位巯图像扫描系统得至5 运某茹磊嚣e ；蔷 简要坌绍c c d 光电检测系统的基本原理和光学系统特性。“一”峭。忆刖胜门“| 、删 赫蛤蠹未：；削c c d 刚耄妻竺翼季统的原理框图，由光源发出的光经照明系统均匀照射 凳竺竺黧竺二冀警测紫竺等竺镜成像在c c d 器件的靶面上，三；藉蓄主委荔荐笑录 耋警裹竺脉兰竺兰，目些孽苎譬过放大和二值化处理后送入微机，；苫芸磊薹荐差会集 集与处理，最后由显示和打印系统输出检测结果【1 4 1 。 “”“u 姒啪不 1 4 图2 1 0 光电检测系统原理框图 顿论立铂月光电椅测系统的 f 宄 本项目中所用的钢钢尺刻线的图像是经过物镜放大后经c c d 采集到的。所用 c c d 是南京红绿蓝公司提供的r g bd c l3 0 数字摄像头。如图21 1 所示。 酗2 1 i 数字摄像头 影响采集罔像质量的因素主要有分辨率、图像信噪比以及最低照度等。其中分辨 率为艟主要的性能指标。 放大镜头和c c d 都有并自的分辨率能力极限。放大系统的分辨能力由其结构参 数决定；c c d 的分辨能力是指它的像敏面上能分开黑白线对的最小间隔。= f = 要由其 像素的大小决定。一股情况f ，对分辨率起决定作用的是c c d 的像素。分辨率可以 由下式求得： 上：上+ 土( 2 5 ) n ，m 。n ， 式中，札为采集系统的分辨率；以为放大系统的分辨率；n 。为c c d 的分辨率。 在进行图像采集过程中，经常会发现图像总足伴随有相当数量的随机噪声和固定 噪声，而c c d 的噪声通常是其主要的来源。图像噪声的存在可能会对图像质量造成 非常严重的影响。图像信噪比是借助电子学中信噪比的概念，把图像信号和图像噪声 的比值作为衡量图像信号中噪声含量的一个客观指标。一般隋况下整个系统的信噪比 可咀用c c d 的信噪此_ 柬近似。 通常c c d 输出的图像信号混有噪声，随外界照明情况的不同而有所不| 司。外界 照度越低，图像噪声越明显。c c d 的最低照度即为c c d 刚刚不能分辨出物体的像时 的外界照度。 本系统所采用的r g bd c l 3 0 数字摄像头分辨率为1 2 8 0 x 1 0 2 4 ，像素规格为 52 , u mx 5 2 , u m ，具有较高的分辨率，能符合我们检测的要求。 2 3 4 双频激光测距仪 本系统采用双频激光测距仪进行铟钢尺刻线间距的测量。双频激光测距仪具有很 高的抗干扰能力，测长精度极高，是长度计量中的重要标准，也是工业测长中最精密 2 系统的设计 硕士论文 的仪器。而且它还可用于温度、湿度等其它参数细微变化的研究。因此，采用双频激 光测距仪进行检测，对于提高检测精度有重要作用。本系统所采用的英国雷尼绍公司 生产的双频激光测距仪具有世界先进水平，测量精度很高，对于提高整个系统的检测 精度起到重要作用。 双频激光干涉水准标尺检测系统是以激光波长作为测量基准，运用多普勒原理实 现双频激光测距仪对水准标尺的测量，图2 1 2 是激光测距仪工作原理图【2 5 i 。 图2 1 2 双频激光测距仪用做水准标尺的检测原理 图中由激光器1 发出一束两个频率的左旋和右旋圆偏振光石和厶。双频激光经 1 4 波片2 后变成两个相互垂直的线偏振光，然后经光束扩束器3 扩束后进入分束镜 4 。其中部分光被反射到检偏器5 上作为参考光，因检偏器主截面和两相互垂直的线 偏振光成4 5 。，则由马吕斯定律，这两个垂直的线偏振光在检偏器主截面上的投影产 生拍频，拍频就是双频激光的频差：= 斤一疋，拍频由光电探测器6 接收，然后经 放大器送至混频器1 7 。 分束镜4 的另一部分光进入偏振分束镜8 ，这样偏振光z 反射至角锥棱镜9 ，而 偏振光厶进入测量角锥棱镜1 0 ，当测量角锥棱镜以速度1 ，沿标尺长度方向运动时， 则由于多普勒效应，返回的光束将产生多普勒频移m ，返回的光五+ m 经8 和石一 起经全反镜1 3 到检偏器1 4 上，和参考光同样的原理在1 4 上产生拍频，并由光电探 测器1 5 接收后送至前置放大器1 6 ，然后进入混频器1 7 ，由此解调出测量信号厶， 并送入计算机1 8 解算出测量镜的位移量。 下面求拍频的计算公式： 若进入测量镜1 0 的频率为厶的光束的波动方程为： a = ae x p - i ( 2 ，r f 2 t 一岛v f ) 】 ( 2 6 ) 式中：a 是振幅，兄是波长，t 是时间，岛是光束厶传播矢量， ，是测量镜1 0 的速度 1 6 硕士论文铟钢尺光电检测系统的研究 矢量。 若以反射光为新光源，则在测量镜1 0 的移动坐标系中光束的波动方程为： a = 4e x p 一水2 万石f 一砖v t ) 一t w 】) ( 2 - 7 ) 其中：t 是反射光相对于测量镜1 0 的传播矢量。 由此可以看出反射回8 的光束的光频率为： 爿= 正一要 c o s ( 岛，v ) 一c o s ( 砖，) ( 2 8 ) 则多普勒频移为： mf 爿一五= 姜 c o s ( 砖，v ) 一c , o s ( 砖，v ) ( 2 9 ) 由此可得拍频为：n = f a l d t = f 【c o s ( 砖，v ) 一c o s ( 砖，v ) 】出 ( 2 1 0 ) ； 占l 特殊地，当( 匆，y ) = 0 。，( t ，v ) = 1 8 0 。时，n - = 丁t2 = 丢卜d t = 万2 l协 则测量镜l o 的实际移动长度为：l = n 木芸 ( 2 1 2 ) 1 在实际检测系统中，通常测量的是铟钢尺两个刻线之间的距离，那么由( 2 1 2 ) 式得到的长度作为标尺分划间隔的实际长度，而两个刻线之间的标称值与所得到的实 际长度之间的差值就是水准标尺的分划误差。利用国家标准中对铟钢尺检测要求和步 骤以及我们编写的软件程序进行控制，我们就可以实现对铟钢尺分划的光电自动检 测。 2 4 系统软件 有了以上的系统装置，还需要软件来实现铟钢尺等水准标尺的自动检测。软件的 编写包括数字图像处理、寻找刻线中线、计算标定、与激光测距仪的数据交换、测量 的实现以及按照国家标准的计算方法进行数据处理和生成打印报表等。具体将在下一 章进行说明。 2 5 小结 本章通过分析铟钢尺的特点和检测的国家要求，讨论了铟钢尺光电检测系统的装 置构成，选取了现有的光学读数显微镜进行设计与改造，制作了一个光学显微放大系 统，并对其进行了光学方面的分析。本系统采用具有高分辨率的c c d 摄像头，使光 2 系统的设计硕士论文 学图像转化为计算机能处理的数字图像，以便于下一步进行分析处理。检测所用的双 频激光测距仪具有很高的测量精度，是检测的基准。而系统的软件编写则是实现检测 的重要一步。 硕士论文铟钢尺光电检测系统的研究 3 铟钢尺检测的软件实现 本系统要实现铟钢尺、线纹尺等的检测，需要软件来控制。当显微放大系统经过 铟钢尺每个刻线时，刻度图像经显微物镜放大后，由c c d 接收成像，经过数字图像 处理后，由编写的软件控制可以找到刻度的中线，通过激光测距仪得出刻线之间的距 离。再根据国家标准中的检测和计算的方法，生成打印报表，可以得出刻度分划的刻 划标准差以及平均值与标称值之差等，实现检测。因此，软件设计分为以下两个层次： 数字图像处理软件和检测功能实现软件。其中功能实现软件又包括中线的确定、标定、 与双频激光测距仪数据交换协同软件、数据处理与报表生成软件等，突出准确和安全 可靠的要求。图3 1 为系统软件结构框图。由于软件既要对仪器进行实时控制，又要 实现数据的实时运算、处理，同时为了使用户界面更友好、更方便，选c + + 语言作为 程序语言。 图3 1 系统软件框图 3 1 图像的采集以及图像处理 本节的内容主要是应用m a t l a b 软件对铟钢尺刻线图像的预处理进行仿真，在 此基础上选择合适的图像处理算法形成核心程序模块。由于c c d 拍摄到的图像存在 一定的缺陷，因此，要想得到比较好的效果，必需对拍摄到的铟钢尺的图像进行处理， 以便使之能更好的进行分析处理。 图像处理有很多方法，根据本系统中c c d 采集到的图像的特点以及需要，应该 1 9 3 铟钢尺榆测的软件实现硕士论文 选取合适的图像处理方法。经过分析可以得出，本系统实现图像处理的软件应包括以 下几种功能： ( 1 ) 消除背景光：消除背景光对图像造成的光照不均匀，使目标更加清晰，易于处 理。 ( 2 ) 灰度变换：主要功能是增大图像动态范围，使图像的对比度扩展，图像特性更 加清晰明显。 ( 3 ) 图像均值化：使图像边缘整齐，便于找到中线 ( 4 ) 边缘提取：主要功能是提取铟钢尺刻度的边缘。 3 1 1 铟钢尺图像的预处理 本项目中采用的r g bd c l 3 0 数字摄像头采集到的图像实际上为彩色图像。为了 更好的分析处理，在对图像进行处理时，先将彩色图像转化为灰度图像。所谓灰度图 像是指物体的二维光强度函数f ( x ，y ) ( o f ( x 9 y ) ，一1 ) 与点的坐标，任意点的 f ( x ，y ) 函数值正比于图像在该点的亮度( 灰度级z ) ，非负有界二变量实函数表示一幅 灰度图像，它是在空间的坐标和亮度均己离散化的图像。可以把一幅灰度图像考虑为 一个矩阵，其行和列表示图像中的一个点，而相应的矩阵中元素的值表示出该点的灰 度级。如果灰度级只有黑白两种，则称为二值图像。 由于在获取图像的过程中有多种因素的影响会导致图像有所退化，因此首先要对 图像进行预处理。处理的目的主要有二：一是改善图像的视觉效果，提高图像的清晰 度；二是使图像变得更利于计算机处理。下面分别介绍一下本项目中所用到的图像处 理的方法以及目的。 本系统中利用c c d 摄像头采集到的铟钢尺刻度的图像，经过显微物镜放大后， 成像在显示器上。铟钢尺的刻度经放大后会出现边缘不整齐、光照不均匀、对比度小 等的特点，如图3 2 所示。这些特点对于我们确定刻度的左边缘和右边缘，而找到刻 度的中心线来进行标定和进行长度测量带来困难，也会使得测量结果产生很大的误 差。因此，在进行进一步的分析处理前，首先要对图像进行预处理。 2 0 硕上论文 | j 铡尺光电检测系统的研究 豳 图32 原始图像 3 1 2 消除背景光 本项目中由于环形照明灯直接投射在铟钢尺刻度上，会造成局部光照过强，图像 亮度不均匀的特点，表现在图像上就是灰度值不均匀，这对于寻找刻度的边缘增加一 定的难度。要想得到准确的测量结果，就要对图像进行进一步的处理：消除背景光。 要消除背景光，采用的方法是利用图像相减的方法。即首先要采集到一幅没有铟钢尺 的背景图片，如图3 3 所示，和一幅如图3 2 的铟钢尺原始图片，然后将锢钢尺图片 和背景图片进行相减，这样可以有效的消除背景光。在消除背景光之前，也要对背景 图片进行均值平均，这样，就可以得到一幅比较清晰、光照均匀的铟钢尺刻度的图像， 如图3 4 所示。具体的算法如下： 读入原始图像i i ； 读入背景图像1 2 ： 将原始图像1 1 和背景图像1 2 转换为d o u b l e 型； 用原始图像减去背景图像，得到图像1 = 1 1 - 1 2 ； 计算i 中最大值和最小值； 若最小值小于0 ，则要加上一个数，使i 最小值为0 ； 判断此时i 的最大值是否大于2 5 5 ，是，令其最大值等于2 5 5 ；否，则进行 ： 将i 转化为无符号8 位整型； 将i 存储为b m p 图像： o 结束程序。 3 制铡j t 检测的软件实现硕j 诒史 经过处理后的陶像，光照均匀，目标与背景之间轮廓清晰，特征明硅，处理后的 效果较好。 图33 背景图像幽3 4 除去背景厉的幽像 3 1 3 灰度变换 简单地说，灰度变换就是指对图像上各个像素点的狄度值x 按某个函数r ( ) 变换 到y 。灰度变换是空问域吲像增强方法之一，也是图像增强技术中最简单的一类， 其目的在于使图像灰度级扩展得更宽，动态范闻增大，图像对比度扩展，亮暗分明。 扶度变换函数主要分为线性方法和非线性方法。其中线性函数主要包括正比、 反比和分融函数，非线性函数主要包括幂函数和对数函数。下l 百j 我们主要讨论一下 线性函数。 ( 1 ) 例像反转 用这种方式倒转图像的强度可产生图像反转的对等图像，这种处理适用于增强嵌 入于罔像暗色区域的白色或灰色细节，特别是当黑色面积r 与主导地位时。扶度级范围 在f o ，l 一1 1 的图像反转山图中反比变换得到，表达式为s = ( l 一1 ) 一，。 ( 2 ) 正比函数 f 比函数是指对整个图像的灰度值进行线性变换，即因变量和自变量之问存在同 定的比例系数，该系数为常数。正比灰度变换函数即为线性函数： g = f ( 9 1 = a + g + b ( 3 - 1 ) 当a l 时，输出图像对比度增人；当n 1 时，输出罔像对比度降低；当a - 1 ， b 0 时，仪使输出图像的灰度值上移或下移，其效果是使整个图像更亮或更聋。一 般情况下，正比变换都是将某个较小的坎度范围拉仲到较大的灰度范围，因此常称为 灰度拉伸。比如，在曝光不