（光学工程专业论文）基于双折射的olpf特性及测试系统研究.pdf

浙江大学硕士沦文 摘要 光学低通滤波器( o p t i c a ll o w p a s sf i l t e r ) ，简称为o l p f ，广泛地应用于诸如数码相 机、数码摄像机、监视系统等光电成像系统中。 本论文主要阐述了，由于光电成像系统是一种离散成像系统，光电成像传感器对图 像的抽样过程会引起图像频谱在频谱空间上的多次复制，当抽样频率不满足系统的奈奎 斯特条件时，相邻的频谱项会产生混叠，形成莫尔条纹，影响成像质量。文中详细讲述 了o l p f 如何利用双折射晶体的分光性质来实现低通滤波的原理，起到了减少甚至消除 莫尔条纹的作用，避免了图像质量的下降。 在傅立叶光学中光学系统是一种空问的低通滤波器，光学传递函数能够评价光学系 统或器件传递信息的频率特性。利用光学传递函数的原理分析了o l p f 的光学传递函数， 得到了一维和二维o l p f 的幅频响应特性。 论文还介绍了o l p f 测试系统的原理及系统构成。设计开发了具有高测量精度和大 测量范围的测试系统。该系统可以准确、方便地同时对多片o l p f 的厚度和光轴角度特 性进行测量。本系统具有很好的兼容性，不但可以使用标准的显微镜物镜，也可以使用 专门设计的显微数码适配器；软件功能除了基本的图像捕获、浏览等功能外，还实现了 光点数目检测，模版比对等高级功能。 关键词：光学低通滤波器双折射品体光学传递函数幅频响应特性测试系统 一 塑垩查堂堡主笙塞 a b s t r a c t o p t i c a ll o wp a s sf i l t e r ( o l p f ) ，i sw i d e l yu s e di nt h ed i g i t a li m a g i n gd e v i c e ，e g d i g i t a l v i d e oc a m e r a s ，d i g i t a lv i d e om o n i t o r , c a m c o r d e r i nt h i st h e s i s ，o p t o 。e l e c t r i ci m a g i n gs y s t e mi sad i s c r e t ei m a g i n gs y s t e m ，s a m p l i n g o f p h o t o e l e c t r i ci m a g i n gs y s t e mc a r li n f i n i t e l yr e p l i c a t et h es c e u es p e c t r u mi ns p e c t n u ns p a c e a n di f t h es a m p l i n gi n t e r v a l sa r ct o ol a r g et os a t i s f yt h en y q u i s t c r i t e r i o n ，t h er e p l i c a so v e r l a p ， a n dt h e r ei sa l i a s i n g m o r i ef r i n g ea p p e a r si ni m a g e t h eq u a l i t yo f i m a g ei sr e c e d e d i nt h i s t h e s i s ，i ti sa l s od i s c u s s e di nd e t a i lt h a to l p fw h i c hi sb a s e du p o nt h el i g h t - s p l i t t i n gc h a r a c t e r o f b i r e f r i n g e n tc r y s t a lc a nr e d u c ea l i a s i n gi nad i g i t i z e di m a g e o p t i c a ls y s t e mi sas p a c e f i l t e rb yf o u r i e ro p t i c s o p t i c a lt r a n s f e rf u n c t i o n ( o t f ) c a l l e v a l u a t et h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so fao p t i c a l s y s t e mo rd e v i c e a n a l y t i c a lm e t h o do f o p t i ct r a n s f e rf u n c t i o ni se m p l o y e dt oo l p fi nt h ep a p e r b yt h i sw a y , t h ea m p l i t u d e f r e q u e n c yr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fo l p fi no n ed i m e n s i o na n dt w od i m e n s i o n sa r e p r e s e n t e d w ed e v e l o p e da no l p fr e c o g n i t i o n s y s t e m ，n a m e da sd o u b l er e f r a c t i v ep a t t e r n r e c o g n i t i o ns y s t e mf o ro l p f t h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo ft h es y s t e mi si n t r o d u c e di nt h i s p a p e r t h es y s t e m ，w i t hh i g hp r e c i s i o na n dl a r g e s c a l ed e t e c t i o n ，c a nm e a s u r et h et h i c k n e s s a n da n g l e sb e t w e e no p t i c a la x e sa c c u r a t e l ya n dq u i c k l y ha d d i t i o n t h es y s t e mh a sa g o o d c o m p a t i b i l i t y , i e s t a n d a r dm i c r o s c o p eo b j e c t i v ec a ns u b s t i t u t et h ed i g i t a lm i c r o s c o p ea d a p t e r , w h i c hi ss p e c i a l l yd e s i g n e df o rt h es y s t e m t h es o f t w a r eo ft h es y s t e mi sa l s ov e r yp o w e r f u l ： i na d d i t i o nt ot h eb a s i cf u n c t i o ni m a g ec a p t i o na n ds c a n ，i tc a na u t o m a t i c a l l yd e t e c tt h el i g h t s p o t sn u m b e r , d i s t a n c ea n da n g l e sb e t w e e nl i g h ts p o t s k e y w o r d s ：o p t i c a ll o w p a s sf i r e gb i r e f r i g e n tc r y s t a l ，o p t i c a lt r a n s f e rf u n c t i o n ，a m p l i t u d e f r e q u e n c yr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s ，m e a s u r e m e n ts y s t e m 1 1 浙江大学硕士论文 1 1 概述 第一章绪论 光学低通滤波器( o p t i c a ll o w p a s sf i l t e r ，简称o f ) 是近年来新兴的一种光学器 件，广泛应用于数码成像设备中。由于c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s 电荷耦合器件) c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l - o x i d es e m i c o n d u c t o r 互补金属氧化物半导体) 固体图像 传感器是由光电传感单元即像素组成，它通过离散取样获得图像信号，根据奈奎斯特定 理，一个图像传感器能够分辨的最高空间频率等于它的空间抽样频率的一半，这个频率 称为奈奎斯特极限频率，那么c c d c m o s 所能分辨的最高空间频率是它的空间抽样频 率的二分之一，即奈奎斯特极限频率。用c c d 摄像机获取目标图像信息时，被摄景物 光线通过光学系统成像在二维图像传感器( c m o s 或c c d ) 上，该图像信息由离散的 光电传感器获取。而一般的图像传感器的分辨能力要小于成像光学系统的分辨率，图像 传感器像素的大小往往限制了整个数字成像系统的空间分辨率。高分辨率的光学成像系 统不仅不能增加整个系统的分辨率，还会因为通过光学系统的高频图像信号超过了光电 成像器件能够分辨的最高频率，经过抽样后高频成分被反射到基本频带中，使图像产生 周期频谱交迭混淆或称为拍频现象( 以波纹和伪彩色面目出现，也称之为莫尔条纹) 。 这些混叠的信号与有用图像信号一样被输出，会严重影响了图像的清晰度，甚至出现彩 色条纹干扰。周期混频的部分可以通过电路设计进行滤除，但是滤除了高频部分，会使 图像质量下降到c c d 分辨能力以下，这是得不偿失的。因此通过光学方法在图像信息被 图像传感器接收之前，限制图像的频谱范围，使图像的空间频谱不超过系统的分辨能力， 就能有效地消除或抑制莫尔条纹或者伪彩色，提高成像质量。 1 2 光学低通滤波器的发展现状和前景 1 9 8 8 年日本富士公司与东芝公司合作推出第一台数码静态相机( d i g i t a ls t i l l c a m e r a ，简称d s c ) 起，o l p f 进入这技术日新月异的的数码世界中。数码影像技术应 用的领域日益宽广，从数码相机( d s c ) 、数码摄像机( d v c ) 到影像电话( v i d e op h o n e ) 以及未来的第三代行动电话( 3 g ) 等，许多和影像有关的产品都要使用o l p f 来消除混 频【2 翔。 浙江大学硕士论文 作为应用范围广阔的光学器件，o l p f 已经大批量的投入生产和使用。目前，国际 上数码相机、数码摄像机及大量的c c d 、c m o s 成像传感器匹配的光学低通滤波器 ( o l p f ) 的主要生产企业是日本的5 6 家企业。除日本外，韩国、台湾也有厂家从前 年开始开发生产该产品，都处于起步阶段，由于韩国和台湾没有水晶生产，他们目前只 能从日本和俄罗斯进口光学水晶进行o l p f 的加工。国内数码相机及c c t v 制造企业， 主要依靠与c c d 配套进口。由于日本企业的技术封锁，价格高，进货难，严重制约了 国内企业的发展。目前国内除浙江水晶公司进行批量生产外，还未有其它规模生产的厂 家( 只有少数几家企业小批量试生产) 。 1 3o l p f 测试系统的研究现状 虽然现在已经有很多厂家能够设计和生产o l p f ，但专用o l p f 检测设备却很少， 很难检测o l p f 的加工质量。日本m a x i s 0 1 公司生产了c l - 2 2o l p f 光点测试仪，是一 种可以精确检测o l p f 厚度和角度特性的仪器。其系统组成参见图1 1 。拍摄装置采用 黑白3 0 万像素1 2 英寸c c d ，针孔为2 u m ，光源为卤素灯，显微镜物镜为7 0 x ，检测 精度为o 1 u m 。其原理为：用光源照明针孔，透过针孔的光点经过o l p f 被分成多个光 点，再经过显微镜物镜放大，然后通过拍摄装置使其成像在c c d 上，再通过显示器显 示出来，并用专用的软件对拍摄的图像进行测量、计算，最后得到o l p f 的厚度和角度 特性。m a x i s 0 1 公司的这台仪器所用的7 0 x 的显微镜物镜虽然是长工作距离的，但还是 限制了仪器所能检测的o l p f 的总的厚度，最多只能同时检测5 片，且长工作距离的显 微镜物镜价格较高，也使这台仪器的价格较昂贵，达到近7 0 万元，这是国内一般厂家 难以接受的。可见随着o l p f 的不断普及，其测试系统的研发具有非常广阔的发展空间。 1 4 本论文研究的主要工作 本论文做了如下几方面的工作： 1 阐述了抽样定理和光学混频的原理，从理论上研究与分析了o l p f 实现低通滤波 的原理； 2 用光学传递函数的方法，通过光学低通滤波器的光学调制传递函数特性研究 o l p f 不同结构下不同的光学传递特性。 3 根据实际生产加工中对成品光学低通滤波器的检测需要，利用o l p f 成像特性， 2 浙江大学硕士论文 设计和研制了一种结构简单、分辨率高、可测量范围大的o l p f 测试系统。 4 用测试系统对实际的光学低通滤波器进行了测试并对图像软件处理得到的数据 进行了分析，提出了测试系统待改进的地方。 短瓣| i j r 蕊 ：x y 平鑫i i ( 手痢，i i； 。：? l 粼特燃i 图i - im a x i s0 1 c l - 3 2 光点测试仪系统图 3 浙江大学硕士论文 第二章光学混频与光学滤波 2 1 抽样与混频 2 1 1 抽样定理 在很多方面，离散时间信号的处理要更加灵活方便些，这主要是由于在过去的几十 年中，数字技术的急剧发展产生了大量价廉、轻便、可编程并易于再生产的离散时间系 统。因此往往用在一个离散点集上所取得的数值来描述一个函数，而不是用连续的方式 来描述它。当处理大量数据的存储和发送时，或当用数字计算机处理这种数据时，尤其 是这样。对输入信号进行抽样时，在取样点所得到的函数值叫做样本值，取样点之间的 距离叫做抽样间隔，抽样间隔的倒数叫做抽样率( 或抽样频率) 。以光电传感器为感光 原件的成像系统就是以抽样的方式成像的【4 1 。从直观上而言，如果一个信号的样本取得 足够密，那么这些样本值必然可以唯一地来表征这一信号，则在抽样间隔不为零的时候， 必然存在一个最佳值。这就是抽样定理要说明的问题。 w h i t t a k e r 和s h a n n o n 提出了抽样定理1 5 】，基本涵义如下：任何带限函数都可以用其 一组等间隔上的样本值来精确规定，只要这些间隔不超过某个临界抽样间隔。 考虑带限函数，( 功，当例w 1 2 时其傅立叶变换f g ) = 0 如果用s a m p ( x ) 函数表示抽样过程，f ( x ) 乘i l s a m p ( x ) 的乘积得到样本函数六o ) ，抽 样过程可以用图2 1 表示。 ，o ) s a m p ( x ) f o ) 图2 - 1 抽样定理数学模型 假设厂( 砷的波形如图2 - 2 所示，则经过傅立叶变换可得其频谱f ( f ) 的波形图。 4 浙江大学硕士论文 厂( x ) 门厂 | f ( d 一2 矽2 图2 - 2 带限函数厂( 工) 波形及其频谱 在频谱域内则是f g ) 和s a m p ( 力的傅立叶变换的卷积，如图2 3 所示 4 ( 功 i i i iil l z ( 功 以( d l j ! l j c g ) 善 丑i ：一凸q 击q 吐 图2 3 带限函数，( 功波形及其频谱 如上图2 - 3 可以看到e g ) 由一组函数构成，其中每一个都和f ( 善) 的形式相同，沿着频 率轴以间隔六重复排列。重复的诸f ( 孝) 常称为z ( 功的谱级，f 僧一万六) 称为第刀级谱。 于是f 偌) 是零级，f ( 孝+ 六) 是负一级谱，f 皓一磊) 是正一级谱。只要w ( 图2 - 3 所示的情况) ，则经过抽样以后各级谱就不会重叠。从而可直接使用一个电子低通滤波 器来恢复得到原来的函数。因此，如果厂( 力是带限的，满足当眵i 旷2 时，f ( o = o ， 用梳状函数抽样得到了l ( x ) ，则只要抽样率茧大于或至少等于整个频谱宽度矿，就能 够从丘( j ) 还原到厂 ) 。因此，临界抽样率刚好是矿，而临界抽样问隔就是形- 1 。分别 浙江大学硕士论文 的称这些量为奈奎斯特( n y q u i s t ) 率和奈奎斯特( n y q u i s t ) 间隔【5 1 。 2 1 2 混叠现象 当抽样间隔小于信号频谱宽度时，即 时，则抽样以后的各谱级会出现互相重 叠。如图2 - 4 所示。仅在蚓 ( 六- w 2 ) ，则输出 的频谱将包含只g ) 的形变部分，而如果磊 6 0 d b 工作电压：3 0 v 3 6 v 眦，雠 图”电子目镜线路框图 4 2 6 系统支架 整个测试平台采用了两个显微镜系统。两个显微镜筒分别用螺钉固定在支撑架上， 浙江大学硕士论文 使系统可以保持稳定的共轴性。选用铝支架来固定位于上方的显微镜系统，用两块钢板 做底部的支架固定位于下方的显微镜系统。如图4 - 8 所示，为左右两侧板。 图4 _ 8 底部固定支架 底板使用了8 m m 厚的钢板。厚重的底板增加了系统的稳定性，使测试所得的数据 更加精确。底板上有十三颗螺钉，其中四个螺钉用于固定载物台的底座，四个固定显微 镜系统，一个用于固定放置转折光路用的全反射棱镜的斜块( 如图4 - 9 ) ，还有四个用于 装配底板的垫脚。 浙江大学硕士论文 图4 - 9 固定全反射棱镜的斜块 o o 5 0 厚度lb m m 材科一不锈钢单位tm m 名称；底板 图号tn o d 4 - o l o 4 2 7 载物台 图4 - 1 0 底板俯视图 为了使测试系统可进行大批量o l p f 产品的测量，在待测物的位置加了一个可旋转 的载物台，如图4 - h 。载物台由两片钢板组成，钢板上等距离打了小方孔，且上面钢板 4 0 浙江大学硕士论文 的方孔直径大于下面的钢板。载物台用螺丝水平地固定于可旋转电机上，保证了待测 o l p f 的水平放置，并且可根据一次需要测量的数量更换钢板。 图4 - 1 1 ( a ) 检测盘下半部( b ) 检测盘上半部 4 2 8 控制电机 图4 - 1 2 载物台实物照片 为了实现实时、快速的测量，我们采用了s c 3 0 0 系列电移台控制箱对测试平台中的 载物台进行控制，可使之定时旋转。 s c 3 0 0 系列电移台控制箱是一款在s c 3 系列基础上，综合众多客户使用要求，力求 操作简单方便、工作可靠、控制功能强、提供丰富通讯协议控制指令。开发出来的新一 4 1 浙江大学硕士论文 代3 轴点对点( f r p ) 位置定位控制系统。它可以控制控制各种步进电机( 选加不同驱动 模块) 具有以下特点： 高性能，低价格 超大控制行程 绝对位置，参考位置显示模式 丰富的通讯协议指令集 可执行正向、反向、回原点等动作 速度、长度和加速度可任意设定，3 轴控制 采用光电隔离的原点、限位功能，抗干扰能力强 分别设有控制键和数字键薄膜开关，使操作与参数设置非常方便快捷 适合定长、位置调整、定位，切割等用途 技术指标如下： 通讯接口：r s 2 3 2 控制器输出脉冲频率范围：2 0 0 2 0 k h z 电源电压：交流1 8 7 v - 2 4 2 v 最大控制轴数：x ，y ，z 共3 轴 控制行程：9 9 9 9 9 9 - 一- - 9 9 9 9 9 9 脉冲单位 重量：4 5 k g 外形尺寸：3 8 0 m m x 3 5 0 m m x l 2 0 m m 工作环境温度：一1 0 - 一4 5 c 相对湿度：4 0 - - 8 0 连续工作时间：不低于2 4 小时 浙江大学硕士论文 4 2 9 系统实物 莨l i； 图4 - 1 3 系统总示意图 图4 - 1 4 系统实物照片 浙江大学硕士论文 4 3 测试系统软件设计 测试系统是图像采集和图像处理的一体化系统，图像不仅是要通过硬件平台采集到 计算机，还要对图像数据进行处理，二者缺一不可。加入了计算机对图像数据的处理， 使得图像数据不再依靠观察者的经验，图像数据更具有一致性。 4 3 1 图像处理部分 视觉是人类最高级的感知器官，所以，毫无疑问图像在人类感知中扮演着最重要的 角色然而，人类感知只限于电磁波谱的视觉波段，成像机器则可覆盖几乎全部电磁波谱， 从伽马射线到无线电波。它们可以对非人类习惯的那些图像源进行加工，这些图像员包 括超声波、电子显微镜及计算机产生的图像。因此，数字图像处理涉及各种各样的应 用领域。 图像处理的一个重要任务是把图像中的景物进行分析和理解。包括【2 2 1 ： ( 1 ) 把图像分割成不同的区域，或把不同的东西分开( 分割) ( 2 ) 找出分开的各区域之特征( 特征提取) ( 3 ) 识别图像中要找的东西，或对图像中不同的特征进行分类( 识别与分类) ( 4 ) 对于不同区域进行描述，或寻找不同区域之间的相互联系，进而找出相似的 结构，或者把相关区域连接起来组成一个有意义的结构( 对整个图像进行分析，描述和 解释) 因此，和对整幅图像质量进行改善不同，图像分析将是更详细地研究并描述组成一 幅图像的各个不同部分的特征及其相互关系。分析的结果( 或者输出) 不是一帧完美的 图像，而是进一步用数字，文字，符号，几何图形或者它们的组合所表示的，对图像景 物的详尽描述和解释。 浙江大学硕士论文 4 3 2 软件设计概要 l 软件主要功能 u l 图像处理模块 u i 数据处理模块 图4 - 1 5 软件模块设计流程图 该处理软件的主要功能为：通过c m o s 捕捉光束经过光学低通滤波器在屏幕上所 成的图像，然后对该图像进行处理，得到光束的成像光点之间的关系，同时获得数据以 备分析。主要的功能模块有：界面设计，图像捕捉，图像处理和数据处理。 1 界面设计模块 。 软件界面设计包括菜单和视图中的按钮以及显示信息的控件，以及当前采集到的图 像的原始图像( 缩略图) ，经过图像处理以后的图片和获得的数据( 显示在表格中) 图4 - 1 6 数据显示表格 菜单的主要功能有视频源的选择，图像采集控制，图像分析控制，光点检测控制， 数据比较，数据保存，数据打印和退出功能。其中图像采集和图像分析功能在视图中可 由按钮直接控制。软件向用户提供，并且显示在视图中的主要信息有图像处理过程中进 行二值化的阈值，电子目镜的像素周期，物体个数，显微镜放大倍率，光轴倾角，晶体 片数，晶体材料选择，监测模式( 包括获得模板和即时监测) 选择，当前鼠标所在点和已 选定的坐标，所选点之间的像素距离，实际距离以及晶片厚度，所选两条连线之间的角 度，以及当前监测模式和保存情况。 浙江大学硕士论文 图4 - 1 7 软件菜单设置图 2 图像捕捉模块 由于实验中经过光学低通滤波器在c m o s 上形成的光点较小，因此需要分辨率较 高的电子目镜进行捕捉，本软件推荐使用2 0 0 w 像素( 1 6 0 0 1 2 0 0 ) 大小的电子目镜。 l 打开视频源， l 选择驱动程序 u i 图像采集 l u i 调用t w a i n i 图像采集 图4 - 1 8 设计流程思路 浙江大学硕士论文 调用t w a i n _ 3 2 协议采集图像过程中，由于缓存大小只允许存储1 0 张图片，在存 储了过多图片以后，在对图片的获取和传输过程中会存在数据错误，因此在采集过程中 要是缓存中的图片总数低于1 0 。 软件在显示已获得的图片过程中，采用两个窗口，分别显示图片的整体缩略图和待 处理的图片部分区域( 显示处理前后的图像) 。因此可以在图像待处理区域对经过图像处 理以后的图片进行分析。 图像采集功能主要依靠t w a i n 一3 2 协议中自带的关于获得视频图像功能的a p i 函 数，主要用到的a p i 函数脚7 】如下： i n i t t w a i n ( mh w n d ) ；初始化t w a i n 设备句柄 s d e c t s o l l r c ) ；调用t w a i n 协议视频资源选择对话框 a c q u i r e ( t w c p p _ a n y c o u n t ) ；膳e 得t w a i n 设备当前采集数据 r e l e a s e t w a i n 0 ；懈放t w a i n 设备( 句柄) 3 图像处理模块 一一 图4 - 1 9 处理模块流程图 该模块的功能使得在图像待处理区域可以使用鼠标对图像进行缩放，找到需要进行 图像处理的区域( 一般为光点所在的中心区域) ，经过图像分析以后得到光点的分布信息， 同时获得图像中光点的数据。结合软件的模板添加功能，也可以直接指定某张图片中的 光点数据作为模板数据，来对其他被监测的图像中获得的光点数据进行比较，从而实现 对光学低通滤波器的检测，同时，在比较的过程中，为了能够得到更好更直接的对比效 果，软件添加了对经过处理以后的模拟模板光点可随意拖动的功能，从直观上和数据上 分别能够看到o l p f 的误差和晶片质量。 其中获取光点中心的算法采用了门限化法，2 4 】，这是一种最常用，同时也是最简单 的分割方法，它特别适合用于对象和背景占据不同灰度级范围的这类图像。此时，只要 浙江大学硕士论文 选取一个适当的灰度级门限，通过门限重新组成一个新的二值化图像，能够成功地把对 象从背景中分离出来。对象的边缘被检测出来以后，因为边缘点的灰度总是介于对象和 背景灰度之间。通过判断相邻点的灰度值跳变情况，如果有跳变则将其用另一种灰度值 标注上，对每个跳变点标注，就得到了光点的边缘。运用了一个递归算法，对一个边缘 像素点的周围8 个点进行判断，如果也是边缘点的话就做一个标记，再对这个标记好的 点周围8 个点一一判断。一直到边缘轮廓把物体围成一圈，将这些像素点坐标放到一个 集合类里，完成了轮廓提取。将各个轮廓上的所有点的坐标值加起来求平均值就得到中 心点坐标。 4 数据处理模块 圆一圆一回一圈 图4 - 2 0 数据处理模块流程图 经过图像处理和图像分析以后，我们得到了关于采集到的光点的数据，然而这些数 据只是针对计算机的，比如说两个光点之间的距离单位不是i n t o 而是像素，因为还需要 对这些数据进行处理，以得到我们所需要的光点信息。像素距离和角度是直接经过图像 分析以后得到，像素距离是以像素为单位的。实际距离，晶片厚度以及角度等变量是像 素距离结合放大倍数，光轴倾角，晶片材料等参数计算得到的。所有得到的数据被显示 在软件的主界面上。数据的比较需要对两组经过图像处理以后得到的光点信息进行对比 ( 一般进行比较的两组数据包括一组模板数据和一组被监测数据) ，在显示过程中软件还 实现了直接将两组数据中相对应的数据误差显示。 4 3 3 软件使用部分 1 图像捕捉和处理模块 首先，打开软件，进入界面 4 8 浙江大学硕士论文 图4 - 2 1 处理软件界亟 打开菜单，选中“监测控制”“选择视频源”选项， 图4 - 2 2 视频源选择窗口 选择电子目镜的驱动程序( t w a i n _ 3 2c a 5 3 3 a s o u r c e ) ，将电子目镜和软件相连接。然后 点击界面中光点监测区中的“图像采集”按钮，打开t w a i n 视频图像采集窗口： 浙江大学硕士论文 该对话框的功能包括： 图4 2 3 视频图像采集窗口 点击“v i d e o ”按钮进行图像的实时观看，此时可以根据要操作的要求来调整显微镜 的调焦轴及图像的位置； 点击“f i l t e r ”是对图像的属性进行选择； 点击“d s c ”按钮，活动界面变为黑色； 点击“s n a p ”拍摄按钮，等待一段时间，界面上会出现所拍摄下来的图片； 点击“d e ll a s t ”是删除最后一张；， 点击“d e l a l l ”是删除缓存中所有图片。 在这里我们需要做的是：单击v i d e o 按钮一单击s n a p 按钮即可将摄像机的图像捕 捉到软件中进行处理。左键单击右边视图框的图像放大以单击点为中心的部分区域，右 键还原初始大小。点击“图像分析”，左键选择点，可以同时选择三个点，形成一个角 浙江大学硬士论文 度，软件计算光点间的距离和角度的大小，右键取消。菜单项有图像采集，图像分析( 以 上两项功能直接显示在操作区域) ： 光点监测的功能可实现对光点的单独监测获得数据和模版比较两种功能之间的相 互切换：其中绿色点阵为待测点阵，蓝色点阵为标准模版点阵，如图4 - 2 4 和4 - 2 5 所示。 图4 2 4 取得模版的软件工作情况 浙江大学硕士论文 图4 - 2 5 模版与待测物进行比较时的软件工作情况 数据比较功能是对已经测得的模板数据和当前正在监测的光点组数据之间进行比 较。如图4 - 2 6 所示，上表中数据是标准模版点阵的数据，下表为待测点阵数据，括号 内数据为待测点阵数据和标准模版点阵数据之间的误差。 骶罾棼串鲁光点z 埽酌_ e 霉 艇i ，t l l觉衄l蛐 i 光点4i 觉虚s |y # , 1 6 j i| 光赢7i 光直bi 光点i o 湖 3 诬2 瓣5 辩3 i 蕊 l 啪5 绀t 计l 光撇3 mo m2 m22 *m ，gs l 5 光点32 辩2 嘲a 口3 l a i 2 ，研 t 燃5 辩2 蹦34 1 9o 哪5 秘。憎研3 锄 黼，螂i 瑚2 埔5 辅0 咖a l 霄t 燃5 i 群 光赢6口2 m2 0 l n m2 m2 m 熵s 蹦s i 柚3 拼谢l 2 胤n 啪3 甜 竞舳ls m3 5 l t 3 n 符囊蘑睡串备光盘之闷鼬- 睡： l 碰 觉点，l光搬l 光舶燃ii黼l黼l 光尉i 光栅 i 光j lo o 3 l 】9 p o0 i ”23 1 1 巾矾”s 为( - 0 2 ) 3 ，( - g ) m 3 mo l ”52 b ) to i 5 o i 光点234 1 9 e _ o0 1 0o 0 拍o 雒，2 约b o 0 )t 伽甜32 控m0 t 4 ) 5 1 n i )5 嘲 i 先d 珏2 班1 _ o “i ) 2 渤i oo o )3 撵母a 耵) 2 瑚e o ) 2 贳2 审。龆) 3 鞠b ”i t ( 咄0 1 ” l 光点5 弱卜0 2 ) t 猫o ，3 峭船0 s t )o 0 o 】s 描2 啦t 日嘲”t mo 啡) 3 髓i 蚴， 光船，籀6 h 拍g ) 伽缸们3 帕ho ，5 崩o ，o o i 2 ”啦嘲)2a m 氆b )5i 笛0 ) 光点 t 3 十日o l ”，2 1 2 e mo “) = 鬻a 蕾) 2 t 珂佃嘲32 盯m 啭，o 锄0 2 葛2 a )2 豫即o l 对 l 光点t5 砷o )5 l ”6 o n ) n t 啦9 帕)t 双0o 岛，t 托町o 咖锄o ) 3 0 1 l l 光l t m s 心耐5o 坼啦町4 似m o l s ，曲i 啪)l 惦o 雌l2 撇佃d 鼬3a 笛oa 1 1 ) o0 柚 ir 打印il墟出i - * ，- 一- _ - - - - 一 浙江大学硕士论文 保存数据功能可以保存已经测得的模板数据和所有已经被监测的光点组数据，由于 保存为戗t 格式的文件，因此根据每个标题栏和数据栏所占的字节数来对数据进行排版。 数据打印功能则可用表格形式打印已经测得的模板数据和所有已经被监测的光点 组数据。 界面左侧中间栏显示的是二值化阈值，电子目镜像素周期，物体个数，显示放大倍 率，光轴倾角以及晶片材料等属性，如图4 - 2 7 所示 图4 - 2 7 属性设置窗口 界面左下角“光点监测”栏显示所选中的点的坐标，坐标之间的像素距离，实际距 离以及经过计算以后得到的晶片厚度和三点所成角度大小。 图4 2 8 测量数据显示窗口 界面右下角区域表中显示的是经过计算得到的图像中的8 个点之间的所有任意两点 之间的距离。 另外，由于对压缩图像的处理不可避免的在处理过程中损失原有的图像数据，因此， 软件在对压缩图像无损还原至原始大小之后进行处理。 2 电机控制转台使用说明 转台使用主要分为两个步骤： 浙江大学硕士论文 第一，通过串口连接电机设备，确定电机所连接的串口号，以及电机所使用的坐标 轴，在电机控制箱后即可看到。 图4 - 2 9 串口选择窗口 第二，连接串口成功以后，软件将自动进入如下界面，对电机的运行参数进行设置。 控制器信息栏中显示了电机的三个参数：设备d 号，设备版本和设备型号。基本设置 栏中的基本设置和运行方案设置可根据每次具体测试的要求来完成。 一投翻基壤 设备鹏 笋；磁。设备艨鼙黟3 岁le 设备黧弩_ 瓣 童氇i3 h 黾n 薹t i ”j 刀a 赋日 嚣耩罐娓霹 蝴r r 一- 簟位1 绷r 广一。s 溯广r 一。 触酸r _ 弋r 一地 秘广矿一” 黼r l r 一。s 揪广r 国到 浙江大学硕士论文 3 测试系统工作时的情况 图4 1 3 l 测试系统工作情况 5 5 浙江大学硕士论文 5 1 测量结果 第五章测量结果与数据分析 5 1 1 一片式o l p f 的测量 对五片不同厚度的一片式o l p f 分别进行1 0 次测量。 ( a ) 图5 - 1 采集到其中两片的图像 ( b ) 表5 - 1 一片式o l p f l 0 次测量值( 单位：a m ) 样本1样本2样本3样本4样本5 理论值3 2 9 45 2 3 55 1 7 63 7 0 6 4 2 3 5 测量值 l3 1 9 35 1 3 05 1 9 53 7 5 54 2 4 6 23 2 9 15 1 8 65 2 6 53 6 8 24 1 8 6 33 3 4 55 2 0 55 1 2 33 6 5 24 1 6 6 43 2 5 35 2 6 85 2 9 33 6 8 24 1 4 4 53 3 4 55 1 4 65 1 9 53 7 9 6 4 2 2 6 63 2 0 95 1 6 55 2 1 53 7 6 84 1 8 6 73 2 8 55 2 6 35 1 4 73 7 8 74 1 7 5 83 2 2 55 1 8 65 2 6 5 3 8 0 84 2 5 2 93 1 5 35 2 5 55 2 3 53 6 5 24 1 8 8 1 03 2 0 65 1 6 25 1 6 93 7 9 84 1 6 3 平均值 3 ，2 5 l5 1 9 75 2 1 03 7 3 84 1 9 3 浙江大学硕士论文 5 1 2 两片式o l p f 的测量 对三种不同规格的两片式o l p f 分别进行1 0 次测量 图5 - 2 采集到的其中一幅图片 2 0 4 图5 - 3 获取中心后的光点示意图 k 墨 、o o个叫l 进 浙江大学硕士论文 表5 - 2 两片式o l p f l 0 次测量值( 单位：, u m ) 样本1样本2样本3 a lb la 2b 2a 3b 3 理论值 5 1 7 6 3 7 0 6 5 1 7 64 2 3 5 3 7 0 65 6 4 7 测量值 15 1 6 53 6 8 25 1 9 54 1 6 33 7 6 65 5 6 3 25 2 6 83 7 9 65 1 0 54 3 7 23 5 9 55 6 5 8 35 2 0 83 6 8 25 0 8 34 2 0 6 3 6 0 65 6 0 5 45 1 跖3 7 9 55 1 2 3 4 2 1 93 7 1 35 6 6 8 55 1 8 63 6 9 5 5 1 8 5 4 2 9 8 3 6 2 45 5 3 6 65 2 3 63 6 7 35 2 1 54 3 6 53 7 1 55 6 0 9 75 2 0 63 7 6 55 1 0 74 2 9 63 6 1 95 6 9 3 85 1 8 63 8 0 65 0 6 54 3 4 43 7 3 25 5 3 8 95 1 9 63 7 8 5 5 0 8 9 4 2 9 23 6 2 55 5 9 6 1 05 1 9 43 6 8 45 1 6 9 4 1 9 63 6 7 85 7 0 8 平均值 5 2 0 33 7 3 65 1 3 44 2 7 5 3 6 6 7 5 6 1 8 5 1 3 三片式o l p f 的测量 对两种不同规格的三片式o l p f 分别进行1 0 次测量 图5 - 4 采集到的一组图片 浙江大学硕士论文 图5 - 5 获取光点中心后的八点示意图 表5 _ 3 三片式o l p f l 0 次测量值( 单位：m ) 样本1样本2 a lb lc la 2 b 2c 2 理论值 2 5 8 82 9 4 12 5 8 82 9 4 12 4 7 02 9 4 1 测量值 l 2 5 6 52 9 6 82 5 0 63 0 0 62 4 7 52 9 6 2 22 5 0 52 9 5 22 5 1 52 9 6 22 5 3 62 9 0 6 32 5 1 62 8 9 62 5 2 62 8 6 62 5 6 62 8 9 1 42 5 9 82 9 9 72 5 0 52 8 9 4 2 5 0 62 8 6 5 52 6 3 22 9 8 32 6 3 22 8 8 52 4 9 82 9 7 7 62 5 0 33 1 2 62 5 0 82 8 8 62 4 5 52 8 9 9 72 5 1 92 9 6 62 5 1 62 9 6 52 4 9 52 8 9 8 82 4 8 53 0 2 52 5 9 82 8 7 9 2 4 6 62 8 5 4 92 6 0 9 2 9 8 22 6 1 92 8 9 52 4 9 62 9 7 8 1 02 5 2 82 9 7 82 4 8 62 9 0 62 4 8 52 8 6 7 平均值 2 5 4 62 9 8 72 5 4 l2 9 1 42 ，4 9 8 2 9 1 0 5 2 误差分析 5 2 1 数据分析 系统的精度万定义为测量值和测量平均值之间的偏差。它表征测量值重复性的一个 之， ，、； ： 色， 一 一 ，、 1： 浙江大学硕士论文 统计量。 d =( 一- ) ( 5 1 ) 测量准确度占是测量值和真实值之间的偏差。这是一个统计量，表明一次预期的独 立测量值和真实值之间的差异。 其中 占- l 挈 k ：每次测量的值；：测量值的平均值；x ：测量期望值 表5 - 4 一片式o l p f 的数据分析 ( 5 - 2 ) 样本序号期望值( 朋)测量平均值( 删)艿( a n )( b n ) l 3 2 9 43 2 5 1 o 0 6 2 0 0 7 5 25 2 3 55 1 9 70 0 4 7o 0 6 l 35 1 7 65 2 1 00 0 5 2o 0 6 2 4 3 7 0 6 3 7 3 8o 0 6 00 0 6 8 5 4 2 3 54 1 9 30 0 3 4 0 0 5 4 表5 5 两片式o l p f 的数据分析 测量平均值 样本序号对应参数期望值( 删) 艿( z n )占( a n ) ( 脚唧) a5 1 7 6 5 2 0 30 0 2 80 0 3 9 l b3 7 0 63 7 3 6 0 0 5 4 0 0 6 2 a5 1 7 65 1 3 40 0 5 0o 0 6 6 2 b4 2 3 54 2 7 50 0 7 00 0 8 1 a3 7 0 63 6 6 70 0 5 80 0 7 0 3 b5 6 4 75 6 1 80 0 6 00 0 6 6 浙江大学硕士论文 表5 - 6 三片式o l p f 的数据分析 测量平均值 样本序号对应参数期望值( a n )艿( a n )占( o n ) ( a n ) a2 5 8 8 2 5 4 6 0 0 4 9 0 0 6 4 1 b 2 9 4 1 3 0 1 3 0 0 5 7 o 0 7 3 c2 5 8 82 5 4 10 0 5 1o 0 6 9 a2 9 4 12 9 1 40 0 4 40 0 5 1 2 b2 4 7 02 4 9 80 0 3 1o 0 4 2 c2 9 4 l2 9 1 00 0 4 40 0 5 4 系统精度均在0 0 7 a m 以下，对应这个范围检测到的晶片厚度变化为o 0