（机械设计及理论专业论文）电接触测试中的显微观测系统研究.pdf

独创性( 或创新性) 声明 j 脚删m 舢f i j f 舢f j 删 ? y 1 7 5 911jillj“1ifj l 。1 7 i l l l l 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：! 叠逵盛 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 - 6 电接触测试中的显微观测系统研究 摘要 电接触故障在电子设备中大量存在，其中大部分都与大气中的尘 土颗粒有关。对失效通讯终端产品中触点的初步研究发现多于6 5 的接触表面是被尘土污染，近5 0 的接触表面在接触区形成污染物聚 集区。大气中悬浮的尘土颗粒随着连接器的不断插拔进入接触区域， 进而产生电接触的可靠性隐患。所以，研究尘土颗粒对电接触可靠性 的影响具有很重要的现实意义。 而要研究在电接触测试中尘土颗粒的影响，就必须有相应的设备 仪器进行实验和观测。本课题主要研究设计了一套视频显微实时观测 系统，方便在电接触测试实验中( 如研究尘土对电器元件可靠性影响) 观测微小颗粒和接触区域，该系统将传统的光学显微技术与机械、电 子以及计算机等技术相结合。提出了整个系统的工作原理及结构组 成，详细介绍了系统各部分的设计方案及实现方法。 本论文重点介绍了视频显微实时观测系统的光学部分、图像采集 和传输部分、机械部分以及照明部分。光学部分是整个系统的基础， 光学图像的质量直接影响到整体性能。在介绍了显微镜的规范标准的 基础上，设计并确定了一条应用于c c d 摄取显微图像的光路。并根 据设计要求，对光路的整体结构和各个参数进行了详细的讨论计算。 图像采集的主要过程是先把将显微镜头捕获的光学图像投射到c c d 摄像机上，然后把模拟视频信号转换为数字视频信号，最后采用u s b 传输和计算机处理相结合的图像数据传输、处理方式。以上各个部分 是通过机械结构连接起来，机械部分主要涉及到了基座、立柱、支架 和减振装置等零部件的结构设计和选型。照明部分可以更好的帮助系 统实现图像采集，提高图像的效果和质量。最后，总结了本文研究所 做的贡献和要点，指出下一步可深入研究的方向。 该系统的设计对其他类似视频成像系统的研制有参考意义。 关键词：光学c c d 图像采集旋转机构照明 t e r m i n a l ss h o w st h a to v e r6 5p e r c e n t so fa l lt h ec o n t a c ts u r f a c e sa r e p o l l u t e db y d u s t p a r t i c l e s ，a n dn e a r l y 5 0 p e r c e n t s h a v ed u s t a c c u m u l a t i o n s d u r i n gt h eo p e r m i o no fc o n n e c t o r s ，d u s tp a r t i c l e si nt h e a t m o s p h e r e c a nb eb r o u g h tt ot h ec o n t a c ti n t e r f a c e s ，a n dc o n t a c t r e l i a b i l i t yp r o b l e m sm a ya p p e a r s oi ti sv e r yi m p o r t a n ta n dn e c e s s a r yf o r u st or e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fd u s to ne l e c t r i cc o n t a c t d e v i c em u s tb en e e d e df o re x p e r i m e n ta n do b s e r v a t i o ni no r d e rt o r e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fd u s ti ne l e c t r i cc o n t a c t t e s t i n g i nt h i st h e s i s ，f o r t h er e q u i r e m e n to fo b s e r v i n gd u s ta n dm i n i s i z ec o n t a c ti n t e r f a c e si nt h e p r o c e s so fr e s e a r c h i n gt h ei n f l u e n c e o fd u s to ne l e c t r o m e c h a n i c a l c o m p o n e n t s ，av i d e om i c r o s c o p e s y s t e mi sd e s i g n e d t h es y s t e m i n t e g r a t e dm e c h a n i s m ，e l e c t r o na n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yi n t ot r a d i t i o n a l m i c r o s c o p e w ep r o p o s et h e m a i nd e s i g n p r i n c i p l e sa n df l a m e ，a n d i n t r o d u c ed e s i g np r o p o s a lt e c h n i c a lr o u t ea n d i m p l e m e n to fs y s t e m i nt h i st h e s i s ，t h er e s e a r c hi n t r o d u c e so p t i c s ，i m a g ea c q u i s i t i o n ， i m a g et r a n s m i s s i o n ，m e c h a n i s ma n di l l u m i n a t i o n t h eo p t i c a lp a r ti st h e f o u n d a t i o no ft h es y s t e m ，w h i l et h eq u a l i t yo f o p t i c a li m a g ed i r e c t l y a f f e c t sp e r f o r m a n c eo fs y s t e m i nt h eb a s i so f i n t r o d u c i n gt h es t a n d a r do f m i c r o s c o p e ，w ed e s i g nak i n do fl i g h tp a t hw h i c h c a n u s ec c dc a m e r at o o b s e r v e f u r t h e r m o r e ，w ed e t e r m i n et h ei n t e g r a ls t r u c t u r ea n dc a l c u l a t e i n d i v i d u a lp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt od e s i g n i n g t h ef i r s ts t e po ft h ei m a g e a c q u i s i t i o ns y s t e mi ss e n d i n gt h eo p t i c a li m a g ec a p t u r e db yt h el e n so f o p t i c a lm i c r o s c o p e t oc c dc a m e r a t h es e c o n ds t 印i st h ec a m e r a t r a n s f o r m sa n a l o gv i d e os i g n a lt od i g i t a lv i d e os i g n a l f i n a l l y , t h ed i g i t a l v i d e os i g n a li ss e n tt oc o m p u t e rb yu s b t h ep a p e r p r e s e n t st h ed e s i g n a n ds e l e c t i o no ft h em e c h a n i c a lp a r t sf o rt h es y s t e m ，s u c ha sp e d e s t a l ， c o l u m n ，a r ma n da b s o r b e r s t h ei l l u m i n a t i o np a r tc a nh e l ps y s t e mt o a c q u i r eb e t t e ri m a g e a tl a s t ，t h er e s e a r c hc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n so f t h i s d i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da n di t sf u r t h e rs t u d i e sa r ef o r e c a s t e d t h i ss y s t e mi ss i g n i f i c a n tf o rt h ed e v e l o p m e n to fo t h e ra n a l o g o u s s y s t e m k e y w o r d s ：o p t i c s c c d i m a g ea c q u i s i t i o n r o t a t i o n a ld e v i c e i l l u m i n a t i o n 目录 第一章绪论1 1 1 课题来源”1 1 2 课题研究的现状2 1 3 课题主要任务和内容3 1 4 课题意义3 第二章视频显微观测系统总体方案设计5 2 1 系统的设计要求和参数指标5 2 1 1 系统设计要求”5 2 1 2 系统参数指标”5 2 2 系统原理和组成6 2 2 1 系统原理6 2 2 2 系统组成一7 2 3 视频显微观测系统的主体构成7 第三章光学成像和图像采集方案设计和实现9 3 1 设计指导原则9 3 2 光学成像系统设计9 3 2 1 显微镜的成像原理9 3 2 2 光路方案的设计和选择1 1 3 3 图像传感器1 4 3 3 1 图像传感器概述1 4 3 3 2c c d 和c m o s 的比较”1 5 3 4 基于c c d 的图像采集系统的实现”1 7 3 4 1 成像系统分析与构成1 7 3 4 2c c d 图像传感器的选型2 l 3 4 3 镜头的参数计算和选型2 3 3 5 图像数据传输和处理2 8 3 5 1 图像数据传输2 8 3 5 2 图像数据处理3 2 3 6 系统设计总结和结果3 3 3 6 1 图像采集系统结构3 3 3 6 2 设计结果和最终指标”3 4 和实现3 5 3 5 3 5 3 5 3 6 3 7 3 8 4 4 1 万向杆组结构组成3 8 4 4 2 杆件的设计实现3 9 4 4 3 固定夹的比较和选取4 1 4 5 基座”4 3 4 6 零部件重量的计算4 4 4 7 减震”4 5 第五章照明系统的实现4 7 5 1 设计指导原则4 7 5 2 照明投射和光源架设4 7 5 2 1 照明投射方式4 7 5 2 2 光源架设方案设计4 8 5 3 照明光源5 2 5 3 1 照明光源的类型5 2 5 3 2 照明光源的比较5 3 5 4 照明方式和光源的选择5 4 第六章总结5 5 6 1 课题总结5 5 6 2 今后工作建议5 5 参考文献”5 7 致谢5 9 攻读学位期间发表的学术论文“6 0 n 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 近年来，随着科学技术的高速发展，手机、笔记本电脑等各式各样的电子设 备花样越来越多，功能也越来越强大。同时，用户对其可靠性也提出了越来越高 的要求。电子设备能否稳定可靠的工作，以及可靠工作时间的长短成为用户选购 电子产品的一个重要考虑因素。与此同时，世界各大电子设备生产商也都开始认 识到提高产品可靠性的重要性，纷纷投入大量的人力、物力、财力建立可靠性实 验室，对电子设备进行出厂前的整机测试。 在众多影响电子设备可靠性的因素中，大气中的尘土颗粒作为其中最重要因 素之一，近几年正越来越引起人们重视。特别在大气污染相对严重的中国，研究 尘土对电连接的影响途径，提高电子设备的防尘能力就显得尤为重要【l j 。在电接 触领域，电子元件的可靠性是非常重要的标准。没有可靠的电子连接，就不可能 发展先进的电子学。电接触元件易受周围环境( 大气尘土、腐蚀性气体、温度与 湿度等) 的影响而造成接触故斟2 1 。研究表明：尘土污染是造成机电元件电接触 故障的主要原因之一。尘土直接吸附在机电元件接触表面上，会造成闭合时的高 电阻值，尘土也可在电镀金的过程中吸附在镀件表面而形成镀金表面微孔。尘土 成分中含有可溶性盐，当其附着在微孔附近，在潮热环境下会形成电解液，使微 孔底部金属腐蚀，腐蚀生成物蔓延聚集到微孔表面也会出现高接触电阻。因此， 研究尘土颗粒污染的原因及其对电接触性能的影响规律，揭示其微观作用机制， 对于保证设备的可靠性，有着重要的理论和实际意义。 电接触领域所涉及的绝大部分内容，如接触故障、电接触性能、环境对电接 触性能的影响等等都和接触电阻有密切关系。接触电阻的影响因素比较多而且相 互关联，多年来许多科学家对它进行了很多理论和实际研究。接触电阻与导电斑 点的大小、形状、数目和分布等有关。而影响导电斑点的因素比较复杂，如接触 组件的材料、表面粗糙度、接触形式、表面膜状况、接触压力、电流大小、通电 时间等等，这些众多的因素使得在理论上对接触电阻的精确计算带来困难。因此， 借助实验的方式来进行模拟分析就显得尤为重要，这对于接触电阻的研究具有重 要的理论和实际意义。在电接触实验测试过程中，分别调节各项实验参数实现定 性分析，再结合理论进行分析。 目前，尘土引起电接触失效研究大多是失效机理研究，或是选取现实大气尘 北京邮电大学硕士研究生学位论文 土进行实验测试，至今还没有人给出有关尘土颗粒的形貌、尺寸、物理参数的准 确模型。另外，究竟这部分尘土颗粒是以何种方式进入电子设备的，也没有准确 定论。而这两方面的研究对实验室模拟尘土的影响是非常必要的。 因此，北京邮电大学电接触科研室提出了建立“尘土对电接触可靠性影响的 测试与评估系统”，这套测试与评估系统中不可缺少的部分就是开发具有“确定 性实验能力 的实验设备。这正是本课题所涉及到的内容。以实验方式验证接触 电阻需要从多方面分析研究，对于接触形貌等物理参数可以采用现有的仪器分 析，而导电斑点的大小、形状和数目与接触压力等因素相关，许多实际接触斑点 或接触区域都在微米级甚至更小；这就需要有精密定位设备来实现接触电阻测试 以及有辅助观测系统来观察接触区域的接触情况。 。 1 2 课题研究的现状 尘土颗粒对接触电阻影响的研究一直都是电接触学科的一个热点。早在上世 纪九十年代，章继高教授就提出了对电接触造成影响的尘土颗粒存在一个尺寸范 围，处于这个尺寸范围内的尘土颗粒即使密度不大也有可能引起接触失效【3 】。他 通过计算所得到的得颗粒危险尺寸是基于平均或最小的峰高的，约1 5 1 j m 。 随后，万永华也在不考虑表面形态以及尘土颗粒形状因素的前提下计算出颗 粒的危险上限尺寸，为r ( 1 c o s 0 ) ，其中0 = a r c t a n ( 肛) ( p 为镀层材料的摩擦系数) ， 小于此尺寸的颗粒不能被推走【4 】。以某移动电子设备用的连接器接触对为例，其 中r = 9 0 0 9 m ，金的摩擦系数为o 3 ，由此可计算出颗粒危险上限尺寸为3 8 a m 。 王东利用有限元方法研究了尘土颗粒的成分、尺寸、触点形貌对电接触的影 响【5 1 。他将颗粒划分为半径小于2 岬和表面形貌可比的小尺寸颗粒以及半径大于 1 0 1 t m 的大颗粒。建立了颗粒危险尺寸的一般模型，提出一个安全参数，当颗粒 直径超过触点表面峰的2 倍峰高就被推开而不会造成失效。对于大尺寸颗粒，统 一的危险尺寸是4 0 1 , t m 。 王小高等人通过对比实验前后接触区域的照片，间接得到尘土颗粒对接触电 阻的影响【6 1 。这种方法一方面要通过覆盖全样片的大量照片拍摄找到实验前后形 貌的变化，从而确定出接触区域。另一方面由于缺乏尘土颗粒观察机制，只有通 过多组实验才可能刚好碰到实验设计要求的颗粒尺寸。总之，这种方案因为实验 工作量大，可重复性差，并不适合相关颗粒的研究。 以上通过理论计算和有限元仿真得到的结果都是基于作者的一些特定假设 ( 比如假设表面光滑，颗粒是刚体等) ，在现实条件下并不一定适用。因此通过 实际实验验证就显得非常重要。要在实际实验中模拟单一尘土颗粒对动静态接触 电阻影响首先需要解决的就是尘土颗粒的定位问题。由于要研究的尘土颗粒尺寸 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文 比较小( 几十微米) ，肉眼无法直接观察到。这样就无法实现通过操作设备移动 触头到特定目标颗粒上。于是就提出了研究和设计精密定位接触电阻测试系统和 对应的显微观测系统。 彭廷钟研究和设计出的精密定位接触电阻测试系统，实现了电连接器微小区 域接触电阻自动测试。借助该实验系统的测试，从量上估计影响接触电阻的因素， 再通过理论分析，得出理论上的定量关系【7 1 。但由于缺少对应的观测设备，在实 验中不能实时观测到尘土颗粒的情况，带来了实验的不确定性。 陈胜宜通过借助微型数码显微镜来观察尘土颗粒【8 】。这种方法虽然达到了直 接观察的效果，但由于这个微型显微镜装置不宜固定，操作起来并不方便，而且 观察角度和放大效果并不理想，所以需要进一步去研究设计更合适的观测装置。 1 3 课题主要任务和内容 综合考虑，本课题的研究任务和内容主要分为以下四个部分： 1 国内外相关研究现状的调查分析 搜集并研究国内外对微小尺寸结构进行显微观测的系统的相关资料，分析它 们的功能参数及实现原理。 2 观测系统功能的分析和观测系统方案的讨论 在实验室已有的精密定位设备基础上，结合实际情况，提出具体功能要求， 并准确计算和确定观测系统所必须达到的参数指标，如分辨率、放大倍数、焦距 等技术参数。进而确定采用什么方式和原理来实现对精密定位测试实验中微小颗 粒和区域的实时观测，最终确立总体设计方案及实现原理。 3 观测系统中光学部分和图像采集部分的设计和实现 先提出几种初步的光学设计方案，然后进行研究对比和可行性分析，结合本 课题的要求确定了需要的光路结构。详细介绍了图像采集和图像传输的设计和实 现，并根据技术参数来设计并选择合适的仪器组件，如物镜、摄影目镜、c c d 、 传输接口和监视器等，最后进行了整体的分析。 4 观测系统中机械结构部分的设计实现和照明部分的分析确定 主要包括机械总体结构设计以及旋转支架、固定装置和减震装置等零部件的 设计和实现。 分析和比较不同的照明方式和光源类型，结合实际情况，设计对应的光源照 明方式，选取合适的元件。 1 4 课题意义 本课题的本质就是在实验室现有的精密定位接触电阻测试仪的基础上研究 北京邮电大学硕士研究生学位论文 开发一套尘土颗粒的实时观测设备，解决尘土颗粒的实时观测和快速准确定位问 题。由于在以前的精密定位实验过程中，存在实验时间长、过程随机性和定位过 程不可见等问题，并且这样的实验只是从人为估计和判断的角度来分析，无法去 验证，而只有加入观察设备才可以在实验过程中的实时观测，方便准确的将触头 定位到任意目标尺寸颗粒上，从而大大减少了实验时间和复杂度，提高效率，在 根本上使整个精密定位的设备性能得到提高。 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章视频显微观测系统总体方案设计 2 1 系统的设计要求和参数指标 2 1 1 系统设计要求 为了实现所设定的功能，需要满足以下一些设计要求： 1 成像清晰、分辨率高，这是显微观测的一个基本要求。如果了出现成像模 糊，清晰度不一的情况，那么实验的准确度就会下降。 2 放大倍率和工作距离达到标准。 3 以该产品为基型，配上各种附件。可成为实验室级显微镜，或其它专用显 微镜。 4 各部件的设计和选取，满足部件标准化生产的要求，便于以后改进和升级。 5 按照性价比，在满足功能的前提下实行最优化设计。 2 1 2 系统参数指标 本课题所研究的视频显微观测系统对微小颗粒和区域的观察是基于精密定 位接触电阻测试仪，如图2 1 所示。 图2 - 1 精密定位接触电阻测试仪 5 北京邮电大学硕士研究生学位论文 根据实验要求和环境条件，参数指标为： 1 系统分辨率 由于在精密定位接触电阻测试实验中，所观察的最小颗粒直径大约l o l m a ， 大量的颗粒在1 0 m n 2 0 0 l m a 之间。为了能够清晰的观察到这种颗粒，以便触头 更快更准确的压上，显微镜的分辨率要达到l o l m a 。 2 系统放大倍数 考虑到在精密定位实验和微动实验中，所观察的最小颗粒直径大约l o l a m ， 系统的总放大倍数在2 0 0 x 左右比较合适。 3 工作距离 在观测过程中，颗粒所在的样品台边长为2 5 m m ，为了能多角度观测尘土颗 粒，所以观测设备的工作距离必须大于2 5 m m 。 2 2 系统原理和组成 2 2 1 系统原理 根据系统的功能和设计要求，参考国内外相关设备，结合本实验室实际应用， 设计系统工作原理如图2 2 所示。 图2 - 2 视频观测系统的原理框图 该视频显微观测系统的原理是首先通过万向支架结构将显微镜头调整到观 测样品所需的位置和角度，然后进行观测，此时样品首先经过显微镜头进行光学 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文 放大生成光学图像，图像投射到图像传感器表面上，经过图像传感器接收把光强 信号转化为电信号，再经过a d 转换及放大后变为数字图像信号，再通过接口 将图像数据传输到计算机中进行处理，计算机通过配套的图像处理软件实时地跟 踪显示镜头所接收到的图像。 2 2 2 系统组成 该视频显微系统的结构示意图如图2 3 所示。 图2 3 视频观测系统结构示意图 该视频观测系统属于整机光机电一体化结构，主要包括光学系统( 物镜、摄 影目镜等) ，图像采集传输系统( c c d 、u s b 接口等) ，机械系统( 支架、夹具 等) 和照明系统。光学部分是整体结构的灵魂，系统的分辨率和放大倍数等主要 性能指标由光学部分确定；机械部分用来支撑和保证光学系统的相对位置，保证 光学系统和图像采集间的连接关系和使用功能。图像采集部分收集并显示微结构 放大后的图像，为信息的进一步处理作好准备。图像接收器必须适合被观测对象 的发光或反射的光谱特性，这就需要有合适的照明系统。光学系统必须与接收器 性能有最佳的匹配，以便充分发挥接收器感受信息的作用【9 1 。 2 3 视频显微观测系统的主体构成 1 显微光学系统 显微光学镜头组相当于人眼的晶状体，在视频显微观测系统中非常重要。显 微镜的选择应综合放大倍率和对象尺寸考虑，应该在满足分辨率要求的前提下， 尽量选择放大倍率较大的显微光学系统。 2 c c d 7 北京邮电大学硕士研究生学位论文 目前c c d 以其小巧、可靠、清晰度高等特点在商用与工业领域都得到了广 泛地使用。c c d 按照其使用的c c d 器件可以分为线阵式和面阵式两大类，线阵 c c d 一次只能获得图像的一行信息，被拍摄的物体必须以直线形式移动，才能 获得完整的图像。它主要用于检测条状、筒状产品，例如钢板、纸张、布匹等。 而面阵c c d 可以一次获得整幅图像的信息。 3 旋转运动系统 旋转视频显微观测系统中一大关键部分是旋转运动机械系统。此部分为旋转 视频显微观测系统提供关键的旋转运动来方便图像采集。 4 光源照明 在显微测量的应用系统中应充分考虑光源和光学镜头的相对位置、物体表面 的纹理，物体的几何形状等要素。光源设备的选择必须符合所需的几何形状，照 明亮度、均匀度、发光的光谱特性也必须符合际的要求，同时也要考虑光源的发 光效率和使用寿命。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章光学成像和图像采集方案设计和实现 3 1 设计指导原则 设计显微观测系统的光学和图像采集方案时主要遵循以下的设计原则： 1 观测精度要求。对于精密测量仪器来说精度是首先应该达到的条件，精度 达不到要求，再谈其它也没有意义。本系统的设计目标为：希望达到的最小分辨 率为1 0 岬。 2 预4 量效率要求。使用者通常都希望测量工具能够快速提供测量数据，提高 工作效率。系统设计时应充分利用微处理器的硬件资源，图像处理速度会对系统 的效率产生很大的影响，采用优化的图像处理算法对测量效率及测量精度有明显 改善。 3 经济性要求。本系统旨在提供一种经济型、高精度的小尺寸测量设备，在 设计系统部件时尽可能使用市场上常见的主流材料配件，提高系统的性价比。 3 2 光学成像系统设计 显微镜的光学显微系统是整个系统的关键部分之一，光学放大光路的设计直 接决定图像传感器摄取的光学图像，影响着数字图像的质量。以下将在讨论显微 镜成像原理与放大率基础上讨论光路的设计与确定。 3 2 1 显微镜的成像原理 为便于了解显微镜的放大原理，简要说明一下凸透镜的5 种成像规律，如图 3 1 所示。 一 j i w f j2 9 、，、pj4 ，。胛 u 、 酽 一w 。， _ | 尸 、 一弋r ， ( a ) 成像物体在二倍焦距外( b ) 成像物体在二倍焦距处 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文 月 多， y 2 f ， 。 埘m 一 ， 一 7 尸t t f 为 v ( c ) 成像物体在一倍二倍焦距之间 ( d ) 成像物一倍焦距处 肛 - r 、 气 日蟹。f ， 一 奄 ( e ) 成像物体在一倍焦距以内 图3 - 1 物镜前不同位置处物体放大率计算示意图 ( 1 ) 当物体位于透镜物方二倍焦距以外时，则像方位于一倍焦距以# b - - - 倍焦 距以内，形成缩小的倒立实像； ( 2 ) 当物体位于透镜物方二倍焦距时，则像方在二倍焦距上形成同样大小的 倒立实像； ( 3 ) 当物体位于透镜物方一倍焦距以外二倍焦距以内时，则像方在二倍焦距 以外形成放大的倒立实像； ( 4 ) 当物体位于透镜物方一倍焦距上时，则像方不能成像； ( 5 ) 当物体位于透镜物方一倍焦距以内时，则像方也无像的形成，而在透镜 物方的同侧比物体远的位置形成放大的直立虚像。 显微镜的成像原理就是利用上述( 3 ) 和( 5 ) 的规律把物体放大的。当物体处在 物镜前f , - , 2 f ( f 为物方焦距) 之间，则在物镜像方的2 f 以外形成放大的倒立实 像。在显微镜的设计上，将此像落在目镜的一倍焦距之内，使物镜所放大的第一 次像( 中间像) ，又被目镜再一次放大，最终在目镜的物方、人眼的明视距离处 1 0 北京邮电大学硕士研究生学位论文 形成放大的直立( 相对中间像而言) 虚像。因此，我们通过目镜( 不另加转换棱 镜) 看到的像是与原物体的像方向相反的放大虚像【l o 】。 一般显微镜的光学系统由物镜和目镜两部分组成，如图3 2 所示。物体a b 位于物镜物方焦点外侧但很靠近焦点的位置，它先经物镜成一放大、倒立的实像 a ，b 于目镜的物方焦面或物方焦面内侧附近。此实像作为目镜的观察物，目镜将 物镜放大的实像再放大成虚像a ”b ”，位于观察着的明视距离处，供眼睛观察。 ： 物娩 目镜 出瞳 n ；j：圭一 图3 - 2 显微镜的成像原理 对于普通显微镜一般由物镜和目镜组成的，当以人眼为放大像的接收体时， 其成像应该遵从以下一些原则： 1 一般地，样品经物镜在一定的距离应形成放大像，这个中间像是倒立的实 像。 2 中间像可以当作一个物体，它可以通过目镜被眼睛所观察，当中间像靠 近目镜的焦平面时，最终像就会在眼睛的一定距离内形成，这个最终像是倒立( 相 对于样品) 的虚像。此虚像不能显示在屏幕上也不能使照相底片感光。 显微镜的总放大倍数m 是物镜放大倍数m o 和目镜放大倍数m 。的乘积。 肚掣。一会努一筹 其中为光学筒长，物镜的焦距，为目镜的焦距。显然，显微镜的放大 率和光学筒长成正比，与物镜和目镜的焦距成反比。 3 2 2 光路方案的设计和选择 在我们所设计的视频观测系统中，采用的是图像传感器来采集视频图像信 号，需利用图像传感器取代人的眼睛来获取显微图像信息，其成像过程必然发生 改变。由于这时图像传感器是感光器件，而它是以光注入的方式将图像成像在图 - 啼 矿 一 北京邮电大学硕士研究生学位论文 像传感器的像敏面上的，所以图像传感器实际感应到的像只能是显微镜光路中的 实像。 满足这个要求的显微光路有以下四种方案可供选择： 第一种方案是在普通显微镜光路中去掉观察目镜，在物镜的共轭距离处放置 图像传感器直接接收图像，如图3 3 所示。 e e d 靶西 l l l 物镜 图3 - 3 成像光路 优点：结构简单，易实现。 缺点：光路中只有一个物镜用来放大，没有可调节的余地。与普通目镜观察 相比，视场损失很大。 第二种方案是普通显微镜光路中去掉观察目镜，在适当位置放置摄影目镜， 再用图像传感器接收，如图3 4 所示。 曰 一一 睽 巨荨三三封 图3 _ 4 显微摄影成像光路l 图3 4 中1 为显微镜的物镜，2 为摄影目镜。被观测物体经过物镜后在共轭 距离处形成一个放大而倒立的实像b a ，并且像的位置位于目镜的物方焦点以 外，所以倒立的实像经目镜二次放大后在图像传感器感光面处再形成一个实像。 图3 2 与图3 4 的不同之处是图3 2 中人眼观察到的是被目镜放大后的虚像，而 图3 - 4 中图像传感器接收的是被放大的实像。这种光学设计与普通光学显微镜的 光学设计有相似之处。 优点：在结构上与第一种方案相似，比较简单。与普通目镜观察相比，图像 1 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文 的放大率得到了很大的提高。另外，不仅人的眼睛能从目镜观察中解放出来，而 且可以使更多的人同时通过计算机进行视频观测、判别。同时也解决了第一个方 案中存在的视场问题，在加了一个摄影目镜之后，在需要大的视场时候，这个镜 头可以将显微物镜所成的像缩小，以配合c c d 靶面尺寸，这样视场损失就小了。 缺点：待测物体到c c d 的感光面经过了两次成像过程，由成像原理分析可 知，每一次的成像过程中，由于透镜通光孔径的限制必然导致高频信息的丢失。 第三种方案是加入了可移动的分光棱镜，可选择的通向观察目镜或摄影目 镜。如图3 5 所示，移入棱镜时，由物镜入射的光线经棱镜反射后射向观察目镜， 移出棱镜时，由物镜入射的光线投射到摄影目镜物方焦点外成像。 图3 - 5 显微摄影成像光路2 优点：既能实现目镜的观察，也能通过视频来观察。 缺点：为了使经摄影目镜进一步放大后所成的像正确的成像在c c d 面上， 从光学原理可知，物体经物镜所成的中间像对目镜和摄影目镜应该是共轭的。虽 然中间像和感光面对摄影目镜而言在设计时是共轭的，但由于人眼的景深调节的 缘故，即使人眼观察到了清晰的像，中间像的实际位置也可能偏离于共轭位置， 因此中间像与感光面可能并不共轭，图像传感器无法获得清晰的图像。 第四种方案原理图如3 6 所示，通过物镜后的成像光束经棱镜2 分光，一路 射向目镜，成像于目镜的物方焦面内侧，人眼通过目镜观测到放大的虚像，一路 成像于图像传感器的感光面上。从图中可知，与第三种方案有一个明显不同，就 是这种情况下不用移动棱镜2 。 1 3 北京邮电大学硕士研究生学位论文 3 图3 - 6 显微摄影光路3 优点：c c d 直接读取物镜所成的实像，这就减小了大面积显微图像视场和 小面积感光面之间的矛盾。 缺点：结构形式较复杂，不利于机械设计的实现。 由于本观测系统需要用于小范围、多角度的空间里，必须能够满足体积小、 运动灵活等要求，能够达到这个要求的只有前两个方案。同时又考虑到在同样的 条件下，尽可能使放大倍数有更大的可调范围，综合考虑，选择第二种方案作为 最终的显微镜结构形式。 3 3 图像传感器 3 3 i 图像传感器概述 1 图像传感器 图像传感器的功能就是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏面 上按空间分布的光强信息，转换为按时序串行输出的电信号视频信号，该视 频信号能再现入射的光学图像。6 0 年代前期，摄像的任务主要都是用各种电子 束摄像管( 如光导摄像管、点扫描管等) 来完成。6 0 年代后期，随着半导体集 成电路技术，特别是m o s 集成电路工艺的成熟，各种图像传感器得到迅速发展。 图像传感器是2 0 世纪6 0 年代后期发展起来的一种新型半导体器件，又称影像传 感器【儿j 。 2 图像传感器的发展及应用【1 2 】 早在1 8 7 3 年，当时的科学家约瑟美( j o s e p hm a y ) 及韦洛比史密夫 ( w i l l o u g h b ys m i t h ) 就发现了硒元素结晶体感光后能产生电流，标志了电子影 像技术发展的开始。在2 0 世纪初，当人们开始进行电视机的雏形设计时，摄像 1 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文 管或者摄像枪，就成了第一种把光学图像信号转换为电信号的工具。随后不断有 组织和学者研究电子影像技术，发明了几种不同类型的图像传感器。其中重要的 发明有2 0 世纪5 0 年代诞生的光学倍增管( p h o t om u l t i p l i e rt u b e ，简称p m t ) 和2 0 世纪7 0 年代出现的电荷耦合器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，简称c c d ) 。 2 0 世纪末，又有三种新型的图像传感器面世了，它们分别是互补金属氧化物半 导体( c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ，简称c m o s ) 、接触式图像传 感器( c o n t a c ti m a g es e n s o r ，简称c i s ) 和l b c a s t 传感器系统( l a t e r a lb u r i e d c h a r g ea c c u m u l a t o rs e n s i n gt r a n s i s t o ra r r a y ) 。 随着电子技术和i t 技术的飞速发展，固体图像传感器技术也得到了蓬勃的 发展，不但拥有了更多的应用领域，市场需求也急速膨胀，成为推动图像传感器 技术发展的原动力。目前，固体图像传感器主要有以下方面的应用：一维尺寸、 二维位置、三维坐标的测量，高精度细丝直径的测量，物体振动、材料变形量等 非接触测量，光学镜头参数测量，光谱探测与分析，天文图像观测，工业、医用、 侦查内窥镜成像系统等等。近来，固体图像传感器作为移动终端的应用、在交通 基础设施上的应用和电子商务网络安全中的应用，更是使图像传感器技术走向了 人们的日常生活。其中，最常用的固体图像传感器就是c c d 和c m o s 图像传感 器。 3 3 2c c d 和c m o s 的比较 1 c c d 和c m o s 成像和特点1 1 3 j c c d 是电荷耦合器件图像传感器( c h a r g ec o u p l ed e v i c e ) 的简称，是1 9 6 9 年由美国贝尔实验室首先开发出来的，使用一种高感光度的半导体材料制成，它 能够将摄入的光线转变为电荷。c c d 由许多感光点组成，通常以百万级像素为 单位。当c c d 表面受到光线照射时，每个感光点会将电荷转移到存储区，进而 在读出移位寄存器上逐一移动，最后把所有的感光单位所产生的信号加在一起， 就构成了一幅完整的画面。并将其通过a d 转换器转换成数字信号，数字信号 经过编码，压缩储存、转移，把成像的光信号转变为数字的电信号输出。c c d 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩 阵所组成。c c d 具有完成光电信号转换的功能，因此是理想的摄像元件。其主 要特点是没有几何失真，感光度好，噪音少，成像细腻，但是c c d 成像来速度 慢，耗电多。 c c d 可以分为线阵c c d 和面阵c c d 。线阵c c d 图像传感器由一列m o s 光敏单元和一列c c d 移位寄存器构成，分为单行结构和双行结构，线阵c c d 图像传感器可直接接收一维光信息，不能直接将二维图像转变为视频信号输出， 1 5 北京邮电大学硕士研究生学位论文 必须用扫描的方法得到整个二维图像的视频信号。线阵c c d 图像传感器主要用 于尺寸测试和定位、传真和光学文字识别技术等方面。面阵c c d 按一定的方式 将一维线阵光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可以构成面阵c c d 图像 传感器。面阵c c d 图像传感器有3 种基本类型：线转移型、帧转移型和行间转 移型。面阵c c d 图像传感器主要用于摄像、存储、数码相机等感光器件。 c m o s ( c o m p l c m e m t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ) 即互补金属氧化物半导 体，电压控制的一种放大器件。将纯粹逻辑运算的功能转变成接收外界光线后转 化为电能，再透过芯片上的模数转换器( a d c ) 将获得的影像讯号转变为数字 信号输出。c m o s 成像不会产生几何失真，制作方便，结构简单，成像快，省电。 然而，c m o s 的缺点就是灵敏