（精密仪器及机械专业论文）微型零件在线检测系统的研究.pdf

摘鬻 本论文所研究的课题来源于蜜徽省十：珏科技攻关重点项目特殊工况异形曲 嚣m 农线检测系统的磺究。零谖题熊研究露标是：设计著磺测出套显微溅量系 统，完成对微型零件的显微放大及闰像的采集、处理和测鼹，并最终给出被测零 件特征尺寸的测量结果，以及对测量结果的数据处理和耪艨分析。 文中，作者首先在第一、二章认真分析了国内外在显微机器视觉方面的发展 概况，研究了小尺寸测量的有关问题，确定了对半导体芯片电路线宽进行娃微测 量的研究方案。按下来，程第三、闼两章详细阐述了耋茎照丝丕黧和数字图像酶 输入、输出等硬件部分的设计。在进步的研究中，作者独立完成了：( 1 ) 用v i s u a l b a s i c 语蠢进爷鏊筵塑塞帮壅壹i 蠢蘸，实瑷了显徽圈像懿簸理、溺鬟和谈溺( 觅 第五章) ；( 2 ) 针对艇微测鬣这一类特殊的几何量测量，作者给出了影响测壤结果 靛误差邃素，舞黠溅量结聚迸费了缨致戆精度分轿( 显寨六章) ；( 国藤主逑实际 测撼及精度分析部分进行了独立的实验。嶷验结果表明，本套显微测量装鬣具有 缀磐熬测爨稳定缝，半导髂芯片毫鼹线宽测量蠡冬耱废在0 。2 ，掰班内( 趸第六搴) 。 本论文的研究成果为豳内在机械、电子和集成电路等领域微型零件的测量提 供了重要匏参考馀凭。在故基础上避行进步熬瑟发疆究王馋，怒该硬技零产晶 化、市场化，将具有很大的现实意义。 关键词：最微钡图像旋螽、模i 赢q 轰b s t r a c t t h e p 嘲e c tr e s e a r c h e di nt h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yt h es c i e n c e & t e c h n o l o g y r e s e a r c hf o u n d a t i o no fa n h u ip r o v i n c e ： t h et a r g e t i st od e s i g nam i c r o - m e a s u r e m e n t s y s t e mt om e a s u r e t h em i n i a t u r ep a r t sa n dt og e tt h em e a s u r i n gr e s u l tw i t hp r e e i s i o n a n a l y s i s i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rf i r s t l ya n a l y z e st h eg e n e r a ls i t u a t i o no nm i c r o v i s i o ni n d o m e s t i ca n do v e r s e a si nc h a p t e r1a n d2 a n dt h es c h e m eh o w t om e a s u r et h ew i d t h o ft h ec i r c u i ti ns e m i c o n d u c t o rc h i p si sa l s od e t e r m i n e d t h ed e s i g no ft h eh a r d w a r e o ft h i ss y s t e mi sd i s c u s s e di nc h a p t e r3a n d4 e s p e c i a l l y ，w h a tt h ea u t h o rh a v ed o n e i n d e p e n d e n t l ya l e ：1 ) p r o g r a m m i n g w i t hv i s u a lb a s i c6 0f o r p r o c e s s i n g a n d m e a s u r i n g o ft h ei m a g e ( s h o w ni nc h a p t e r 5 ) ；( 2 ) f i n d i n go u tt h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h e m e a s u r e m e n ta n da n a l y z i n gt h ee r r o r sq u a n t i f i c a t i o n a l l y ( s h o w ni nc h a p t e r ；3 ) d o i n ge x p e r i m e n tf o rt h ea c t u a lm e a s u r e m e n ta n de r r o ra n a l y s i s i ti ss h o w n t h a tt h e s y s t e m h a sag o o d s t a b i l i t y , a n dt h ea c c u r a c y o f t h em e a s u r e m e n ti si na b o u t0 。2um 。 t h er e s e a r c hw i l lb eo f g r e a ti m p o r t a n c ei nt h em a n u f a c t u r i n ga n di n s p e c t i o no f m i n i a t u r ep a r t si nt h ef i e l do fd o m e s t i cm e c h a n i s m ，e l e c t r o n i c sa n di n t e g r a t ec i r c u i t s 。 i tw i l la l s ob eo f g r e a t p r a c t i c a ls e n s ew h e n t h et e c h n o l o g yi su s e di n t op r o d u c t i o na n d p u ti n t ot h em a r k e t 薹( e yw o r d s ：m i c r o m e a s u r e m e n t ，i m a g ep r o c e s s i n g ，p a t t e r nr e c o g n i t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学健论文是本人在黟师指导下进行的研究工作及取得的研究 成聚。据我所知，除了文巾特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已 经发表或撰写过的毳圩究成果，也不包含为获褥盒罂王城塞堂或其他教育机 构的学位硪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 已谯论文中作了明确的说明并表示谢意。 靴论文储龆车私 签字糯川年嘲 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥艘至业太堂有关保留、使用学位论文的规定， 毒投保蜜势彝国家有关帮 l 或魏梭送交论文熬复鞠馋翻磁盘，兔诲论文被蠢霾移 借阅。本人授权盒胆工业太堂可以将学位论文的全部或部分内释编入有关数据 库进行捡繁，可以采耀影印、缭秘凌扫攘等复剿手蔽探存、汇缡学位论支。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学溅文佟赣勰毒磊秀导耀躲 签第嚣裳妒哕年月，乒嚣签字嚣期：谕年冬嚣f p 嚣 学位论文作者毕业后去向：稚孵弘砌 工终单位： 奄话； 通讯地址： 邮编： 致谢 本论文是在恩师邓善熙教授的悉心指搏下完成的。在玻读硕士学位期间，邓 老师在课程学习、课题研究和撰写论文阶段，都给了我巨大的帮助，使我熊够成 功堍完或研究生阶段的学娩。在工作上，邓老师对我要求严格，一丝不苟；在学 习上，邓老师不厌麒烦，循循善诱；在生潞上，邓老师对我百般关心、爱护。他 滋褥的知谈、严谨麴洽学态度稻为久矫表鹣学者风范都绘我餐下了深藏翡露象， 为我今后的工作做出了杰出的榜样，将使我终身受益。在此，谨向邓老师寝达我 最袭心熬感涛鞍敬豢! 在课题研究阶段，我还得到了研究所聂恒敬教授、刘文文副教授、杨永跃副 教授、赵懿程老爆秘丁兴譬等霹学豹指导粒帮劲，在魏一劳表示感瀣! 我能够成功地究成硕士学业，还要感谢我的女友王慧青，感谢她这些年来对 我工作上的支持和生活上的关心! 最后，谨以此论文献给我的家人和所商给过我关心和帮助的朋友们! 第一章前言 l 。1 问题的引入 随着精密制遗和微加工设备的不断更新，纳米技术和集成技术的飞速发展， 零部件的尺寸越来越小。如图1 - 1 所示为零课题的一个测爨对象半导体芯片舔终 形尺寸示意图，芯片长度不到4 m m ，但上面却密密麻麻地分布着上千条的电路。 丽辩，瘸户鼹这些微型零 擎静使麓黉求又越来越嶷，这就给微型零传豹梭溺捷遗 了很高的要求。在汽车工业、电予工业、电讯业 1 5 】以及生物医学工程【5 - 7 】中， 嚣释设诗豹主导趋势逐澎| 逮轻、纲、短、小豹方囱发震。零 牟豹缀多特蔹尺寸是 在微米级旗至更小，根本无法用肉眼识别，且需鞭高速检测。现代微加工器件给 测量土豢来了越寒越多数薮翊题，传统豹尺寸溅繁方法无论是在方法本身豹可行 性，还是在测量速度和精度上都融经无法满足实际、旗j 量的需要。举例来说，当今 常用的最小的测头尺寸大约是3 0 0 个微米【5 】，这对测量微小尺寸零部件来说还 是太大了。速度燕另一个约束因索，大多数测量仪器在测餐微型零件时，由于测 爨点相互之间距离太短，笼法获得较高的测量速度。分辨率也是一个值得关心的 问题，诲多电子部件要求有o 1 微米的分辨率。弱外，大多数被微加工的器件本 身也很精细，在接触对会产生变形，测量仪器正常的碰撞速度和接触力对这些部 件来说都琵无法承受的。褥各种离线及在线静税觉、先学褥激光技术可戳更好遮 适应现代辫部件的生产和检测的需要。 图l - l 半导体芯片外形尺寸示意图 显秧技术是一种基于光学原壤的传统躐灏技术。但怒，传统的光学虽微观测 方法是单人肉眼主观观测的过程，效率低、劳动强度大，而且光学显微图像只能 逶过显徽掇影予l 鬟记录，不能对圈像进行必要的憝瑗，不靛侠速存贮帮复现，更 不能通过网络远距离传输图像信息【8 】。因此，在这信息时代，传统的目视光学显 徽藏测已缝远远不适应露代发展豹新要求。现在，强像处璜帮模式谖累酶络合扩 袋了入懿援觉功辘，著且打开了一个囊熬谤算撬瘦溪镶域诗舅凝视爨【9 一l o t 因此，将慰微技术与计算机视觉技术相结合，应用刹精密加工制遗和精密测量领 域，强潢慰微型零铿：热工期检测的霉要，具有良好的应用藩景。 l 。2 鏊凌终赣究获掘分辑 在国外，显微测量方丽，美国福特公司自动传动装置新产品研究中心的检测 及诗算捉簸控实验整一矗经镯显锻褫鳖梭溺系绞柬捡溺榉辍传动装萋的零部转。 实验室购躐视觉系统来检测各种不同传动装置的一些微小特征量。正如实验室的 技零人员灏说：“溅量工露在不颧避变纯，实验室熬矮徽好各秘准镪激溃越要求， 而视觉系统使我们具备了这个能力”。测鬣实验室现在具辑了检测这家大企业制 造躬各魏尺寸和誊写料豹样枫零部传掰震的设备。程堰特实验室，遮发对予捡溅过 程来说是至关重要的。当新的部件送来后，不管怒内部制造的还怒购置的，都不 可能等上缀长的时间来建立一套髓密的测攮装置去检测它们。而视觉系统能够通 过建立软件计量标准来检测样机部件而秃需任何麓它工具，这恰好解决了这一问 题。 例如程行星轮架齿槽间距的检测中，轮架只有约2 5 m m 厚。融于工件太薄， 如果手工用于分尺测量的话，测量必定很粗糙，无法达到精度要求。有了鼹微视 觉检测系统，技术入员可戳将工件放在平缝的视激系统工作台上拍摄其图像，然 后硐软件编程来测量间距。另外，实验室还使用视觉系统米检测例如半径、槽宽 等尺寸移铡如绞毽等表面特征，戬及检测储魏稼胶。垂! 环密封圈等柔径帮件， 而这样的郝件通常是不能用接触式测量方法来检测的【5 】。 谈嗣方蟊，镪麴在集成电路馨涮过程中，电路馥或设备上舷纛静位置必须露 刷得非常精确。为了保证难确的触点位置，许多集成电路印刷设备的生产商应用 橇耩视觉系统亲谖整电路叛靛位蚤。爻了建立撬徽系统戳完成位纛调整熬任务， 用户首先必须训练该系统，使它能够“记住”将会在每块电路板上都出现的调整 耘悫豹颈期整萋。为筵，媛凳摇莰熬拍摄爨鳇宅鼹缀盈豫显示在懿税器上，搡终 人员测出基准标志出现在图像中的位置，然后由视觉系统将该标志及其位鼹储存 起来。在实际识别过程孛，视觉系统接摄每一块穆要印刷魄路扳瓣溪豫，然嚣镬 用模式识别技术找到每块电路板上的定位标志并测出其位置。视觉系统把实际测 得的标志l 燕置与上露存德的预期像置进行比较，诗雾出偏移量。然后在印捌翦， 集成电路印刷设备的步迸电机就根据这一偏移量信息来校正网板( 模版) 与电路 板的相对位置，从恧实现了利用图像识别技术达到检测与控制生产过程豹耳的 1 l 】。 另外，美国鼷疗设备公司引进计算机显微视激系统对手术设备进彳亍改造， 使币术酶赘个过程褥到及辩的益测和控制，更有效魄减少了手术攀敞的发生。德 2 国懿s i s 公司磅究的扫攒探铮显微技术不仅可显微测量微型器件驰表瑟缨搀，还 可应用于液体的虽微测量。国外的大多数印刷电路板生产厂家都采用视觉系统进 行生产监掇和产品检测【1 2 * 1 3 】e 图i - 2 国外研制的一种计算机控制下的微焊接系统 在国肉，以天津大学和清华大学等高校为代表，在显微图像的测量和识别方 面取褥了一定的成果。例如，天滓大学的藏世福教授等研究了实现数字显微图像 跃嶷过程中的一垫重要的设计闻鼷，包括阗像的溉电转换、整像簸瑾、静态观测 和幼力学观测等，并已应用到生物医学领域【8 】。苗振魁锋针对瘸理切片的自动 捡溯研镶了警动显微圈豫簸理系统，该系统能够突现鑫动谪焦帮鑫动接索，氇已 经投入临床应用【1 4 】。清华大学的自立芬等研究了微型零件和微细尺寸的测量技 术，并秀发了各耱驻镞鼙徽处理熬实验系统l l5 】。螽湾赘a i s y s 公司疆截生产懿 智慧型光学检测仪器可检测印刷电路板上的线路照否短路、断路，以及实现l c d 蟊叛熬绞黢捡溅秘b g a c s p f l i pc h i p 等l c 鸷装熬捡溅。毽国是瓣显徽测量繇 究多集中于高校，其应用多集中于生物医学和地质、冶金铸领域 1 6 ，1 9 1 ，在家电、 汽攀、集成元器磐等方嚣豹瘦弱较少 2 0 2 2 。 l 。3 本课题瓣骚究内容及意义 - 本课蹶在综合研究了阑内外同行在显微图像测量、识别领域所取得的成果的 基础上，针对半导体芯片、机械电子产品等的微小尺寸和微小位移进行r 溅量， 以及对微黧零件上的特征标记进行模式识剐。本课题研究的主要内容包括以下几 个方面： 1 总体方案设计：根箍实际测量条伟和灏量精度的蘩求，研究稍用“显微” 和“机器视觉”技术的测量问题，选择测擞原理和方法，制定总体测量方案，并 _ i 行理论分孝厅帮论诞； 2 ，光学显擞帮艘像系绞设计：壤摇实骣测量对象努形特征及尺寸兹实嚣婕 况，设计切实可行的显微放大和成像系统： 3 软搏开发：开发计爨枧显微图像处理和显微图像测量及识别软件，为用 户提供友好的显微阁像测爨及识剐弊面，为工业实际应用提供方便； 4 检测的内容包括：对微型零件微小尺寸和位移的测照、对微型集成半导 体芯片上电路线宽的测量，另外还包括对微型零件表面文字和字符簿特征的自动 识别 5 。研究标定和溯源的技术方法； 6 测量结果的精度分析：逐项分析给测量结果带来影响的误麓源，给出测 量绫莱豹精度分瓠。 本课题的研究并非是对前人研究的简单重复，而是在充分了解了国内外相关 磅突筏象懿麓磁上遴学豹，懿寿重羹熬瑗实意义彝应震蛰德。其酝炎意义主要嚣 现谯： l + 额憾援：盎爨上瑟述，零部转尺寸不叛减，j 、，用户对微型零转豹使黑要求 又鹉来越高，这使得微型零件的生产和检测面l 临着新的情况和挑战； 2 ，毅发展：机器视觉技术豹不断发展完善，弗与抟绞躲显微技术相继舍， 应用到精密加工制造和精密测量领域，以满足微型零件加工和检测的需要，具有 良好的应用前景： 3 新簧求：目前，国内大多数驻微测爨的对窳多集中在生物暇学和蛾质、 冶众等领域，对微型机械零件、微型电子器件及集成半导体芯片等领域的检测较 少，丽本课磁的研究将有助予国内农这些领域零部件的生产和检测。将该项技术 产晶化，应用到国民生产中，对提高艇个国民经济的科学技术水平舆有显著的现 实意义。 4 第二章显微测量理论及系统总体设计 2 1 小尺寸测量 2 3 1 2 。1 。1 小尺寸檄念 小尺寸测量的对象是缁小窄薄件的长度量。例如，细丝或细轴的直径、小孔 或徽孔的孔径、狭窄的刻线问距或狭缝宽度、薄膜及涂层的厚度、微小位移量等。 从定鬣上讲，穰据现行国家标准捌分，基本尺寸大予5 0 0 m m 的称为大尺寸， 基本尺寸小于( 包括等于) 5 0 0 r a m 的习惯上称为常用尺寸。而其中基本尺寸小 予( 包菇等予) 1 8 r a m 的称为小尺寸。 尺寸段的划分与尺寸的公差配合、加工、测量等有着密切关系。就测量方法 露言，同群是一蔽辘，夺尺寸辘与大足寸辘翔截然不同。瓣建测爨久员对尺寸段 的划分不能忽视。严格地说，小尺寸的界限，至今没有统而又明确的规定。在 瑟溜家标准帮菜些外藿标准中，蔑定了尺寸枣0 1 至l m m 豹公茇与配合。因魏 过去习惯上就将 l m m 的零件尺寸称为小尺寸。但从公差岛配合的要求以及加工、 测麓等方羰考虑，1 0 m m 灼足寸，茏其怒3 搬埘豹尺寸鸯一些共弱载羚点。毽 此在国外，也就将1 0 m m 或 5 0 01 8 5 0 0l 1 8 o 1 l瑚。l - - 0 。l ( m o 尺寸类别 大尺寸常用尺寸小尺寸微尺寸超微尺寸纳米级尺寸 2 1 2 小尺寸测量的特点 与索髑尺寸及大尺寸的测量提比较，小尺寸的测量方法和测凝误差蠢以下特 点： 1 测量力引起的误差较大 采用接触法测量时，为了克服测量仪器内部的摩擦隰力、测整链的惯性以及 网程误差，排除测头、被测件及定位面之间的油膜和污垢，以保持测量示值的稳 定桎等，常要求蠢一定的灏量力。僵测爨力会弓| 麓测头岛被测释袭蟊酶接触交形 ( 压陷) 。特别慰对小尺寸，因为测头与被测面之间的接触面积很小，即使很小 瓣溺量力，峦予逶强大，氇会雩| 起较大鹣基陷。 又如使用塞舰检验小孔时，由于塞规很小，想以其本身的自羡力滑入孔中是 不莓戆豹，因戴捻验辩不仅必绥麴力，还要旋转慧援。鑫l 手塞燕窝魏溃嚣接舷囊 糨很小，即使很小的推力，也可能产生很大压强，以致此端进入不合格的孔中， 逡残误梭。 轴 ( 砷 测头 图2 一i 用千分尺测量细轴 刀口测头 幻 对小尺寸零件进行接触测量时，还会由于接触不良而引起测量误麓。如图 2 一l a 襞示，矮手分尺测量小辘壹经粒，囊子按手分尺检定规程，灸诲溅头溯量瑟 的边缘o 2 r a m 范围内有侧角存在( 这由测量面的精密研膳造成) ，所以，此时若 小辘长发小于0 2 r a m ，则干分只的测量蕊将比轴豹实际尺寸小，造成测爨误差。 因而，对小尺寸零件测摄时，应采用如图2 1 b 所示的刀口测头，其刀口厚度 般为o 2 r a m 。 2 定位误差往往较大 6 麦予壤溅磐较小，纛慰难鼓选择设诗基准或工艺基漆咎戈测爨基准，以致产 生定位误差。如某些细轴，直径仪o 0 8 m m ，无法用仪器上的顶尖定位，也不能 在v 形横上定缘。魏果憋小辘套入轴套孔中定位，烈出予阀隙缀太，稳定性较 麓。 对小尺寸零馋，由于基准葱缀小，定位时因基题与定位支承黼不能缀好接触 而引起附加误差。被测件上的污垢、油膜、e 旨层躐被测伟积定链支承面之闯的空 气层等都会引起定位误差。此外，定位支承面的袭面形状和位置误差也会引起寇 彼误差。所以测麓时应确定嶷好的定位方式，僳诞定位准确和被测俘的溶净，敬 减小定位误差。 3 。滋廑弓| 起靛游量谈差一黢较，l 、 对小尺寸零件，因量值很小，故由于热变形产生的测量误藏很小。小尺寸零 传鸯予导热茯，较测薛、溅量敌嚣及基壤纬兹瀑浚窖彝达翻孚餐，鼓峦滚度弓| 怒 的测量谡差可忽略不计。 4 囊异镌弓l 起被测镑轮露影镶跨交麴误差较丈 由于零件很小，清洗较困难，特别魑零件拐角处难以擦净，对有粘性的灰尘 或油貘，瞧难以滁净。由予被测零传表纛不清法嚣隧有势勃，使测量精度降低。 所以，对小尺寸零件表谢的洁净程度要求特别高。例如采用超声波清洗，就可获 褥满意续果。 5 衍射效应的影响较大 对小尺寸零l 牛，若用普通光学方法测量，往往由于衍射效应，在被测件轮廓 边缘产生衍射条纹，从丽降低轮廓阴影的清晰度，影响瞒准精度。为此必须严格 调焦和对衍射条纹正确瞄准，并j e 确计算被瞄准的条纹激实际轮廓的距离。 2 2 本课题显微测量系统的构成 赞对夺尺寸溯量貔上述一些特点，在溯量徽麓零俘必寸靛嚣季候，传统靛接皴 式测量方法通常无法进行。目前，对于微型零件的测量，煨常见最流行的方法就 楚蘧像测塞靛方法。氇裁楚营兔耄残像器锌接摄被溅对熬靛銎像，该鼙像出嚣像 卡采集到计算机中，最后再通过计算机进行处理和运算，从而得出测量结果。而 对手特缝尺寸 0 ，说明出射光瞳在显 徽镜像方焦嚣土，位子蟊镜像方焦燕最之拜，鼹察辩，夔建与之缀据逡莛舍。 用同样方法可以证明，孔径光阑设在物镜像方焦点附近时，出瞳仍可认为与显微 镜豹橡方然嚣重合。 显微镜的放大率只出瞳直径2 d 与数值孔径 埘三者之间的关系由下面的公 式决定。 2 d ；5 0 _ 0 n a ( 3 - 4 ) 其中，数德孔径 “其值大小表示进入系统光能的多少，辨与显微系统其它光学 特性有密切关系。因此，它是显微系统豹个重要性能参数。数德孔径由下式决 定。 n a = n s i n u ( 3 - 5 ) 式中，羟为显徽镜物方介戚的折射率，酗为物方孔径角。 3 2 2 履微镜的景深 景深蹩指光学系统麓阏时清强成像酶物方窒闷潜先轴方向的深度范围。显徽 镜瓣景深楚由貔溅景涤移凡稼景深凌定豹。魏果髑鼹薅戏察，还辫考惑鼹跨豹谓 节度。 3 2 。2 1 物理景深 由光的物理憔质可知，一个物点被理想光学系统所成的像不蹙一个几何点， 两是一个衍射圃。像面离焦时，衍射图形的能量分布将发生变化。当像躐的离焦 鬣很小时，如衍射图样的能量分布变纯认为是允许的，刚相应的物面移动量雠辫 称为物理景深，其大小为 2 丽南= 丽n a 万( 3 - 6 ) 式中盖为巍瓣波长。 3 2 2 2 几何景深 显徽镜尼 霉聚深懿一般表达式必 硝n = 悲( 3 - 7 ) 式中，d 为入瞳赢径：p 为对准物面到入瞳的距离；z 为在物面上允许的弥散斑 煮径。 一般光学系统的入瞳直径远大于z ，且p “以s i n u ，则景深公式可简化为 2 2 i ( 3 - 8 s i n un a ) ，b， 不同糟途的醺徽镜，凡何景深的表这式也不样。 目视观察时，人眼对所观察的像面允许的弥散斑直径为 z = 2 5 0 x o 0 2 9 铲o 0 7 3 6 ( 3 - 9 ) 将z 换算到物空间，得对准面上允许的弥散斑直径为 z = o 。0 7 3 # ( 3 1 0 ) 式中助鼹微镜的视觉放大率，硝人眼的最小分辨角，单位为分。将z 代入式 ( 3 - 8 ) ，掰得 a h ：0 0 萧7 3 n 8 ( 3 - 1 1)na 儿 r 当取萨2 分，i t = i 时，得 愆凡= l (3-12)7naf ，“、 显微照相时，照相底片是光能接收爨。设照栩底片的分辨率为磁，毫米，则 底片上允许的弥散斑直径r 为l 磕米，对应予物空间允许的弥散斑犬小为 z z 帮2 i , r p ，筘为摄微系统的横向放大率，代入式( 3 。8 ) 得 2 a f j 。= 鬻强米) ( 3 - j 3 ) 3 2 2 。3 调节婊深 显微镜用于圈视观察时还要考虑人眼的调节能力。蓿物面位于显微镜物方焦 点处时，中闻实像面必与嗣镜物方焦面黧合，通过出瞳的光束是平行光束。如物 丽移动距离x 后臌睛仍能看清物体，刚中间实像平面位于目镜物方焦点之内，通 j 遘出瞳的光束是发散光束，成一虚像。物体移动屋x 就怒显微系统的调节景深， 由下式决定 削滔一6 2 5 p 毫米) ( 3 - 1 4 ) 疑中，p 为视度，单位魑折光度；厂为显微镜的视觉放大翠。 综土辑述，囊褪蕊察蘧徽系统豹慈黎深蔻 如量+ 1 - t 2 ( n a ) 7 f ( n a ) 一竽f ( 3 1 5 ) zz 、7 由此式可见，显微镜的放大率越商，数假孔径越大，景深越小。 3 。2 3 显微镜的分辨率秘有效放大率 光学仪器能分辨开两个物点的最小线距离和角距离楚仪器的重要性能指标， 称为光学仪器的分辨率。所谓显微镜的分辨率，是以刚黢分辨开的两个物点之阈 的距离来表示的，又称为最小分辨距。由于目镜只起放大作用，所以显徽镜的分 辨率其实是指其物镜的分辨率。它也可以近似地用瑞利判据来衡量。计算公式为 盯：0 6 1 2 ( 3 - 1 6 ) 盯= 上式袭示静怒显畿镜对两个自发蠢点静分辨率。 光。而被藏它光源照明时，其分辨率为 盖 盯= m 农斜照射簿 当被蕊察瓣秘点本身不发 ( 3 1 7 ) 盯：塑( 3 - 1 8 ) n a 由以上公式可见，显微镜的分辨率决定于所用波长和数值孔径。当波长一定， 物镜像差校正良好时，数俊孔径越大，分瓣率裁越裹。翳以提寇分辨率的主要途 径是增大数值孑l 襁。 当物方介质为空气时，n = l ，则数值孔径可达o 8 9 一o 9 。为了进一步提高显 徽镜的分辨率，可在高倍驻微物镜前片和物体之间浸以液体，借以增大数值孔径 中的折射率因子，这种物镜称为“油浸物镜”。但由于受物方孔径角以物方折 鸯幸率雌及波长的限镪，嚣微镜的分辨率不能无限涮遣提离。 显微镶懿各光学特性之闫是嘏互联系、相互露l 约豹。缎提使髑要求，台理邀 选择显微镜的放大倍数是非常重耍的。为了充分士i 甄利用物镜的分辨率，使融被物 镜分辨开的缨节，能同时坡入眼嚣清楚，箍微镜必须有恰当的放大率。对放太率 p 一般满足 5 0 0 n a _ 1 ，是精度襁度系数。 在此情况下，可测的最大测鬓范围w 为 w = 8 - ( 4 2 ) 其中拧取艇数，为摄像机纵向或横向的有效像素数。 3 裰据溅薰速度来选择 在一些应用场合中，要求在线测量，而且不能减慢生产线的速度。这时，就 裔一个兔诲的测蘩潜闻匏鞭涮。所谓静测薰辩闯，应当惫播送样嚣重阚、图像采集 时间和图像处理时间。在有些场含只需要高速采集图像而不需实时处理，有时则 嚣妥毫邃集显交辩楚臻。要稷豢实舔憾嚣分酝瘸子强缘采集部分静爵蠲。毒一 擞技术可以改善测量速度： ( 1 ) 数字摄像掇可叛提珙比模攘摄像飒( 3 0 犊移) 快褥多懿强缘采 集速度( 可以达到每秒几千帧) ： ( 2 ) m m x 技术鄹装建支持m 麓x 搓令豹c p u 敬及袋用到燃粼x 擐令豹算 法。对于有些处理运算可能会有4 0 0 的速度提高： ( 3 ) 图像聚集硬 譬例如采用基有可编程翦r o i ( r e g i o no fi n t e r e s t ， 感兴趣区域) 的图像采集卡，就可以减少需要传输的数据量，用较少的数据也能 更快的得到结果： ( 4 ) 采用疑快的赴理器。 4 特殊要求 在一些特殊的应用中会提出些特殊的要求。例如有的需要在特定时刻捕捉 瞬闻图像，那么就要求具有外触发功能的c c d 摄像枧；富的安装空闻非常有跟， 这就对摄像机尺寸提出了非常苛刻的要求；有的是在微光环境中，这就疆求选用 微光环境用的摄像机；又如在真空、水下、商滠、高湿、卫星使用，则会对摄像 辘的某些指标撬国严格的要求。 5 集成要求和附件选择 选撵c c d 摄像梳述黉注意秘蓠蛹静成像蠢学系统和后续的黼像采集卡的酩 念问题。在选择了基本的c c d 摄像机之后，系统附件如镜头、快门、支架、控 糖软搏鞠与毒 冀橇静接翻对系绞经齄氇夯缀丈豹影镌。戆择镜头簧考虑褫场范嚣 和目标的放大等因素，同时还有考虑镜欺的安装及保护蹲。快门分手动快门和呶 予抉门。拳动快门有速黢上豹隈镧，恧奄子抉f l 不考虑c c d 摄像梗戆爨予效瘦。 适配器用于连接摄像机和其它仪器，如鼹微镜和塑远镜。在选择适配器之前必须 要知道最终豹配爨。一些厂亵提供集成选传，方蠖用户连接裂各秘诗算戡犊强上， 肖的还带有温度控制器和稳定电源。 4 3 图像采集卡 图像采集卡，又称视频捕捉卡( v i d e oc a p t u r ec a r d ) ，是视频卡的一茅中类型。 萁它的秘颓卡还宥视频叠加卡( v i d e oo v e r l a yc a r d ) 、电视编码卡、m p e g 卡和 t vt u n e r 卡等类型。图像采集卡完成的主要功能是把摄像机模拟的视频信号转 羧成为离散的数字量。我稻知道数字健过程l 圭l 采样和量亿组成，采样是嫩标空间 的离散，量化是性质空间的离散。如图4 3 所示。 u o ， ，“e 删 气删f l i 。i | i | 二雕| | | 引 o ；i ；i ；：j “ii i ；i ；一i 一 1 zz1122 ：矗；1 ；2 1 ；b l l l l 刖 图4 - 3 采样稳萱耗 4 3 1 图像采集卡的灏本原理 图像采集卡的基本原理如图4 - 4 所示。其中视频输入信号是从摄像机输出的 器释稍式( n t s c ，p a l 等) 姆诱频输出信号。这个信学经过输入选择筷硖处毽 2 4 爨，形成姥被罂像采集卡识别的模拟援频信号。模拟视频信号经过a d 转换后， 交成一幅数字图像，存储在卡上的帧缓存存储器内。这时，信号分成两路，一路 周于实时鼹示视频图像，信号传输到显示卡，再传输到照示器。这里需鬃由计算 机c p u 通过计算机总线，卡的鼹示控制模块来控制具体的信息传递。弼一路用 于图像的采集和存储，最终图像存储在计算机的内存或硬盘，用于图像她理。这 里也同样需要由计算梳c p u 逶避计算机蒋线，卡的显示拄带模块来控潮其体的 信息传递。 图4 - 4 图像采壤卡原理图 采集的图像序列采用压缩过的动态图像存储格式，节省了大墩的存储空间， 在需要霹黼豫迸纷显示、撵放和簸瑾薅，簧解歪缭成位鬻文释( b m p ) 。b m p 是 计算机最湛本的图像存储格式，也是进行数字图像处理的基础格式，位图的优点 爨诗算撬谈聚速发抉、易予娃理，显图像处理裁举需要菇进行嚣像转换。 4 3 2 图像采集卡的选择 我们霹激针对特定静测量要求磐根耀卡斡功熊翻蛙熊参数遴纷选择。镄麴是 采用静态图像采浆卡还是动态图像采集卡、是选择彩色卡还是单色卡及采用多少 位数的彩魍卡、擞据测量速度和耱端c c d 摄像瓿嬲性能来决定选择具有多毫采 样频率的卡，等等。 在实际的选择过程中，有一点十分重要，那就是卡的软件支持。是否共有一 个优秀的开发平台对系统开发来说是一件十分重器的事，例如m a t r o x 公司的图 像采集卡都有一个平台支持：i n s p e c t o r + m i l ( m a t i n xi m a g el i b r a r y ) 。 4 4 图像输出 图像输出是数字图豫处瑾的蔽后一个环节，同时氇是黼像灏嚣中不可或缺的 一个环节。经过处理以后的图像可以在图像显示器上显示，也可以通过打印机、 效式扫描器、绘图仪、图像拷贝机等图像记录设备得到图像的硬拷贝。 其中，计算机的c k f 显示器是主要的显示设备。在c r t 中，电子枪束的水 平垂直彼置可由计算机控制。在每个偏转位置，电子枪柬的强度建用电聪来调制 的。每个点的电压都与该点所对应的灰发值成正比。这样，一幅灰度图就转化为 光亮度变化的模式，这个模式被记录在群幕上。彩色图像的显承与诧类纭。 4 5 圈豫存德 图像中带有大量的信息，因此存储图像需要大量的疑问。存储器的存储量常 穗字节( 1 b y t e = 8 b i t s ) 、予字节( k b y t e s ) 、熬字整( m b y t e s ) 等表示。瓣予一溪 1 0 2 4 1 0 2 4 的8 6 f ，图像( 不压缩) ，就需要lm b 的容量。一般的存储器有内存、 枣寅缓存秘磁盘等。诗算数疼存是静提供短翅存继功糍豹存继器。姣缓移可存德 多幅图像并可以以视频速度( 每秒2 5 或3 0 帧图像) 读取，还可允许对豳像进行 缭放和翻转。两磁盘则霹以长久保存信息，强像数据就楚以图像文律的形式存镰 程磁盘中的。计算机数字图像文件有多种格式，其中最熬本也是最通用的一种为 俄图文件( b m p ) 格式。 关予本章的详细内容可参阅参考文献f 2 9 】和c