（光学工程专业论文）基于哈特曼法的球差自动测量系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a no p t i c a ls y s t e mi n e v i t a b l yh a sa b e r r a t i o n s w ec a i lc h e c kt h eo p t i c a ls y s t e m sd e s i g l l a n dm a l l u f a c t u r i n gq u a l i t yt oi m p m v ei tb ym e a s u r i n gi t sa b e r r a t i o n i ti sm u l t i f 缸i o u sa n d j m p e r a t i v ew o r k w eh a v ed e v e l o p e dm a n yi n s t m m e n t so fa b e r r a t i o nm e a s u r e j m e n t b u t m o s to f 仃a d i t i o n a lr o u t i n ev i s u a li n s t m m e n t sh a v ep o o ri n e f f i c i e n c ya n dl o wd e g r e eo f a u t o n l a t i o n t h ea n i c l ec o m p a r e ds p h e r i c a l 一a b e r r a f i o nm e m o d so f m e a s u r e m e n t ，t r yi n t r o d u c i n gt h e u p t o - d a t et e c h n o l o g yd e v e l o p m e mi nm er e a l mo fp h o t o e l e c t r o ns c i e n c eo nt h eb a s eo f 妇d i t i o n a lh a r t n l a n np h i l o s o p h yo fa b e r r a t i o nm e a s u r e m e n t i n t r o d u c ec c d i m a g es e n s o r a n dd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，c o m b i n i n gw i t hc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，d e s i g n i n g n e wg e n e r a t i o no p t i c a ls y s t e ms p h e r i c a la b e r r a t i o n ，r e a l i z i n go b j e c t i v ea n dq u a l l t i t a t i v e r e s u l t ，i m p r o v i n gt h ed e g r e eo fa u t o m a t i o na 1 1 de 伍c i e n c yi n t h ep m c e s so fs p h e r i c a l a b e m t i o nm e a s u r e m e n t t h i st h e s i ss t u d i e dt h es y s l e ma r c h i t e c t u r eo fh a r m a n no b j e c t i v el e n sa u t o m a t i c m e a s u r e m e m ，i n c l u d i n gh a r t m a n ns p h e r i c a la b e r r a t i o nm e a s u r e m e mo fo p t i c a ls y s t e ma n d s y s t e m so fa r e aa 玎a yc c di m a g ec o l l e c t i o na n dp a t t e md i s p l a c e m e n t ，d i s c u s s e dd 西t a l i m a g ep r o c e s s i n 舀m e a s u r e m e n ta j l dr e c o g n i t i o no f m es o r w a r ed e s i g nd e c i s i o n m e ym a i n i y i n c l u d e di m a g es m o o t h i n g ，s h a r p e n i n g ，l i n e a r i z a t i o n ，o b j e c t i v e s m e a s u r e m e n t ，r e c o g n i t i o n 觚d g e o m e 埘cc o m p u t a t i o n i nt h ei m a g e s d e s i g n e d m em e a s u m m e mo fp a t t e m d i s p l a c e m e n ta i l dc o m p u t e ri m e r f a c ec i r c u i t r yf o re x p e r i m e m sa r i de r r o ra 1 1 a l y s i s 1 1 1 e r ea r em a n yu n i q u ev i e w sa b o u td 强t a l i m a g ep m c e s s i n g ，m e a s u r e m e n ta i l d r e c o g i l i t i o ni nt h ee x p l o r a t i o no fs o r w a r ed e s i g n e x p r e s s e dt h er e s e a r c hf o c u s e s t h i s t h e s i so r i g i n a i l ys 0 1 v e dt h ek e yt e c h n 0 1 0 9 i e sd u r i n gt h ec o u r s eo fs y s t e md e s i g n s o l v e dt h e p r o b l e mt h a th o wt o y s i s 1 1 1 er ea r e m a n y unique v i e w sa b o u t d 强t a li m a g ep m c e s s i n g ，m e a s u r e m e n t a i l dr e co g i l i t i o ni nt h e e x p l o r a t i o no fs o r w a r e designexpressed theresearchfocusesthisthesisoriginailys01vedthekeytechn0109iesduringthecourseofsystemdesignsolvedthepr0blemthathowtoseekt、vodimensionalimagegoalsintheonedimensionalimages 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位敝作者虢孝霓扦 日期：卵6 年，月扩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于， 不保密瓯 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：撕 日期：，“年r 月j 一日 燧名：摩彬曙 日期：撇锌厂月f 厂日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 测量一个光学系统的全部像差，可以审核光学系统设计和制造质量，以便改进。特 别是试制阶段的光学系统，测量全部像差，这项工作必不可少。从几何光学观点来看， 光学系统的像差表现为把一个入射同心光束或平行光束变为非同心光束。而从波动光 学观点来看，光学系统的像差表现为把一个入射球面波或平行波变为非球面波。因此 像面上的能量分布己不同于理想的圆孔衍射的能量分布了。 在近轴光学系统中，根据精确的球面折射公式，可导出在s i n 口= 口，c o s 臼= l 时的 物像大小和位置，即理想光学系统的物像关系式。一个物点的理想像仍然是一个点， 从物点发出的所有光线通过光学系统后都汇聚与一点。近轴光学系统只适用于近轴的 小物体细光束成像。对任何一个实际光学系统而言，都需要一定的相对孔径和视场， 恰恰是相对孔径和视场这两个因素才与系统的功能和使用价值紧密联系。因此，实际 的光路计算，远远超过近轴区域所限制的范围，物像的大小和位置与近轴光学系统计 算的结果不同，实际像和理想像之间有像差。物体上任一点发出的光束通过实际光学 系统后不能汇聚一点，而是形成一弥散斑，从而使像变的模糊，并使像相对物发生了 变形。改善光学系统的成像质量与像差的大小有关，因此光学系统 华中科技大学硕士学位论文 焦面测量法是基于两组干涉条纹的重合，来获的各环带光束焦点的位置。这两组干 涉条纹是通过两对对称于所检透镜中心的小孔之后形成的。原理如图卜2 ，如果检测屏 调焦在被检透镜某环带光束焦点的前面，例如在m n 面上，可以观察到光线通过两对双 圆孔的干涉条纹，每组条纹通常是多个。随着检测屏往被检透镜的焦点调焦，由两组 双圆孔所产生的干涉条纹将愈来愈靠近，直到完全重合。如果被检透镜存在球差，两 组双圆孔所产生的干涉条纹将分开或模糊”1 。 图卜1 焦面测量法原理 a ) 离焦视场b ) 调焦在焦点上的视场 卜狭缝2 一平行管物镜3 一区域双圆孔光阑4 一被测物镜5 一c c d 传感器 ( 2 ) 刀口阴影测量法 当入射光束为同心光束，被测透镜存在的几何像差使出射光束不再是同心光束， 不同区域的光线将相交在空间不同位置上。这时利用刀口在各不同位置的交点位置切 割光束时，将可以看到具有各种特征形状的阴影图。根据刀口切割光束时所在的位置 和所见的几何形状，就可测量出被测透镜的几何像差。 l 7 1 迨辽。，mi 2 m 矽翊了卜 7 夕 。、 “)( i ) 图卜2 刀口法测量原理 2 町。 华中科技大学硕士学位论文 由于存在球差，各不同入射高度h 的区域光线相交在光轴上不同位置处。刀口在 被测透镜像平面前后不同位置上切割光束。如果在阴影图中某区域出现均匀的半暗的 阴影交点，则表示刀口所在的位置是这一区域光线的交点位置。可以通过观察阴影图 中在不同区域出现均匀的半暗阴影时刀口所在的位的置的差别将球差测量出来”3 。 ( 3 ) 哈特曼测量法 在光学测量技术中，哈特曼测量法为二次截面测量法。是一项传统的检测光学系 统几何像差的方法，该方法由德国科学家h a r t m a n n 于1 9 0 0 年提出而命名。该测量方 法巧妙地模拟几何光学中光线追迹的方法，用照相的方法测得多种几何像差。可以轴 上点和轴外点像差的测量。1 。过去，该方法的测量工作十分繁重，使它的应用受到限制。 现采用c c d 图像传感器及计算机图像处理技术，构成新一代的光学系统像差测量仪器。 1 2 透镜球差测量常用方法的比较 焦面测量法又称目视调焦法，测量时需要先将面阵c c d 调焦至被检物镜的理想焦 面上，再利用光干涉现象移动面阵c c d 精确地找所检系统的各环带光束焦点位置。测 量过程反复，面阵c c d 移动距离的测量精度对像差测量结果影响极大，实现起来要求 高。 刀口阴影测量法是非接触检验方法，测量结果与刀口位置、阴影图案形状有关。 通过位置测量和c c d 成像测量可确定像差，但刀口位置与阴影图案上亮一暗环带宽度之 间的定量关系复杂，不容易进行数值计算， 哈特曼测量法是建立在几何光学原理基础上二次截面法，截面上截得的入射高度 不同的细光束由平行光分割而成，测量出光线的高度和与截面的交点，就可通过数值 计算出像差，较适合望远物镜球差测量“1 。同时，哈特曼测量法测量误差与光线的高度 和截面的距离测量误差相关，可通过补偿修正提高精度。此外，哈特曼测量法可同时 对物镜进行多点测量，同时测取物镜不同部位的球差，利用计算机技术容易实现自动 测量。 1 3 课题来源和任务 本课题来源：湖北省教育厅关于高职高专院校科研项目。 华中科技大学硕士学位论文 根据教育部对高职高专院校的要求和动手型人才养目标，高职高专院校需要建设 规模很大的实验和实训室，提供较多课时的实践。对教师既有一定理论又有较强的技 术的要求。本课题的目的在于，开发适合高职教学的望远物镜球差测量系统，即可作 教学示教系统又能满足一定的透镜球差测量。要求系统原理直观，内部结构开放，使 用简单。将光学、电学和计算机技术融为一体，在某些方面有技术创新。 本课题所要完成的主要任务：利用先进的c c d 图像采集技术，对光学系统球差进 行精密测量。运用计算机数字图像处理、图像识别等技术并通过软件来解决光电图像 转换、处理。同时应用光栅位移测量和计算机检测技术，高精度检测微小位移。图像 和位移集中在线实时处理，闭环实现整个系统，实现望远物镜球差测量。通过软件给 系统运行提供较强的功能和方便的操作。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 望远物镜球差自动测量系统整体方案 2 1哈特曼球差测量原理 当光学系统的出瞳面像上有波像差时，光学系统的像质就会恶化，产生像差。哈 特曼球差测量方法是建立在几何光学原理基础上的。在焦点附近做两个截面，并测出 已知边光与近轴光线与这两个截面的交点坐标，就可计算出该光学系统的球差分布。 图2 1 为哈特曼测量球差的原理图 1 z 移i 彩 6 e 1 e 2 1) ；j 卜h e n e 激光器，2 一衰减片，3 一扩束准直系统，4 一滤波小孔光阑 图2 1 哈特曼测量球差的原理 s n 一- s m 卜一 5 哈特曼光阑，6 一被测透镜 图2 2 为哈特曼光阑，它为若干小孔按米字形排列的小孔光阑，由透镜5 出射的 平行光通过哈特曼光阑后被分割成许多不同入射高度的细 光束，射向被测透镜6 ，形成的图像为米字形分布的光斑。 每一细光束可等效为通过光斑质心的一光线。如果被测透 镜存在像差，则不同入射高度的细光束通过被测透镜后将相 交与不同的位置。测得两截面e 和e 。上所截得米字形光斑 各对应点的中心距b 。和b 。按下式即可计算各不同入射高 度h 。的光线对应在像方空间上的焦点f n 的位置坐标为”1 ： 图2 2 哈特曼光阑 s n ：殳d ( 2 1 ) 6 m + 6 2 式中，d 为两截面e 。和e 2 之间的距离。取近轴光线在像方空间上的焦点f 0 的位置 华中科技大学硕士学位论文 坐标为s 。入射高度h 。同心汇聚光束的球差配= s 。一s n 。 2 2 望远物镜球差哈特曼光电测量系统 2 2 1 望远物镜球差哈特曼光电测量系统组成 从测量原理可以看出，哈特曼法的主要测量任务是：获得近轴光线在像方空间上 的焦距s 。、e 。和e ? 截面上米字形光斑的坐标b 。和b 。：及e 。和e 。截面间的距离d 。可采 用以下方法实现。 ( 1 ) 测量e 。和b 截面上米字形光斑的坐标b 。和b 。的二类方法： 1 ) 使用传统的照相并在测量显微镜或工具显微镜上测量的方法。 2 )选用面阵c c d 作图像传感器测量e 。和e 。截面上米字形光斑，采用数字图像处 理、图像识别等技术定量测量米字形光斑中心距。 ( 2 ) 应用计算机自动控制技术测量e 。和e 2 间的距离d 的二类方法： 1 )执行机构拖动面阵c c d 图像传感器在光路上的位移，通过步进电机的旋转步 数来间接获得e 。和e 。问的距离d 。 2 ) 选用光栅线位移传感器测量e 。和e 2 间的距离d 。通过测量光栅位移来直接测 量面阵c c d 图像传感器在光路上的位移d 。 如图2 2 所示为望远物镜哈特曼光电自动检测系统，它由图像测量和位移测量两 部分组成。图像测量选用面阵c c d 作图像传感器测量e 。和e 。截面上米字形光斑，位移 测量选用光栅线位移传感器测量e 。和e 。间的距离d 4 1 。 啥 图2 3 哈特曼光电自动检测系统组成 华中科技大学硕士学位论文 光栅位移传感器通过主光栅( 即标尺光栅) 与面阵c c d 作图像传感器固定连接， 随着主光栅和副光栅( 即指示光栅) 进行相对位移时，面阵c c d 采集不同位置的光斑。 光栅位移传感器产生黑白相间莫尔条纹。光栅位移传感器位移时莫尔条纹也移动，经 过光电器件转换使黑白相间的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大、 整形电路整形，细分、辨向等电路，最终送到可逆计数器进行计数，代表位移d 的计 数值最后送到计算机接口并读入计算机内存“3 ”1 。 在计算机软件的作用下完成对图像信号和位移信号的数据采集，图像数据经平滑、 锐化、二值化、边沿检测、图像测量与识别等技术处理，测出两截面e 。和e ：上截得的 米字形光斑各对应点的中心距b 。和b 。测出正比于e 。和e ：间距离d 的位移数据。即 可计算出各对应点的球差配= s 。一s n 。测量过程是动态的，必需有电机进行拖动， 在运动中配合图像采集与处理( 判读) ，完成各种参数的测量“1 。 c c d 图像测量的实验是在光具座上进行的，把面阵c c d 置于光路中心，且垂直于光 轴安装在精密导轨的支架上。光栅位移传感器的滑动标尺光栅与之相连。把面阵c c d 的像敏面移至e 。面，完成第一幅米字形光斑图案数据采集后把面阵c c d 移至e 。面。同 时读入位移量d ，再采集第二幅米字形光斑图案数据采集。计算机按照一定的计算方法 求得各光斑的空间坐标，并计算出像差的值。 2 2 2 哈特曼光阑设计 跟据被测透镜的焦距和相对孔径，选择合适的米字形光阑。光阑孔径m 一般为被 测透镜的焦距的孟赤。被测透镜的相对孔径较小时，光阑孔径m 值宜取下限， 以保正有足够的测量点构成像差曲线：反之，则取上限“1 。 2 2 3 截面e 1 和e 2 的位置受限分析 主要是确定前截面e 。距被测透镜焦点的距离d 。和后截面e 。距离被测透镜焦点的距 离d 2 应多远，两截面e 。和e 。的距离d = d 。+ d 2 在数量上多大。传统的照像法要求，前 截面e 。的截距取被测透镜焦距的去，后截面e ，的截距取被测透镜焦距的 。1 。而在面 ，) 阵c c d 测量情况下，它们受制于面阵c c d 的像敏面的大小，同时制约了测量光栅的刻 华中科技大学硕士学位论文 线阵列最小长度l m i n ；又要使米字形斑尽可能小而边界又清晰。 若被测透镜的相对孑l 径为号，面阵c c d 的像敏面的大小为h h ；则d t 。或d z 。， = h 去，l m i n = d 。；= 2h 吉。设h 为9 m m ，等为o 3 ，得d 。= 3 0 唧；d 一或d 。， f = 1 5 唧。由此可见，对较小的相对孔径的被测透镜，面阵c c d 的分辨率要求高，两截 面e 。和e ：的位置检测精度也要求高。 2 2 4 照明系统 照明系统由h e n e 激光器h 、倒置望远镜l 1 、l 2 组成。 h e n e 激光器用作照明光源，主要是与被测物镜的工作光源相匹配。h e n e 激光 器的频率稳定性高，相干性和方向性好，常用于精密测量、准直及全息照相等。c c d 器件的光谱响应范围为0 2 1 1um ，峰值响应多为o 5 5um 。与照明光源的波长很接 近。 h 一激光器l l1 2 一透镜 图2 4 高斯光束准直扩束 激光器输出的激光束既不是均匀球面波，也不是均匀平面波。倒置望远镜用来对 h e n e 激光器的高斯光束准直扩束，获得均匀平面波。 2 3 光栅位移装置 当测量球差时，面阵c c d 由第一个截面移至第二个截面，光栅位移传感器测量出 两个截面的距离，即测出光栅莫尔条纹移动的数量。 莫尔条纹在计量方面的特性“”： 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 莫尔条纹与运动方向的关系 光栅移动一个栅距w，莫尔条纹移动一个条纹间距b，因此光栅移动的距离x=nw； 当光栅改变移动方向，莫尔条纹移动也随之改变移动方向。可通过测量莫尔条纹的数目和移动方向，来判别光栅移动的距离和方向，实现可逆计数的目的。 ( 2 ) 莫尔条纹的间距b 与光栅栅距w 的关系 莫尔条纹与光栅 晏掣劣蟹翌盎郛箅衙鲥蜊；甜鳓漂挚爹2 囊鬻。掣型养端省妊嚣粼群警薷g 沼 彤：厉”i 8 攮；摹。羹8 ；2 9 t 尉托孵福翮矧甜3 瀚穗茶曝爆凛4 丽齄氆氧；每僻甬 噜准瘸噶给媸攫圆惑委型托捌掣全= 虹。 ；! 黼型蓦磁趔塑始鞠动d 舅确 强菇鬃纛 鞠繇酗鲥苗舀酾雒昭稚阮鞯蛙翟鬟必! 举赤鹱蚕荤蛹一利“凳鞣； 毕虎蝽浸囊慧丽 指示光栅间的间隙6 可按小间隙工作，6 = ( 3 5 ) w 。也 可按大间隙工作，取6 ：辈。通常在小间隙使时取6 ：o 0 2 o 0 5 m ：在大间隙使时 取6= 0 5 2 o 姗。本系统在偏差允许范围内和安装方便，取大间隙6 = 1 0 哪。 ( 5) 莫尔条纹的问距b 与e 角。根据k = 参m 吉，四象限硅光电池两极间距 2 5 m m 。通常可调至b = 2 5 m m ，w = o 0 2 m m ( 5 0 线r n m ) ， o ：兰：塑 里：2 7 5 ，。 口25 珊聊 3 1 4 3 2 放大整形、细分和判向电路设计 莫尔条纹具有平均误差和放大作用，而且光栅栅线和莫尔条纹之间具有数量和方 向上 的对应关系。当标尺光栅相对于指示光栅作左右移动时，莫尔条纹也在作上下移动。莫尔条纹移动的方向近似地与光栅移动的方向垂直。利用光敏元件得到与明暗条 纹相对应的周期性电压信号，再经放大、变换整形即可得到计数脉冲。由于脉冲数是 表示指示光栅所移动的条纹数，e 。和e ：截面间的距离d 等于面阵c c d 从e 】截面移至e 。 截面的位移量，所以d = n w ，n 是移动过的栅距数，d 与光栅栅距w 成正比。知道光栅 华中科技大学硕士学位论文 新的领域。它具有光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、结构 简单、寿命长、性能稳定等优点，故在固体图像传感器、信息存贮和处理等方面得到 了广泛的应用。c c d 图像传感器能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直 观、真实、多层次的内容丰富的可视图像信息，被广泛应用于军事、天文、医疗、广 播、电视、传真通信以及工业检测和自动控制系统。 一个完整的c c d 器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电 路组成，如图2 7 所示。c c d 工作时，在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行 取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少。取样结束后各光敏元电荷由转移栅 转移到移位寄存器的相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次 转移到输出端。将输出信号接到示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备中， 就可对信号再现或进行存储处理。由于c c d 光敏元可做得很小，所以它的图象分辨率 很高【3 l 。 如 图2 7 面阵c c d 框图 面阵c c d 采用日本m 盯e c 的产品w a t - 9 0 2 h ，w a l 二9 0 2 h 是在低照度黑白摄象 机里最优秀的品牌之一，其最低照度达到o 0 0 0 3 l u x 星光级水准，即使在只有微弱光 线的环境下效果也非常清晰。而且他的体积极其小巧可适用于任何环境。性能指标如 下： 华中科技大学硕士学位论文 型号：w 蛆二9 0 3 h ( e i a )生产商：日本w a t e c 系统：e i c c i r 分辨率：5 7 0 线 最低照度：0 0 0 0 3 l u x f 1 2 夜视型 扫描系统：p a l 标准：6 2 5 线，5 0 帧，秒 摄像器件：1 2 ”s o n yi n t c r l i n ec c d 像 数：8 1 1 ( h ) x5 0 8 ( v ) 像元：8 4 u m ( h ) x 9 8 p m ( v ) 同步系统：内同步 视频幅度：v b s1 0 v p p ( 1 7 5 欧姆复合视频信号) 信噪比：4 6 d b ( a g c o f f ) 自动动增益控制( d b ) h i 曲：5 5 0l o w ：5 3 2 灰度特性：y _ o 4 5 电子快门：( s ) 固定电子快门：o f f ( 1 5 0 ) 自动电子快门：e i ( 1 5 0 1 1 0 0 ，0 0 0 s e c ) 自动光圈控制：v i d e o 接口方式：c s 工作电压：d c + 1 2 v 1 0 工作电流( r r a ) ：1 6 0 储存温度( ) ：一3 0 计7 0 工作温度( ) ：一1 0 计4 0 外部尺寸w h l ( m m ) ：3 5 5 3 6 5 8 重量( g ) ：9 0 2 4 2 图象数据采集卡 c c d 面阵图象摄像机通过图象采集卡将视频信号实时送入计算机。c c d 图像数据采 集卡根据计算机总线接口可分三类：基于a t 总线，基于p c i 总线，基于u s b 。随着计 华中科技大学硕士学位论文 的软硬件中断处理，在向内存采集图像的同时，c p u 可以独立作其它图像处理工作，这 种图像采集与c p u 图像处理的分享总线技术为并行图像处理提供了技术基础，使c p u 获得了大量的时间用于处理。 由于通过高速p c i 总线可实现直接采集图像到v g a 显存或主机系统内存，而不必 象传统a t 总线的采集卡必须自带帧存。这不仅可以使图像直接采集到v g a ，实现单屏 工作方式，而且可以利用p c 机内存的可扩展性，实现所需数量的序列图像逐帧连续采 集，进行序列图像处理分析。此外，由于图像可直接采集到主机内存，图像处理可直 接在内存中进行，因此图像处理的速度随c p u 速度的不断提高而得到提高，因而使得 到对主机内存的图像进行并行实时处理成为可能。 o k 系列图像卡支持即插即用标准。寄存器可任意地址映射，可避免硬件。全3 2 位驱动器软件支持w i n 9 5 9 8 w i n m e w i n n t 4 w i n 2 0 0 0 w i n x p 本系统采用的o k 系列图像卡型号为0 k m c l o a ；0 k m c l o a 是基于p c i 总线，采集 彩色黑自信号的四路选一的采集卡。对四路不同步的视频信号可以实现快速切换。是 o k 系列的二代产品，是0 k m c l 0 的改进型。该卡适用于工业监控和多媒体的压缩处理 等研究开发和工程应用领域。o k m c l 0 a 卡的识别码是4 2 1 0 。 华中科技大学硕士学位论文 3 2 1 放大整形电路设计 图3 2 放大整形、细分和判向电路 1 7 华中科技大学硕士学位论文 3 2 2 细分电路设计 决定光栅位置测量精度高低的主要因素是每毫米内光栅的条纹数，条纹数越多， 则精度越高。高分辨率的光栅尺一般造价较贵，且制造困难。细分技术可在不增加光 栅刻线数( 线数越多，制造难度越大，成本越昂贵) 的情况下，提高光敏元件的分辨 能力。由分析可知，两光栅相对移动一个栅距，莫尔条纹移动一个宽度b ，光敏元件的 输出变化一个电周期2n ，若将该电信号直接计数的话，则光敏元件的分辨率只有一个 栅距的大小。为了能够分辨比一个栅距更小的位移量，采用了四倍频细分电路，该电 路能在一个栅距内，等间隔地分出四个计数脉冲，即使得计数脉冲的频率提高了四倍， 提高测量的分辨能力；现栅距为o 0 l 姗，细分后光敏元件能分辨o 0 0 2 5 m m 的位移，即， 面阵c c d 的位移精度提高到了um 极。这对于面阵c c d 的位移控制来讲已经达到了很高的 精高。 为了提高系统分辨率，需要对莫尔条纹进行细分，为记录光栅上移过的条纹数目 和判断光栅的移动率等，传感器中采用4 极硅光电池来接收莫尔条纹信号。调整莫尔 条纹的宽度b ，使他正好与4 个硅光电池的宽度相同。则可直接获得在相位上依次相差 9 0 。的4 路信号，即进行4 倍细分。如图3 4 所示。 凳孳长蛀 # 稿夯翱 指示光栅的移动方向 图3 4 莫尔条纹细分原理 龙电成博 3 2 3 判向电路设计 位移除了有大小的属性外，还具有方向的属性。为了辨别标尺光栅位移的方向， 仅靠一个光敏元件输出一个信号是不行的。必须有2 个以上的信号根据他们的相位不 同来判断位移方向。因此，本设计采用的是4 个硅光电池来接收莫尔条纹信号，则输 1 9 华中科技大学硕士学位论文 出的4 蹯佰号在相位上依次相差9 0 。，w 一光栅的栅距，x 一标尺光栅位移量。 标尺光栅左移时，4 个硅光电池输出的4 路信号：u a _ u o + u m s i n ( 等x ) u b = u 0 + u m s i n ( 等朋o 。) = u 0 + u m c o s ( 等x ) u c - u 0 + u m s i n ( 等川8 0 0 ) _ u 0 _ u m s i n ( 等x ) u 删。+ u m s i n ( 等川7 0 。) = m c 0 s ( 等x )标尺光栅右移时，4 个硅光电池输出的4 路信号： u a _ u 0 + u m s i n ( 等川7 = u 0 一u m c 0 。i 囊蓄i 塞i 嚣幽黼l 攀弱j 割一燮蘼：i 蠢莹i囊= 懑强l 攀j 粪攀孵麓灞g 滋i 雾孽；i 燃蘸麓! 霎t ； 最到掣岩箬雇醛衙烈髂崩覆娶雀军高g i 削烈；铡醚捉繇一i 。态鐾；轰i l；瓣g； i剖凹挟鄢避粤憾嘲每朔蠛鲑霪蠹菰萎羹习-笔；鲡天l程融；滋|磺爝币颦琊苑 番子剥帚幕削新蒯笨套艋拾辅搿舔岁螽翌企；霎浏娶鞠骤攀；蔓窬裂笨翟釜氍斟孽兰e；i ir g b 分 量输入，模拟解码器输入。可实现双逐行显示屏的带帧存卡，快速切换的多路采集卡。 北京嘉恒中自图像技术有限公司的基于p c i 总线的0 k 系列图像卡，o k系列图象卡运用了高精度g e nl 0 c k 技术和线性位技术，所采集的图像点阵位置精度 高，a d 转换 后的数字视频信号误差小，采集点的抖动( p i x dj i t t e r ) 不大于 0 5 ，高分辨率卡 可大1 n s ，传输速度最高可达1 3 2 m h z ，由于采用了匹配式的高速传输 x 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 比较器l m 3 3 9 输出v b 高电平，打开相应0 。的与门，微分电路输出的微分信号 v a 通过o 。的与或非门产生一个加一计数脉冲； ( 2 ) 比较器l m 3 3 9 输出v a 高电平，打开相应9 0 。的与门，微分电路输出的微分信号 v a 通过9 0 。的与或非门产生一个加一计数脉冲； ( 3 ) 比较器l m 3 3 9 输出v d 高电平，打开相应1 8 0 。的与门，微分电路输出的微分信 号v c 通过1 8 0 。的与或非门产生一个加一计数脉冲； ( 4 ) 比较器l m 3 3 9 输出v c 高电平，打开相应2 7 0 。的与门，微分电路输出的微分信 号v b 通过2 7 0 。的与或非门产生一个加一计数脉冲； 在上移一个莫尔条纹周期中，四极硅光电池通过辨向电路输出四个加法计数脉 冲。 当莫尔条纹下移时，另组与或非门工作，4 个硅光电池输出信号u d ，u c 和u b ，u a 相位反向依次相差9 0 。； 工作过程是： ( 1 ) 比较器l m 3 3 9 输出v c 高电平，打开相应o 。的与门，微分电路输出的微分信号 v d 通过o 。的与或非门产生一个减一计数脉冲； ( 2 ) 比较器l m 3 3 9 输出v d 高电平，打开相应9 0 。的与门，微分电路输出的微分信号 v a 通过9 0 。的与或非门产生一个减一计数脉冲； ( 3 ) 比较器l m 3 3 9 输出v a 高电平，打开相应2 7 0 。的与门，微分电路输出的微分信 号v b 通过2 7 0 。的与或非门产生一个减一计数脉冲； ( 4 ) 比较器l m 3 3 9 输出v b 高电平，打开相应o 。的与门，微分电路输出的微分信号 v c 通过o 。的与或非门产生一个减一计数脉冲； 在下移一个莫尔条纹周期中，四极硅光电池通过辨向电路输出四个减法计数脉冲。 3 2 4 硅光电池的选择 硅光电池的受光面积大，光照特性线性度好，光能利用率高：频率响应较高，响 应时间一般为1 0 1 0 1 。输出信号幅度通常在2 0 1 0 0 m v 中，硅光电池在使用时不需 外加偏压。光谱响应范围较宽，大约为4 0 0 1 0 0 0 n m ，峰值响应在8 5 0 n m 附近，可应用 于可见光区和近红外波段。 华中科技大学硕士学位论文 硅光电池光照特性 0 1 0 02 0 03 0 00 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 一s 一0 6 龟l n 3 x q 裂 每t 晶 o o o l z4 ” i ，1 a 0 5 e q 硅光电池的伏安特性曲线 c f 硅光电池等效电路 硅光电池零伏信置电路 图3 5 硅光电池的特性及电路 由硅光电池的光照特性，硅光电池的短路电流i s c 与光照度成线性关系：光电池 用于测量时，利用这一线性关系，电路应满足短路条件。外接载电阻r 。相对于光电池 内电阻r d 很小。如图3 5 所示，零伏偏置电路就是工作在短路状态，放大器的输入电 阻为 r ! ( 3 一1 ) 月， 1 + a 当a 。一1 0 4 ，r ，= 1 0 k q 时，r i lq r d 。c ，对高频噪声进行1 0 0 负反馈，降低 噪声输出。放大器的输出电压为 该电路线性好，输出光流大，信噪比好，适用于辐射测量。 运算放大器采用l m 3 5 3 ，5 v 供电；由极性变换电路将+ 5 v 电源变换为一5 v 电源。 i c l 7 6 6 0 是一种变极性d c d c 变换器。它静态电流小、转换效率高、外围电路简单。 如图3 6 所示： 华中科技大学硕士学位论文 l 8 2 暑 t p 一 3 昌6 45 图3 6d c d c 变换器电路 系统选用四象限硅光电池的受光面积l o 5 m m 2 ，每象限2 5 眦，莫尔条纹的间距 3 2 5 可逆脉冲计数电路设计 图3 7 可逆脉冲计数电路 为测量e 。和e 。截面间的距离d ，面阵c c d 或标尺光栅左位移到e 。截面，然后右位移 到e 。截面；或者反之。位移为矢量，有方向和大小，判向电路输出的加法和减法计数 华中科技大学硕士学位论文 脉冲表示位移的方向和大小。可逆脉冲计数电路根据加法和减法脉冲累积位移大小和 方向；假设e - 和e ：截面间的距离d ，光栅传感器栅距为w ，细分数为4 ，则计数脉冲累积 数为n 。 n = 旦4( 3 3 ) 若w = o 0 5 哪( 2 5 线哪) ，d = 1 5 0 m m ，n = 1 2 0 0 0 。可逆脉冲计数电路需要1 6 位即2 字节长；由于7 4 l s l 9 3 是4 位二进制输出，把四片7 4 l s1 9 3 采用了级联的方式，电路 见图3 7 。这样最多可计6 5 5 3 5 个脉冲。 放大整形、细分和判向电路输出苻合t 孔电平的脉冲信号，可逆脉冲计数电路将 串行脉冲变换成1 6 位的并行二进制数字信号；最后通过p c 计算机i o 接口卡送入计 算机，参加求像差的运算。 3 3 计算机输入输出接口电路 p c 计算机接口卡采用研华科技的工业级i o 数据采集卡，型号p c i 1 7 1 0 l b 。可 以实现1 6 路1 2 b i t 模拟量数据采集，1 6 b i t 数字量输入和1 6 b i t 数字量输出。它是高 性能多功能板卡。其功能框图如图3 8 所示。p c i 1 7 l ol b 数据采集卡将可逆脉冲计 数电路输出的1 6 位的并行二进制数字信号送入计算机。 p c i 1 7 1 0 数据采集卡的性能： ( 1 ) p c i _ b u s 数据传输 ( 2 ) 1 6 通道的单端或者8 通道的差动a d 输入。 ( 3 ) 1 2 位a d 的1 0 0 k h z 采样速率。 ( 4 ) 每一个输入通道可编程高增益。 ( 5 ) 板上4 k b 的f i f o 缓冲存储器。 ( 6 ) 2 通道的d a 输出。 ( 7 ) 1 6 路数字量输入。 ( 8 ) 1 6 路数字量输出。 ( 9 ) 可编程计数定时器。 ( 1 0 ) 通道或增益自动搜索。 华中科技大学硕士学位论文 图3 8 研华科技的p c i 一1 7 1 0 l b 输入输出数据采集卡功能框图 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 文档类：一个c d o c u m e n t 派生对象，它存储和管理应用程序的数据，并把这 些信息提供给应用程序的其余部分。 ( 4 ) 视图类：基类c v i e w 的派生类，它与其父框架窗口用户区对齐。视图接受用 户对应用程序的输入，在窗口用户区中显示相关联的文档数据。 m f c 提供了一个w i n d o w s 应用程序开发模式，对程序的控制主要是由m f c 框架 完成的，而且m f c 也完成了大部分的功能，预定义或实现了许多事件和消息处理等等。 框架或者由其本身处理事件，不依赖程序员的代码；或者调用程序员的代码来处理应 用程序特定的事件。m f c 是c + + 类库，程序员就是通过使用、继承和扩展适当的类来 实现特定的目的。例如，继承时，应用程序特定的事件由程序员的派生类来处理，不 感兴趣的由基类处理。实现这种功能的基础是c + + 对继承的支持，对虚拟函数的支持， 以及m f c 实现的消息映射机制。 v i s u a lc + + 6 o 中m f c 对处理图像信息处理的编程支持甚少，没有与设备无关 ( d i b ) 的位图类。应用程序为处理c c d 采集的图像，在a p p w i z a r d 生成的应用程序框 架的基础上，定义并封装了一个与设备无关的位图类c d i b 。c d i b 具有存储图像信息的 数据成员和处理图像信息的函数成员，数据成员用于保存c c d 采集的图像信息，函数成 员为处理c c d 采集的图像信息的方法。位图类c d i b 的对象嵌入文档视框架中，由应 用程序框架进行调度和控制。 应用程序榧羹 图4 一l 应用程序框架结构示意 华中科技大学硕士学位论文 4 2 位图类c d i b 设计 诵n d o w s 用位图来显示和保存图像，位图即b m p 图像。b m p 图像的文件格式是 、v i n d o w s 环境中有关图像数据的一种标准，在w i n d o w s 环境中运行的图像都支持b m p 图像格式。位图实际上是一个像素阵列，像素阵列存储在一个字节数组中，每一像素的 位数可以是1 、4 8 或2 4 ，它们分别称为单色位图、1 6 色位图、2 5 6 色位图、真彩色位图。 位图又可分为依赖与设备的位图( d d b ) 和与设备无关的位图( d i b ) 。d d b 是一 种内部位图格式，它显示的图像依计算机显示系统的设置的不同而不同，只能被绘制 在与其自身匹配的视频系统上。d i b ( d e v i c e i n d e p e n t e n t b i t n l a p ) 是一种外部位图格式， d i b 可以在不同的机器或系统中显示位图所固有的图像。d i b 与设备无关性主要体现 在：d i b 的颜色模式与设备无关。一个2 5 6 色的d i b 既可以在真彩色显示模式下使用， 也可以在1 6 色显示模式下使用。d i b 与设备无关性奥妙在于2 5 6 色以下的d i b 拥有自 己的颜色表，像素的颜色独立于系统调色板。 像差测量系统的图像处理均是二值图像，灰度值在0 2 5 5 之间。像素的颜色只能 由自己的颜色表决定。其位图图像格式只能是d i b 。s u a lc + + 6 om f c 类库中没有一 个支持d i b 位图的类。为此要定义一个能封装d i b 位图基本操作的类c d i b 。 类c d i b 定义并封装相关的数据成员和函数成员，用几种结构体来存储图像的数据。 位图信息头结构b i t m a p i n f o h e a d e r 、颜色表结构r g b q u a 、三基色像素结构 r g b d a t a 。函数成员用一系列特定的操作来改变图像的像素，包括图像显示、图像变 换、图像识别、图像增强。 二值化成员函数：v o i dc d i b ：e r z h i h u a p a l e t t ( i n t ”z h i ) ： 门限判断梯度锐化函数：v o i dc d i b ：m e n x i a n m i h u a ( ) ： r o b e r t 边缘检测函数： v o i dc d i b ：r o b e n ( ) 二值图像的黑白点噪声滤波函数：v o i dc d i b ：h e i b a i f a r 忆h u a i l ( ) 4 3 数字图像处理 4 3 1 数字图像处理的理论基