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测量显微镜是用于测量精密零件的长度和角度的仪器,广泛用于计量室,生产线及科学研究等部门。过去,测量显微镜一般由物镜和测微目镜组成,属于目视仪器的范畴,测量结果容易受到人为因素的影响。在数字成像技术普及以后,测微目镜被CCD相机取代,结合图像分析和数据处理,不但实现了测量自动化,而且提高了测量速度和精度。 测量原理 假设被测零件的长度为y,经物镜成像后的长度为y',物镜的放大倍数为β,那么存在以下关系:
根据几何光学,物镜放大倍数也可以表示为
其中f为物镜物方焦距,f’为像方焦距,且有f’=-f。x为焦物距,即物镜物方焦点到被测物体的距离。x’为焦像距,即物镜像方焦点到像的距离。将(2)代入(1)得到
由(3)可知,当物镜焦距确定后,被测长度值y取决于像的大小y’以及被测物体和CCD表面相对于物镜的位置。如果后者由于某些原因出现偏差,比如CCD安装位置误差或调焦误差(详见下节),就会导致实际放大率偏离理论放大率,从而导致测量误差,因为被测物体的大小是根据公式(1)中的理论放大倍数计算出来的。所谓理论放大倍数是测量显微物镜的主要性能参数之一,通常刻在物镜筒身上,比如1X,0.5X等字样。 物方远心光路 为了保证被测物体清晰地成像在CCD表面,需要改变被测物体到测量显微镜之间的距离,直到得到清晰的像为止,这个过程称为调焦。 调焦可以有手动调焦和自动调焦,但不管采用哪种方式都存在调焦误差。见图1,红色实线表示正确的物像位置,蓝色实线表示存在调焦误差时的情形。对于普通显微物镜来说,蓝色光束的主光线(通过孔径光阑中心的光线,代表光束中心)的方向相对于红色光束的主光线发生了改变,和CCD表面的交点由A’跑到了B’,也就是说测得的像的大小发生了改变,实际放大率不等于理论放大率,从而造成了测量误差。
图1. 普通物镜 采用物方远心光路能够消除调焦误差引起的测量误差。见图2,孔径光阑放置在物镜像方焦平面上,入瞳在物方无穷远,物方主光线始终与光轴平行。无论被测物体位置如何改变,出射光束的主光线方向始终不变。即使存在调焦误差,CCD上的像仅改变清晰度,而不改变大小。因此物方远心光路不产生放大率误差引起的测量误差。当然,由于光阑外移,轴外像差变大,物镜的结构趋于复杂,价格远高于普通物镜。
图2. 物方远心光路 测量显微镜的校准 虽然物方远心光路能够消除调焦误差带来的测量误差,但是CCD位置误差仍然会引起测量误差,因此测量显微镜使用之前必须经过校准。通常用直尺作为标,如图3所示,首先测量出直尺像的某段长度(比如从-5mm—5mm)所占据的CCD像素的个数,乘以像素的大小,再除以物镜的理论放大率,便得到了直尺的某段长度的测量值。 该测量值应该等于10mm,但是由于CCD位置误差,测量值往往不等于10mm,比如可能是10.1mm。多余的0.1mm就是系统误差,以后每次测量结果都要减去 0.1mm。或者调整CCD的位置后再次进行校准,直到测量值等于或接近10mm。
图3. 校准分划板,1“ X1”,格值100µm。 由于直尺的刻线有一定宽度,其像的宽度往往大于一个CCD像素,在确定两条刻线之间的CCD像素的个数时往往受到人为因素的影响,从而造成偶然误差。为此我们采用图4所示的标准图案来代替直尺进行校准,其优点是借助MATLAB图像处理工具包自动识别图形并计算出图案的大小,避免了人为因素的影响。已知标准图案为4x4mm的黑白正方形,测量使用的是Edmund 0.9X CobaltTL 远心镜头(产品号 62901),记录使用的是AVT CCD的相机,像素大小为5.5x5.5µm,测试过程的细节参考视频1: 视频1测试细节 使用视频1的系统的相机拍摄的图像如图5所示。然后对图5进行计算机图像处理,用MATLAB编写的程序代码见附录。程序第一段是读入图像并显示。第二段是将灰度图像转换成如图6所示的二值(黑白)图像。第三段第一行的函数regionprops() 对每个白色区域的面积,重心和边界框进行统计,统计结果见图7。其中面积以像素的个数来表示,重心以x,y坐标表示,边界框用4个数值表示,第一,二个数值是矩形左上角的x,y坐标,第三,四个数值分别是矩形的宽度和高度,以像素的个数表示。 然后给每个白色区域打上标签,如图8所示,可见一共有10个白色区域。容易看出只有4,5,7三个矩形是完整的,因此第四段第一句是筛选出这三个矩形,其余矩形不予考虑。第二句是提取这三个矩形的边界框的数据,并将它们写入二维数组BoundingBoxes。从图7可以看出,第4,5,7三个矩形的宽度和高度均等于660个像素。最后一句是计算3个正方形边长的平均值,为660个像素,乘以CCD像素大小0.0055mm,再除以理论放大率0.9,得到正方形边长的测量值为4.033mm,比标准值大了0.033mm。在以后的测量中,需要将测量值减去0.033mm。
图4. 标准图案
图5. 标准图案的原始图像
图6. 二值图像
图7. 10个白色区域的面积,重心,边界框数据列表
图8. 打了标签的原图 结语 本文介绍了测量显微镜的工作原理及测量误差的主要来源─放大率误差,而放大率误差主要来自于调焦误差和CCD表面相对于物镜的位置误差。采用物方远心光路,即将孔径光阑置于物镜像方焦平面上能够有效地消除调焦误差导致的测量误差。用直尺或标准图案进行放大率校准则能够测出实际放大率和理论放大率之间的偏差,用以补偿CCD位置误差造成的测量误差。本文介绍了如何用标准图案和MATLAB强大的图像处理工具包测量实际放大率,并分享了程序代码。 附录:MATLAB图像处理程序代码 beta = 0.9; % magnification px = 0.0055; % CCD pixel size (mm) I=imread('checkerboard.bmp','bmp'); figure(1) imshow(I) title('Original image') bw = imbinarize(I,0.3); figure(2) imshow(bw) title('Binary image') stats = regionprops('table',bw,'Area','Centroid','BoundingBox') n = size(stats,1); centroids = cat(1,stats.Centroid); position = round(centroids); RGB = insertText(I,position,1:n,'FontSize',50,'AnchorPoint','Center'); figure(3) imshow(RGB) title('Labelled image') % filter out smaller boxes idx = find([stats.Area] > 400000); % extract the data for the square boxes boundingBoxes = cat(1,stats(idx,:).BoundingBox); % calculate the size of the square boxes mean(mean(boundingBoxes(:,3:4)))*px/beta 审核编辑:刘清 声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉 CCD CCD +关注关注 32文章 845浏览量 141498 图像处理器 图像处理器 +关注关注 1文章 97浏览量 15354 显微镜 显微镜 +关注关注 0文章 476浏览量 22689 MATLAB仿真 MATLAB仿真 +关注关注 4文章 175浏览量 19705 CCD相机 CCD相机 +关注关注 0文章 21浏览量 9934原文标题:数字成像测量显微镜的放大率误差及校准 文章出处:【微信号:bdtdsj,微信公众号:中科院半导体所】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。 收藏 人收藏扫一扫,分享给好友 复制链接分享 评论发布评论请先 登录 相关推荐 体视显微镜—上海应捷 ),因此成像具有三维立体感; 2. 像是直立的,便于操作和解剖,这是由于在目镜下方的棱镜把像倒转过来的缘故; 3. 虽然放大率不如常规显微镜,但其工作距离很长 4. 焦深大,便于观察被检物体的全 发表于 07-07 09:33 立体显微镜—上海应捷 立体显微镜—上海应捷上海应捷仪器有限公司是集光学仪器、仪器配件、及计算机图像处理软件和显微镜测量软件等的研发、生产、销售、服务为一体的企业。拥有光机电领域技术与产品的成套开发 发表于 07-07 09:35 检测显微镜—上海应捷 检测显微镜—上海应捷检测显微镜在观察物体时能产生正立的三维空间影像。立体感强,成像清晰和宽阔,又具有长工作距离,并是适用范围非常广泛的常规显微镜。落射式同轴照明视频 发表于 07-07 09:36 [分享]XDS2C电脑型倒置生物显微镜 首页->产品->生物显微镜->电脑生物显微镜 XDS1C电脑型倒置生物显微镜 XDS1D数码型倒置生物显微镜 一、仪器 发表于 10-19 12:12 金属焊接溶深测量检测技术-显微镜检测技术 显微镜系统及平面影像测量系统。该系统可以对焊接产品的对接,交接,搭接和T型焊接部分的熔深情况进行成像,编辑,测量,数据导出,及报告打印等。特别是: 汽车工装夹具模具、汽车检具、熔焊检测 发表于 04-01 10:09 金属焊接溶深焊缝测量检测技术-显微镜检测技术 显微镜系统及平面影像测量系统。该系统可以对焊接产品的对接,交接,搭接和T型焊接部分的熔深情况进行成像,编辑,测量,数据导出,及报告打印等。特别是: 汽车工装夹具模具、汽车检具、熔焊检测 发表于 04-11 11:47 揭秘:显微镜的加速技术 了扫描隧道显微镜,可以拍摄表面单个原子图像,它速度至少比现有显微镜的速度快100倍。扫描隧道显微镜可以使用量子穿越隧道或电子通过隧道穿越障碍的能力,测量针型探测器和一个传导表面之间的距 发表于 06-19 17:22 选购显微镜的一些常见问题 可以方便的连接视屏和计算机进行实时和静动态的图像观察、保存和编辑、打印结合各种软件能进行更专业的金相、测量、互动教学领域的需要。倒置金相显微镜利用光学平面成像的方法,对各种金属和合金的组织结构进行鉴别 发表于 08-31 10:23 Cyclops Micro高清数字显微镜 双筒显微镜已成为过去!Aven Cyclops 单筒数字显微镜 (243-1349-ND) 具有 1080p HDMI 输出,使技术人员可以在自己的监视器上轻松地对标志、焊点和 PCB 进行光学检查 发表于 10-31 15:48 显微镜的成像原理图 显微镜成像原理图我知道目镜的作用相当于放大镜,但放大镜成的像是物相同侧而显微镜当中的物镜将物体放大 发表于 07-24 08:18 显微镜倍率如何计算? 摄像目镜放大率X数字放大率这公式对于任何一台显微镜都合适,无论是金相显微镜,生物显微镜等等。北京 发表于 02-06 13:09 如何计算显微镜的放大倍数 :648倍.那数码放大倍数范围就是100.8倍到648倍。 这样的话就会出现两个公式:1、光学总放大倍率=目镜的倍率X物镜放大倍率2、数字总放大 发表于 02-11 09:57 显微镜分析经验---放大倍率计算 乘2乘1乘72等于:648倍.那数码放大倍数范围就是100.8倍到648倍。 这样的话就会出现两个公式:1、光学总放大倍率=目镜的倍率X物镜放大倍率2、数字总 发表于 03-23 13:59 显微镜放大倍数是怎么得出来的? zui大倍率为:4.5乘2乘1乘72等于:648倍.那数码放大倍数范围就是100.8倍到648倍。 这样的话就会出现两个公式:1、光学总放大倍率=目镜的倍率X物镜放大倍率2、数字总 发表于 04-26 14:57 为什么激光共聚焦显微镜成像质量更好? (镜头的放大倍数),使成像更清晰细致。 **3、激光共聚焦显微镜使用的是探测元件是高灵敏度的光电倍增管,对微弱的荧光信号可以呈现出很高的灵敏度,并且还可以通过缩小激发范围并使用光学切片来消除背景噪声 发表于 08-22 15:19 |
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