摘要:基于CCD图像技术提出一种新的图像式显微自动调焦、瞄准系统,该系统实现了通用光学仪器及现代数字化仪器中自动调焦与图像瞄准,解决了这类仪器自动化程度低,瞄准精度受人员主观影响大,劳动强度大,不易于微机等问题。给出了新系统的结构与原理,分析了系统实现的精度保证,并对新系统进行了实验研究.
1 引 言
通用光学仪器是几何量测试技术中应用较为广泛的测试仪器,它具有精度高、抗干扰能力强、长期稳定性好等优点。但这类仪器常常要对工件进行手动调焦及瞄准,其调节过程长,瞄准的精度受人员主观的影响较大。如万能工具显微镜系统,读数部分与瞄准部分的不确定度均为0.8μm左右,可见,瞄准误差在总误差中占有较大的比例。现代化的数字测量仪器常采用激光、光栅等技术,虽然仪器的测量精度、测量速度以及系统的自动化程度都得到了提高,但系统的瞄准部分仍采用原来的光学瞄准方法,瞄准速度与瞄准精度仍未得到提高。
因此,解决通用光学仪器及现代化数字仪器的调焦与瞄准问题,从而进一步提高测量精度、测量速度及自动化程度,减轻操作人员的劳动强度是十分必要的。
本文基于CCD图像技术提出一种新的图像式显微自动调焦、瞄准系统,可解决上述问题,下面说明其结构及工作原理。
2 图像式显微自动调焦、瞄准系统的结构及原理
本文所提出的新系统采用了与万能工具显微镜主显微镜相类似的光学系统,是在主显微镜系统中的米字分划板处,沿成像光轴方向上安置一CCD摄像机,使其感光面垂直于光轴,这样物体表面或其轮廓投影就成像在CCD感光面上,再利用图像处理技术确定物体边缘的位置,即可达到对工件瞄准的目的。图像瞄准系统如图1所示。图中虚框部分主要由摄像机及光学成像系统组成,由于成像系统的焦距及像距固定,通过设计一个机械系统,使得虚框部分上下移动,找到满足物像关系的位置,从而实现瞄准系统的调焦。具体结构是:通过一级蜗轮一蜗杆机构和丝杠减速定位传动机构,利用步进电机作为驱动源,带动光学成像系统及CCD上下移动,实现调焦运动。步进电机每走一步则显微物镜系统相对于工件移动0.22μm,这个步长足以满足自动调焦的需要。步进电机通过接口电路与计算机相联。步进电机的控制采用数字量控制。选用单片机来控制步进电机,而单片机与计算机通过串行口来进行通讯,这样可以使步进电机控制与系统计算机分离。整个自动调焦过程如图2所示[1]。其大致过程是:先采集一幅图像,然后判别是否正焦,如果已正焦,则结束调焦过程。如果未正焦,则通过计算调焦评价函数,确定步进电机应走的步数并控制电机运行,然后,再采集一幅图像进行判别,如此循环,直至调焦结束。
3 自动调焦、瞄准系统的精度保证
下面从光学系统及照明系统、摄像机选样、数据处理方法、亚像素细分技术、机械系统设计及瞄准系统的标定几方面,讨论为保证系统的调焦瞄准精度而采取的措施。
①光学系统及照明系统
为消除或减少由于调焦不准确或物距变化对瞄准和测量的影响,成像系统选用了物方远心光路、由于CCD视场中照明的均匀性直接影响到边缘检测的结果,进而影响到瞄准的结果,所以,应保持视场照明的均匀性。为此,照明系统选用远心照明,使物面可获得均匀的照明。
②摄像机选择
CCD摄像机感光面的大小和像素的间距直接影响到瞄准的精度,CCD摄像机的灵敏度也应与像面的照度相匹配,同时,摄像机的信噪比应比较高。为此,选用分辨力较高的MTV 188lEX型摄像机。其像素间距约为8μm,可分辨的最低照度为0.02 lx,信噪比优于48dB。显微镜的照明光源采用的是白炽灯,其平均波长约为0.55μm,而CCD的光谱响应范围为0.4μm~1.1μm,峰值响应波长是0.9μm,因此,两者的光谱范围是相匹配的。
③数据处理方法
对于边缘的瞄准定位,一般不宜采用单点定位的方法,这主要是因为被测物体的边缘经过光学放大以后,局部常常会呈现出凸凹不平的形状。如果仅用单点进行定位,会产生较大的定位变动,影响瞄准精度。为此,采用曲线拟合的方法进行定位。如直线拟合、圆的拟合、椭圆拟合等。拟合的优点在于可大大减少图像噪声及被测件局部不规则对瞄准精度的影响。
④亚像素细分技术
如果成像系统的光学放大倍数为5倍,图像边缘检测的定位精度为一个像素,则瞄准的分辨力为1.6μm,这个精度常满足不了高精度测量的需要,为此必须采用方法简单可行的亚像素细分技术,本系统采用基于空间矩的亚像素细分技术[2],在照明较好的情况下,可实现10倍的细分。
⑤机械系统设计
从机械结构来看,用于调焦的导轨在垂直平面内的直线度误差小于图像瞄准显微镜的景深,因此,导轨的直线度误差不会影响图像的清晰度,即不会影响瞄准的结果。对于自动调焦系统的机械部分,由于制造误差和装配误差的存在;造成了传动系统的空程误差,即当电机转动时,物距并未发生变化,而是当电机转过一定步数后,系统才开始正式工作。一般来讲空程误差要累加到自动调焦误差中,如果不加以补偿,此项误差较大。解决的办法是利用电感测微仪测出机械系统的空程,并存于计算机中,判断运动方向后,即可对机械系统空程进行补偿。
③瞄准系统的标定
对于瞄准系统,采用的是双频激光干涉仪来给出标定件边缘的位移值,并用图像处理技术得到与标定件边缘所走过的位移相对应的像素间距关系式,实现对瞄准系统的标定。标定应在纵横两个方向进行。
4 自动调焦、瞄准系统的实验研究
4.1 调焦评价函数的选取
要解决自动调焦问题,很重要的一点是如何选取调焦函数作为调焦判别函数。调焦评价函数应该具有以下几个特性:(1)无偏性;(2)单峰性;(3)能反映离焦极性;(4)较高的信噪比;(5)计算量小。
调焦评价函数研究的实验过程为:首先控制步进电机移动图1中虚框部件,使显微镜视场中出现较清晰图像,然后继续下降一定步数,下降的步数应大于评价函数的单调范围。每隔一定步数采集一幅图像。在此过程中,图像从模糊到消晰再到模糊,每采集一幅图像,就计算出一个评价函数值,把计算结果作为纵坐标,把图像采集次数当作横坐标,画出各种调焦评价函数的调焦曲线。从这些调焦评价函数的调焦曲线可以看出,Variance函数具有较大的有效调焦范围,曲线的平滑性较好,抗干扰能力较强;适于大范围调焦。另外,由于它是计算像素灰度与平均值之差,故对电源电压波动干扰不敏感,这就为函数的实际应用提供了可能。Brenner函数具有较短运算时间,较窄的顶部宽度,适合于小范围精调焦。基于上述特点,确定先以Variance函数作为大范围调焦函数,待接近正焦时,换作Brenner函数作为精调焦函数;这样既可以保证本调焦系统具有较大的调焦范围,同时具有较高的调焦精度。下面给出Variance函数及Brenner调焦函数的调焦曲线,见图3、图4。
4.2 图像式瞄准系统的轮廓瞄准重复性精度测试
为研究本文所提出的图像式瞄准系统的瞄准精度,用图1所示的实验装置进行了瞄准实验,先选一薄的工件的直线边缘,使之位于CCD视场中,启动调焦程序对其进行自动调焦,然后选择一直线型电子准星对直线边缘进行边缘检测,这里采用CCD图像坐标系的原点到直线边缘的垂直距离作为边缘的位置。之所以采用此距离作为边缘的位置,是因为:①不是以被测件边缘上的一个点来确定边缘的位置,而是把所检测到的被测件的边缘点的坐标进行拟合,得到一直线作为其边缘位置。②在实际测量时,得到图像坐标原点至被测件两个边缘的距离后,两个距离之差就是被测尺寸。选一个量块的一个端面作为瞄准对象,重复上述过程,结果见表1所示。
由瞄准结果可知,本瞄准系统对薄零件的瞄准精度要高于对厚零件的瞄准精度。尽管这样,对厚零件的瞄准精度亦可达到0.3μm。在实际瞄准时,工件边缘可置于视场中的任何位置,不必像传统万能工具显微镜瞄准那样要对准同一个指标线,这是因为CCD瞄准系统测量前要进行标定,具体标定方法参见文献[1]。这一点亦是本系统的一个优点。
5 图像式瞄准系统的电子准星
由于图像瞄准的工件的形状及待测参数往往有较大的差异,因此为实现方便快速测量,瞄准系统就不可能仅有一种瞄准标志,为此,对待测参数进行了分析、归纳和总结,设计了功能完善的各种各样的电子准星。所谓电子准星就是根据被测件的形状及待测参数由计算机生成的轮廓操作标志。利用这些电子准星,可以快速地实现位移、长度、角度、任意曲线的有关参数、螺纹参数、圆弧半径、中心点的位置、点与点、点与线、线与线之间的距离等参数的测量。图5中的a图、b图、c图分别利用圆形、圆弧形及矩形电子准星瞄准不同的工件,只要用鼠标选中一电子准星,则准星立即叠加在被测量工件图像上,程序利用其边缘自动提取功能提取出被测轮廓的边缘点的坐标,进而计算出待测参数。操作方便、快速。各种电子准星既可以单独使用,也同以组合使用,由此可以构建出各种测量情形,大大增强了系统的适应性。
6 结 论
由实验结果可知,本文所提出的图像式显微自动调焦、瞄准系统的方案是可行的,可以实现轮廓测量的自动调焦、图像瞄准功能,对薄工件可实现0.18μm的瞄准精度,对于厚工件可达到0.30μm的瞄准精度,而自动调焦系统的分辨力可达0.22μm,从而解决了通用光学仪器及现代化数字仪器调焦、瞄准所存在的问题,该系统既可用于旧系统的改制,又可用于研制新型仪器,具有广泛的推广价值。
参考文献:
[1]王健民.二维图像测量机及图像式大尺寸弧长在线测量系统的研究[C].哈尔滨工业大学.博士学位论文, 1998.12
[2] Yvers E P L, Mitchell D R. Sub-pixel measurement using a moment-bases edge operator[J]. IEEE. Transactions on Pattern Analysis andMachine Intelligence. 1989 11(12):1293-1307
作者简介:王建民(1967-),男,黑龙江五常人,北京大学讲师,博士,从事图像测量、图像处理、数码相机研究。
