薛 媛,陳青山,劉力雙,呂 勇
(北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京100192)
顯微模板常用于機(jī)器視覺、視覺測(cè)量、三維重建等領(lǐng)域,主要用于校正顯微系統(tǒng)鏡頭畸變,確定空間物體與圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的相互關(guān)系,以及確定空間物理尺寸和像素間的相互關(guān)系[1-4]。視覺測(cè)量所使用的模板一般分為一維標(biāo)定板、平面標(biāo)定板和三維標(biāo)定板3種,對(duì)于顯微視覺測(cè)量,由于顯微鏡放大倍率高、視場(chǎng)小、景深淺[5]等特點(diǎn),一般選用平面顯微模板。顯微模板要求精度較高,一般通過光刻技術(shù)和濕法刻蝕技術(shù)制作,其精度主要表現(xiàn)為模板上刻度線的位置精度。目前常用模板圖案有棋盤格、圓形點(diǎn)陣和相交線段等。在測(cè)量精密元器件的顯微視覺系統(tǒng)中,例如光纖陣列測(cè)量系統(tǒng)中[6],顯微模板可以用作實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)量,標(biāo)定系統(tǒng)放大倍率和畸變等,同時(shí)為圖像處理過程提供輔助特征。很大程度上,系統(tǒng)測(cè)量精度取決于顯微模板的精度,即顯微模板上刻度線的位置與間距的精度,因此有必要對(duì)顯微模板進(jìn)行精密測(cè)量。顯微模板上特征要素尺度小,加工精度高,一般直接按照加工精度使用,例如用來標(biāo)定攝影測(cè)量或者機(jī)器視覺系統(tǒng),對(duì)顯微模板特征線尺寸及位置精度的標(biāo)定方面的研究報(bào)道很少[7-8]。雙頻激光干涉儀具有測(cè)量精度高、非接觸、測(cè)量速度快、測(cè)量范圍大、分辨率高等優(yōu)點(diǎn),可以完成超高精度(nm級(jí))的位移精密測(cè)量[9-11]。本文介紹一種基于雙頻激光干涉儀的顯微模板精密測(cè)量系統(tǒng)和方法,采用顯微視覺系統(tǒng)捕獲刻度線圖像,借助骨架化和腐蝕算法實(shí)現(xiàn)刻度線提取,用質(zhì)心法完成刻度線中心定位,從而實(shí)現(xiàn)高精度瞄準(zhǔn)。
被測(cè)顯微模板用于光纖陣列纖芯距精密測(cè)量[12]。其作用包括:1)提供測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)量,標(biāo)準(zhǔn)量體現(xiàn)為模板上精密刻度的刻度線間隔;2)提供輔助圖像特征,以便通過圖像拼接算法還原整個(gè)光纖陣列的端面信息,同時(shí)可以校正掃描測(cè)量光纖陣列時(shí)微位移平臺(tái)的微小偏轉(zhuǎn)量。在基于顯微視覺的光纖陣列掃描測(cè)量過程中,光纖陣列端面與顯微模板貼合,由CCD依次采集經(jīng)過放大的顯微圖像,每幅圖像中包括相鄰2個(gè)纖芯端面和來自顯微模板的輔助刻度線,其中第1個(gè)纖芯即為上一幅圖像中的第2個(gè)纖芯。因?yàn)閽呙栉⑽灰破脚_(tái)并非嚴(yán)格地沿著直線運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致連續(xù)采集幅圖像的坐標(biāo)并不統(tǒng)一。為了精確獲取被測(cè)光纖陣列纖芯距信息,如圖1所示,就必須將依次采集的所有圖像進(jìn)行拼接,形成包含所有被測(cè)纖芯的整幅圖像,進(jìn)而通過目標(biāo)識(shí)別與信息提取,計(jì)算被測(cè)光纖陣列的纖芯距。
圖1 顯微模板的使用過程Fig.1 Splicing of scanned images
為實(shí)現(xiàn)上述目的,所設(shè)計(jì)的顯微模板圖形及實(shí)物見圖2(a)和2(b),所需圖形特征通過微納米光刻工藝加工而成。用于提供測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的刻度線位于模板上半部,橫向長(zhǎng)實(shí)線為標(biāo)志線,縱向短實(shí)線為刻度線。因基于V型槽的光纖陣列兩根纖芯之間的理論距離應(yīng)為127μm(250μm)[13-14],顯微模板標(biāo)志線上的刻度線之間的距離設(shè)計(jì)為127μm。光纖陣列在實(shí)際使用時(shí),常用4、8、16、32、64等不同通道數(shù),因此在模板上加工了64條刻度線,可用于測(cè)量64通道以下的光纖陣列。模板下半部分是一個(gè)圓形點(diǎn)陣,用于對(duì)顯微系統(tǒng)相差進(jìn)行標(biāo)定。
圖2 顯微模板Fig.2 Microscopic module
由上述可知,顯微視覺系統(tǒng)對(duì)光纖陣列的測(cè)量精度取決于顯微模板刻度線的尺寸與位置精度,因此有必要對(duì)顯微模板上的刻度線間距進(jìn)行精密標(biāo)定。因顯微模板上刻度線微小、易劃傷,宜采用非接觸光學(xué)瞄準(zhǔn)完成測(cè)量。又因?yàn)闇y(cè)量要求精度高,所以選用雙頻激光干涉儀來測(cè)量顯微模板刻度線間距,如圖3所示。系統(tǒng)主要由光學(xué)氣浮隔震實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、雙頻激光干涉儀、顯微視覺模塊、微位移運(yùn)動(dòng)模塊以及圖像處理軟件模塊組成。其中,顯微視覺模塊由顯微鏡、CCD攝像頭、圖像采集卡、顯微模板、顯微模板夾具組成;微位移運(yùn)動(dòng)模塊由Newport的運(yùn)動(dòng)控制器esp300和調(diào)焦模塊組成;圖像處理由 MATLAB圖像處理軟件完成。系統(tǒng)使用的雙頻激光干涉儀是普銳科創(chuàng)科技有限責(zé)任公司的PT-1001B,工作距離5m,位移分辨率為1nm,系統(tǒng)精度為1μm/m(配合1316A/1317A傳感器);顯微鏡采用日本OLYMPUS公司的CX31生物顯微鏡;CCD型號(hào)是高分辨率數(shù)字?jǐn)z像機(jī) MVC3000,最大幅面為2 048像素×1 536像素,像元尺寸為3.2μm×3.2μm。
圖3 顯微模板測(cè)量系統(tǒng)Fig.3 Experimental system for measuring microscopic module
微位移平臺(tái)承載顯微模板、模板夾具以及雙頻激光干涉系統(tǒng)的測(cè)量反射鏡一起運(yùn)動(dòng),采用顯微視覺系統(tǒng)進(jìn)行瞄準(zhǔn),如圖4所示。顯微視覺軟件平臺(tái)在實(shí)時(shí)圖像上提供十字指示線,可用于刻度線對(duì)準(zhǔn)。但由于微位移平臺(tái)最小運(yùn)動(dòng)步距為0.5μm,測(cè)量過程中無法實(shí)現(xiàn)刻度線圖像邊沿或者中心與十字指示線的完全重合,因此需要通過圖像計(jì)算處理來提取刻度線像邊沿或者中心與十字指示線的相對(duì)位置偏差,從而結(jié)合雙頻激光干涉儀讀數(shù)得到刻度線間距。
圖4 瞄準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of aiming system
測(cè)量時(shí)需啟動(dòng)氣浮隔振平臺(tái),將雙頻激光干涉儀與顯微模板上的標(biāo)志線調(diào)節(jié)到同一水平線上。照明光束垂直照射顯微模板,經(jīng)40×顯微物鏡放大成像于CCD面陣上。然后經(jīng)圖像采集卡把采集到的圖像信息傳入計(jì)算機(jī),驅(qū)動(dòng)微位移運(yùn)動(dòng)平臺(tái)將某條刻度線移動(dòng)到采集靶心并采集圖像,同時(shí)將雙頻激光干涉儀讀數(shù)歸零。再次驅(qū)動(dòng)微位移運(yùn)動(dòng)平臺(tái),使相鄰的下一條刻度線移動(dòng)到靶心并采集圖像,同時(shí)記錄雙頻激光干涉儀讀數(shù),而后歸零。重復(fù)上述過程完成所有刻度線間距圖像信息采集。最后經(jīng)過圖像分析處理計(jì)算刻度線與靶心的位置關(guān)系,若有偏差,進(jìn)行補(bǔ)償,并計(jì)算所有刻度線間距。
盡管雙頻激光干涉儀的精度很高,足以勝任上述顯微模板的測(cè)量,但搭建實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)時(shí)必須考慮并合理處理若干因素才能保證所需測(cè)量精度。這些因素包括:
1)阿貝誤差。顯微模板的定位與測(cè)量光軸存在位置偏差,由于微位移運(yùn)動(dòng)平臺(tái)不可避免地會(huì)有扭擺運(yùn)動(dòng),必然造成一定的阿貝誤差。搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)時(shí),一方面盡可能地將被測(cè)尺寸調(diào)至與測(cè)量激光束共線,另一方面盡可能地使得微位移工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向與測(cè)量光束方向平行,以減小阿貝誤差。
2)離焦誤差。測(cè)量過程中,因?yàn)轱@微鏡景深很小,顯微模板與顯微物鏡間距(即物距)的微小變動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致圖像質(zhì)量惡化,如圖5(a)和5(b)所示。因此實(shí)驗(yàn)過程中,應(yīng)先調(diào)節(jié)好微位移平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向,盡可能使物距保持不變或者變動(dòng)量可忽略。
3)顯微系統(tǒng)照明。刻度線尺寸與間距都很微小,為保證物方瞄準(zhǔn)精度需使用40×顯微系統(tǒng)成像,此時(shí)視場(chǎng)減?。?65μm×128μm),照度要求隨之變高。在此照明系統(tǒng)采用輸出光強(qiáng)可調(diào)的6V,30W汞燈作光源,實(shí)現(xiàn)各種放大倍率下充足、均勻的照明效果。
圖5 對(duì)焦瞄準(zhǔn)情況對(duì)比Fig.5 Focusing and image capturing
4)測(cè)量環(huán)境。雙頻激光干涉儀精度雖高,但對(duì)工作環(huán)境敏感,因此實(shí)際測(cè)量工作在夜間進(jìn)行并使用氣浮隔振平臺(tái),以減小震動(dòng)的影響,同時(shí)將室內(nèi)溫、濕度盡可能地調(diào)節(jié)到標(biāo)準(zhǔn)條件。
圖6 圖像處理過程Fig.6 Image processing
顯微模板精密測(cè)量的數(shù)據(jù)處理涉及圖像采集、圖像預(yù)處理、刻度線提取、刻度線坐標(biāo)計(jì)算、補(bǔ)償值計(jì)算、刻度線間距計(jì)算等過程。所需提取的特征點(diǎn)為圖6(a)中刻度線的中心坐標(biāo),可見刻度線是不規(guī)則的形狀,無法進(jìn)行擬合。因此對(duì)所采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理(濾波、增強(qiáng)、灰度變換、二值化)后,需要通過數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中骨架化(細(xì)化)[15-16]和腐蝕算法[17-19]得到清晰的刻度線像,再通過質(zhì)心法得到刻度線的中心。提取刻線特征時(shí),直接調(diào)用Matlab函數(shù)bwmorph(M,‘skel’,n)對(duì)圖像進(jìn)行16次骨架化運(yùn)算,達(dá)到圖6(c)所示效果。然后采用3×3矩形算子對(duì)骨架化處理后的圖像進(jìn)行腐蝕運(yùn)算,腐蝕結(jié)果如圖6(d)所示。采集的圖像中,標(biāo)志線與刻度線寬度相等,直接采用腐蝕算法效果不明顯。因此,先進(jìn)行細(xì)化,再進(jìn)行腐蝕,可以去掉標(biāo)志線,留下標(biāo)志點(diǎn)的中心部分,見圖6(b)~6(d)。
刻度線間距計(jì)算如圖7所示,圖7(a)示出了瞄準(zhǔn)第i條刻度線的情形,由于微位移平臺(tái)定位分辨率不夠高,刻度線中心并未對(duì)準(zhǔn)十字指示線的豎線,需要通過圖像分析處理計(jì)算出偏差量Δi并予以補(bǔ)償。顯而易見,當(dāng)刻度線中心位于十字線豎線左側(cè)時(shí),Δi符號(hào)為正,位于右側(cè)則為負(fù),圖中Δi=-0.54μm。類似地,圖7(b)示出的是瞄準(zhǔn)第i+1條刻度線的情形,其修正量Δ(i+1)的符號(hào)正好與第i條刻度線的情形相反,即刻度線位于十字線左側(cè)時(shí)為負(fù),位于右側(cè)則為正,圖中Δ(i+1)=0.42μm。從第i條刻度線到第i+1條刻度線,微位移平臺(tái)經(jīng)過的距離由雙頻激光干涉儀給出(圖中x=127.22μm)。于是可計(jì)算出2條刻度線間距X=x+Δi+Δ(i+1)=127.22+(-0.54)+0.42=127.10μm。
圖7 刻度線間距計(jì)算示意圖Fig.7 Schematic diagram of calculation of scale spacing
分別對(duì)被測(cè)模板8條刻度線間的7個(gè)間距進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量和組合測(cè)量,測(cè)量數(shù)據(jù)與處理結(jié)果在表1和表2中列出。
表1分別列出了7個(gè)被測(cè)間距10次等精度重復(fù)測(cè)量的算術(shù)平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差,可見:刻度線間距與其公稱值(設(shè)計(jì)尺寸)127.00μm的最大偏差量為第5組,偏差量為0.19μm。最大標(biāo)準(zhǔn)偏差發(fā)生在第1組,是0.07μm。表1中根據(jù)7組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差,可得到刻度線間距的重復(fù)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差在0.04μm~0.07μm之間。
表2分別列出了7個(gè)被測(cè)間距組合測(cè)量結(jié)果,可見:刻度線間距與其公稱值127.00μm的最大偏差量在第5組,偏差量為0.20μm。最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.04μm。表2中根據(jù)7組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差,可得到刻度線間距的重復(fù)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差在0.02μm~0.04μm之間。通過計(jì)算數(shù)據(jù)比較的方法與等精度重復(fù)測(cè)量結(jié)果對(duì)比,可知組合測(cè)量與多次重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)基本一致,組合測(cè)量精度更高。
表1 刻度線間距重復(fù)測(cè)量Table 1 Scale spacing results from repeated measurements
表2 刻度線間距組合測(cè)量Table 2 Measured scale spacing through combination method
2)儀器自身誤差δ2。雙頻激光干涉儀系統(tǒng)精度為1μm/m,實(shí)際使用1313B傳感器,估計(jì)系統(tǒng)精度最壞情況為10μm/m。自身誤差δ2≤L·10·1μm/m=0.009μm,其中L為被測(cè)刻度線尺寸(L=127μm×7=889μm)。
3)瞄準(zhǔn)誤差δ3。選用的CCD像元尺寸為3.2μm×3.2μm,放大倍率為40×,圖像處理定位
以上采用雙頻激光干涉儀作為標(biāo)準(zhǔn)量來檢測(cè)顯微模板的測(cè)量不確定度,涉及若干隨機(jī)誤差與未定系統(tǒng)誤差,分析如下:
1)阿貝誤差δ1。按最壞情況計(jì)算(導(dǎo)軌精度允差最壞為8″,雙頻激光干涉儀測(cè)量軸線與被測(cè)物體所在直線的偏差不大于1mm),阿貝誤差:
4)溫度所引起的誤差δ4。δ4≤L·α(T-20)=0.002μm,其中δ4為最大尺寸變化量,L為被測(cè)刻度線尺寸(L=127μm×7=889μm),α為顯微模板線膨脹系數(shù)(石英玻璃5.5×10-7/℃),T 為溫度(取25℃)。
5)測(cè)量重復(fù)性極限誤差δ5。按照組合測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差(取0.04)估計(jì),取包含因子k=2(置信概率95%),則δ5≤0.04×2=0.08μm。
因上述各分量互不相關(guān),相關(guān)系數(shù)為零,合成極限誤差為0.098μm,取0.10μm,于是有如下公式
:精度不超過0.5個(gè)像素。由以上參數(shù)可以推出,系統(tǒng)瞄準(zhǔn)精度為
研究了一種采用雙頻激光干涉儀精密測(cè)量顯微模板刻度線間距的方法,該顯微模板用于為光纖陣列纖芯距精密測(cè)量顯微視覺系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)量和輔助圖像特征。在穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下,采用數(shù)字顯微系統(tǒng)瞄準(zhǔn)被測(cè)刻度線并通過圖像處理計(jì)算瞄準(zhǔn)偏差給出瞄準(zhǔn)修正值,采用雙頻激光干涉儀讀取微位移平臺(tái)的位移。對(duì)8條刻線之間的7個(gè)間距分別完成了等精度重復(fù)測(cè)量(10次)和組合測(cè)量,并對(duì)比分析測(cè)量結(jié)果。通過數(shù)據(jù)分析,組合測(cè)量系統(tǒng)重復(fù)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差為0.04μm。經(jīng)過精度分析,該方法的測(cè)量極限誤差不大于0.10μm。所給出的基于雙頻激光干涉儀的顯微模板精密測(cè)量系統(tǒng)和方法可用于精密線紋類標(biāo)準(zhǔn)量的測(cè)量與檢定。
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