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生于扬州,学前随父母去过西安、长沙、桂林、昆明、合川,小学在重庆,中学在上海,50年到北京国立高工读书,并在北京工作,70年来三线工作.82年定居成都.95年退休.游戏智慧是47年随父亲皈依贡戛活佛的法号.一生奉献于我国的计量事业,工作勤勤恳恳,刻苦钻研,事业略有所成.退休后致力于总结多年工作中的经验.子女均自立,一代更比一代强.尽享天伦之乐.

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基于机器视觉与等倾干涉术的平面度测量装置  

2008-04-23 18:04:42|  分类: 长度计量 |  标签: |举报 |字号 订阅

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基于机器视觉与等倾干涉术的平面度测量装置

游戏智慧注:此文发表于"中国测试减速" 2008年第二期16-17及47页。由于博客格式无法表示插图和公式,十分遗憾。

汤昌社,潘嘉声,周建友,胡润洪

(广东省计量科学研究院,广东 广州 510405)

 

摘要:为实现平晶平面度的快速测量,运用机器视觉技术对等倾干涉仪进行改造。计算机对CCD采集的干涉图进行实时处理,再利用所有像素样本点(约4000个)的最小二乘法同时拟合出多条干涉环直径并计算标准干涉环直径D0。对平晶表面不同的检定点,测量软件均能根据其实测D0值计算平面度。改造后的干涉仪不但显著提高了工作效率,且大大降低了劳动强度。

关键词:平晶;CCD;等倾干涉仪;最小二乘拟合;标准干涉环

中图分类号:TB921      文献标志码:A      文章编号:1672-4984(2007)00-0000-00

 

Planeness Measuring Apparatus Based on Machine Vision and Isoclinic Interferometry

 

TANG Chang-she,PAN Jia-sheng,ZHOU Jian-you,HU Run-hong

(Guangdong Institute of Metrology,Guangzhou,Guangdong 510405,China)

 

Abstract: Machine vision technology is used to rebuild an isoclinic interferometer for fast measurement of optical flat.   The computer processes interferogram captured by CCD and then calculates standard interference ring diameter D0 using least square fitting method with all sample points (about 4000 pixels). The measuring software uses real-time D0 to calculate planeness for every verification point on optical flat surface. The rebuilt interferometer improves working efficiency apparently and greatly reduces the workload.

Key Words: Optical flat; CCD;Isoclinic interferometer; Least square fitting;Standard interference ring


 


1 引 言

用传统等倾干涉仪测量平面度,需靠肉眼从目镜观察,通过旋转测微鼓轮在分划板反复压线估读干涉环直径[1],不但准确度低,且工作强度大,效率低。用机器视觉与计算机技术能解决以上问题:计算机对CCD采集的干涉图进行处理,再同时测量多条干涉同心环直径并计算标准干涉环直径D0;

 

收稿日期:

基金项目:国家质检总局科技项目(2005QK73)

作者简介:汤昌社(1979-),男,广东惠州人,广东省计量科学研究院科研部,凝聚态物理学硕士,从事光干涉与纳米计量研究工作。Tel: 020-26297217

遍历所有检定点后,计算机通过数据处理自动得到各检定点的平面度数值。

2 测量方法

两平晶叠放在一起,中间隔着支承架而形成空气层。若沿着平晶表面某一直线按规定间隔所选各点空气层厚度分别为h0,h1,……hi,……hn-1,hn。则对于第i点,两平晶的平面度之和在该点的定义为:

                    Fi= LiΔhn/Ln-Δhi                                                                                       (1)

Li表示i点到0点距离,是已知量。△hii点与0点空气层厚度差。要得到平面度和,还需用等倾干涉法测量h。这里不详述等倾干涉条纹的形成原理与光路,仅介绍如何利用干涉图计算h。对平晶表面任一检定点所对应的空气层,成像屏幕上都会形成一组明暗相间的等倾干涉同心环(如图3所示)。考虑半波损失,在近轴近似[2,3]下,可用由内至外任意第m(为保证近轴条件,一般m≤3)条亮环直径dm及其干涉级序(Interference order)Nm计算h

                h=((dm/D0)(dm/D0)+Nm-1/2)λ/2                                   (2)

λ为所用光源波长,是已知量。D0称为标准干涉环直径,实验中通过测量任意两干涉环直径按下式计算D0*

(公式(3)无法表示)

由(1)知平度只关心△hi,根据(2),测量点i与测量点0的空气层厚度差可表示为:

Δhi= hi-h0

      =[((dmi/D0i)(dmi/D0i)+Nmi)-((dm0/D00)(dm0/D00)+Nm0)] λ/2                            (4)

要得到△hi,并不需具体求出NmiNm0(实际上NmiNm0在此也是不可求的),只需确定干涉级序差△Nmi=Nmi-Nm0。△Nmi可通过观察干涉图的变化得到。从以上论述可知,通过测量干涉环直径并确定干涉级序差,便可求平面度。

3 系统硬件构造

钠光源    (图1无法表示)

光栏

透镜

透镜

半反半透镜

平晶组合

镜头

CCD摄像机

计算机

图1 硬件构造示意图


测量系统硬件构造如图1所示。

钠光源发出单色光,经光栏以点光束发射到透镜组,经半反半透镜反射聚焦于下平晶的上表面。光束在空气层上下表面反射,形成两支平行相干光,透过半反半透镜与镜头,在CCD传感器表面形成等倾干涉图像[4, 5]。实验采用8位黑白CCD数字摄像机,由于CCD品质很高,形成的干涉图几乎没有任何肉眼可观察的噪点,如图3左半部分所示。

4软件编写

根据测量方法,再结合实际的平面度测量步骤编写测量软件。软件主要解决图像处理,干涉环直径的计算,干涉级序差的确定与实验数据处理等问题。

4.1 图像处理

图像处理的最终目的是为了提取单像素大小的圆环骨架(Skeleton)[6, 7, 8]。我们依次采用了以下图2所示的算法,由于篇幅有限,这里直接给出处理后图像如图3右半部分所示。对于算法选取的理论依据与数学表达式,将另有文章详细探讨。

图2 图像处理算法流程框图

局部平均卷积(图2无法表示)

0阶滤波

Laplacian滤波

Clustering二值化

骨架提取(条纹细化)

开始

结束


4.2干涉环直径的计算

有多种方法计算干涉环直径,如文献[9]的3点定圆,文献[10]和[11]的双方向(xy)测量直径。如果是理想的测量系统,干涉条纹应是能用数学方程表示的理想的圆,3点定圆甚至单方向测量直径在理论上都是正确的。然而实际的干涉条纹不可能是理想的圆,总会存在成像偏差,这时利用所有样本点进行圆的最小二乘拟合[12, 13]以确定直径,是更加科学与严谨的方法。如图3所示,处理后的3条干涉环共由约4000个像素组成,计算机利用这所有像素的坐标同时计算各干涉环直径,并根据(3)式计算与该检定点相对应的D0值。

4.3 干涉级序差的确定

根据(4),计算机始终把第m条干涉环作为测量依据。由于干涉环有机会从中心冒出或湮灭,对各检定点所形成的干涉图,即使同是第m环,也不一定具有相同的干涉级序,即在(4)中NmiNm0不一定相等,这就要对干涉环进行动态识别以确定级序差△Nmi=Nmi-Nm0。

Nmi的确定遵循以下原则:以测量点0的第m环作为参考环,对于测量点i所形成的干涉图,如果其第m环相对于参考环是内1(2、3、……)环,则△Nmi为+1(+2、+3……),如果是外1(2、3、……)环,则为-1(-2、-3……)。这里我们还是采用肉眼配合实时视频的方法,判断并输入干涉级序差,并没有实现干涉环的自动动态识别。

4.4 实验数据处理

图3 测量程序界面(图3无法表示)

d1

d2

d3


 

如图3所示,我们采用第2环直径d2作为测量依据(即m=2)。根据(4),检定点i与0的空气层厚度差可具体表示为:

Δhi=[((d2i/D0i)(d2i/D0i)+N2i)-((d20/D00)(d20/D00)+N20)] λ/2  (5)

D0i由3条干涉环直径共同决定:

(6)(公式(6)无法表示)

程序根据(1)与(5)进行数据处理得到每一检定点的平面度和。由于 是无量纲量,干涉环直径可直接以CCD像素为单位。

所完成的程序界面如图3所示:左边窗口为视频,用于实时监控干涉图变化以确定干涉级序差;右边窗口为处理后图像。当移动平晶使光点到达所需检定点,用鼠标单击“图像处理与直径测量”按钮,程序界面会实时显示出干涉环数量,d2与D0等值。遍历所有检定点后程序自动进行数据处理并显示平面度结果如界面下部分所示(以Φ150mm平面平晶为例),并将结果自动保存至硬盘。

5 结束语

本课题运用机器视觉与计算机处理技术,实现了平晶平面度的快速测量,显著提高了工作效率,大大降低劳动强度。该装置在06年9月通过了香港HOKLAS校准实验室认可,并顺利通过国家计量院的Φ150mm平晶盲样检测,其四面互检平晶的扩展不确定度U≤0.020μm (k=3),符合JJG 28-2000的要求。

 

 

[参 考 文 献]

[1] 张善钟,于瀛洁,张之江.直线度平面度测量技术[M] .北京:中国计量出版社,1997.

[2] 雷肇棣.物理光学导论[M].北京:电子科技大学出版社,1993.

[3] 赵凯华,钟锡华.光学(上册)[M] .北京:北京大学出版社,1985.

[4] 冯杰.迈克尔逊干涉仪一般等倾干涉花样的特性分析[J] .华南理工大学学报,1999,27(6):98~103.

[5] 郑少波.多光束等倾干涉的实验研究[J] .光学技术,1999,5(9):82~88 .

[6] 肖国宏, 黄丽清.用计算机细分干涉条纹技术的研究[J].激光杂志,1999,20(1):53~54.

[7] 周恕义,邬敏贤,金国藩.采用图像处理技术的高精度干涉计量系统[J] .仪器仪表学报,1993,14(1):81~84.

[8] 道克刚秦绮雯.计算机图像检测在干涉测量中的应用[J].现代计量测试,1999,7(3):17~22.

[9] 冉铮惠,陈长龄,罗克莲.数字图像处理技术在平面等倾干涉测量中的应用[J] .仪器仪表学报, 2004,24(4):56~61.

[10] 于新瑞,王石刚,王洪.一种新型高精度平面度图像测量系统[J] .仪器仪表学报,2002,23(5):488~491.

[11] 王洪,王石刚,薛联.基于平面等倾干涉原理的平面度视觉测量系统[J] .重庆大学学报(自然科学版),2001, 24(3):5~8.

[12] L. Moura, R.I. Kitney. A Direct Method for Least Squares Circle Fitting[J],Comp. Phys. Comm,1991,64:57~63.

[13] H.Spath. Least Square Fitting By Circle[J]. Computing,1996,57:179~185.



* 实际上这只是其中一种常用的计算D0的方法。

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