基于视频显微镜的直径测量

摘 要： 在讨论传统直径测量原理及方法的基础上，提出一种新型直径测量仪器的设计方案。该方案采用CCD摄像机将被测轮廓放大成像在显微镜目镜上，在目镜上实现精确的瞄准。由于该仪器以光栅尺作为位移测量装置，被测值采用数字显示，因此具有较高的测量精度和操作效率。同时，对涉及到的关键技术如CCD摄像技术、精密位移技术、计算机图像处理技术做详细的阐述，进行测量系统的误差分析。最后总结该测量系统的不足，提出一些改进方法，并对该系统后面要做的工作和应用作展望。该仪器的设计有望能为直径测量技术的发展及其在各个领域中应用的推广起到一定的促进作用。

目前国内厂家对直径检测有些仍停留在用量规或卡尺检测的水平上，存在检测速度慢、误差大、产品质量可靠性差等问题，不能满足现代生产发展的需要。从国际上看，美、日、英、德等国都先后研制和开发了各种不同测量范围、不同分辨率和不同测量精度的激光、光电检测系统，可以通过光电传感和非接触测量等先进检测仪器和设备，对直径进行测量。因此，我们国家也相继研究使用了激光、光电高新技术，尤其是光、机、电一体化技术，实现非接触式在线自动检测，以适应对批量生产的快速反应的要求。

CCD摄相器是70年代初发展起来的新型高精度、高灵敏度的光电转换器件，其灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、操作方便、易于推广等一系列其它光电成像器件不能比拟的优点，三十多年来，CCD技术在高精度、高效率、非接触测量中的应用已成为现代光电及现代测试技术中最活跃、最富有成果的新兴领域。在现代科学技术和工业技术的迅猛发展的时代，传统的直径测量方法已不适应工业的高精度、高效率的测试要求。随着高精度、高速、自动化测量要求的出现和不断提高，很多新的理论引入到测量仪器的中，出现了集“光、机、电、算”一体化设计的高精度视频显微镜。 显微镜的发展很快，观察细微结构的能力也逐步提高，各种用途的显微镜也相继问世。视频显微镜是机械制造行业、科学研究机关及高等院校的计量部门或车间检查站广泛使用的一种多用途计量仪器。本文主要是基于视频显微镜对各种零件直径测量的研究，视频显微镜是采用CCD摄像机将被测轮廓发大成像在显示屏幕上，在屏幕上可实现精确的瞄准，并以光栅尺作为长度测量传感器，长度值采用数字显示，具有较高的测精度和操作效率。

视频测量显微镜是机械制造行业、科学研究机关及高等院校的计量部门或车间检查站广泛使用的一种多用途计量仪器。该仪器采用CCD摄像机被测轮廓放大成像在显示器屏幕上，在屏幕上可实现精确的瞄准。并以光栅尺作为长度测量传感器，长度值采用数字显示，具有较高的测量精度和操作效率。

仪器的用途十分广泛，其典型测量对象有：

1）测量各种成型零件如样板、样板车刀和各种成型零件或模具形状。

2）测量各种零件的直径、长度；或测量并通过计算求角度。

3）测量印刷电路板上的线条宽度、距离和元件焊装孔的尺寸和位置。

4）测量钻模或孔板上孔的位置、键槽的对称度等形位误差。

有些型号的视频显微镜还可以与计算机连接，利用二维测量软件可以实现坐标点或图像采集并将其处理形成直线、圆、圆弧等元素，进一步可以求取各元素的位置、角度等形为误差以及各元素的距离、交点等相关要素。测量结果可与AUTOCAD

软件进行通讯，为计算机辅助设计提供准确的测绘图形。该软件为选购件。

1 涉及的关键技术

1.1 CCD摄像技术

电荷耦合摄像器件就是用于摄像或像敏的CCD（Charge―Coupled―Devices），又简称为ICCD。它的功能是把二维光学图像信号转变成一维以时间为自变量的视频输出信号。CCD的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或电压为信号。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。用于图像接收的一般是CCD摄像器件。它有线型和面型两大类：二者都需要用光学成像系统将景物图像成像在CCD的像敏面上。像敏面将照在每一像敏单元上的图像照度信号转变为少数载流子数密度信号存储于像敏单元（MOS电容）中。然后，再转移到CCD的移位寄存器（转移电极下的势阱）中，在驱动脉冲的作用下，使其从CCD的移位寄存器中转移出来，形成时序的视频传号。对于线型器件，它可以直接接收一维光信息，而不能将二为图像转变为视频信号输出，为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方式来实现。面型CCD是按一定的方式将一维线型CCD的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可构成二维面型CCD。本文采用面阵CCD，它是二维的图像传感器，它可以直接将二维图像转变成视频信号输出。由于排列方式不同，面阵CCD常有帧转移、隔列转移和线转移和全帧转移方式等。

1.2 精密位移测量技术

光栅尺是一种高精密的位移测量装置，由于其结构简单、分辨率高、价格便宜，从而广泛地应用于机械传动装置的线位移、线速度等静、动态运动参量的测量中。

光栅按工作原理分为物理光栅和计量光栅。物理光栅可做散射元件进行光谱分析及光波长的测定；而计量光栅的刻线较物理光栅粗，利用光栅的莫尔条纹现象进行位移的精密测量和控制。在测量线位移时，采用长光栅（或称为直光栅）；在测量角位移时，采用圆光栅（亦称为辐射光栅或光栅度盘），光栅尺即长光栅是计量光栅的一种。标尺光栅固定在导轨滑坐上，光源、指示光栅、聚光镜和接受器固定在导轨上，并可以随着导轨一起作位移运动。光源发出的光束经过照明系统后成为均匀的平行光照明主光栅。由于主光栅和指示光栅的相对位移而输出交变的莫尔条纹信号。此信号经光电接受元件转换成反映莫尔条纹特征的电信号并输出。在利用光栅进行实际测量时，电信号经电学系统处理后，实现数字显示。莫尔条纹：将两块计量光栅（通常称其中作标准器的一块为主光栅；另一块叫指示光栅）相互叠合；在保证适当的夹角和间隙时，就可以得到电光栅栅距大得多的黑白相间的干涉条纹，把它称为莫尔条纹图案。莫尔条纹的形成，实际上是光通过一对光栅（或称光栅副）时所产生的衍射和干涉的结果。莫尔条纹有横向莫尔条纹、纵向莫尔条纹、斜向莫尔条纹、光闸莫尔条纹等。光栅传感器测量位移主要是利用光闸莫尔条纹原理来实现的。

2 测量系统的误差因素分析

2.1 原理误差CCD的位移误差

主要是由于用这种方法进行测量时，应注意将被测物镜的摄影距离刻度值调至与测量时的共扼条件相对应的摄影距离上。

2.2 CCD摄相器件引起的误差

1）CCD的暗电流和噪声影响测量精度。暗电流的大小是评价CCD 器件好坏的重要指标。暗电流越大，信噪比就越小，对测量精度的影响就越大，CCD的噪声影响也如此。

2）CCD的像元间距为7 ，这个限制了系统精度的提高，要想获得高精度，可以采取细分措施。

3）CCD摄像器件在光电转换过程中的误差如：像敏单元的灵敏度、CCD电荷转移不完全、CCD的拖影等影响。此类误差对结果的影响不大，故可略计。

4）CCD的分辨率的影响，一般分辨率的参数可满足测量精度的要求影响较小。

2.3 光栅尺引起的误差

根据设计原理和方案，光栅副带来的误差应从下面三方面考虑：

1）光栅尺刻划精度带来的误差 ；

2）光栅尺的面形精度带来的误差 ；

3）莫尔条纹信号质量带来的测量误差 。

光栅尺带来的总误差 （1）

2.4 导轨导向精度引起的测量误差

1）导轨的倾斜度带来的误差 ；

2）导轨横向位移偏差带来的误差 。

导轨带来的总误差 （2）

2.5 图象处理带来的误差

图象经程序处理后的边缘并不是理想边缘，再加上鼠标点击时人为误差，导致了精度的影响。

3 结论

本文在探讨了传统的直径测量原理的基础上，开始对视频显微镜直径测量的阐述，以及视频显微镜结构原理与操作方法的研究，运用现代精密测量技术，对直径测量；测量系统中的关键技术的分析；测量系统的误差分析。

视频显微镜的测量系统测量精度高。在机械制造业、科学研究机关都有广泛应用。本文在理论上对其进行了验证，由于作者的水平和时间关系，尚有许多工作有待进一步完善和发展。目前测量系统还没有完全定标，当然要达到实用化程度还需要不断完善。总之，基于对视频显微镜直径测量的研究得到视频显微镜具有较高的测量精度和操作效率。

参考文献：

[1]林家明、杨隆荣，CCD摄像机技术的发展趋势及应用前景[J].光学技术，1999（6）：43―47.

[3]中国民族摄影协会编辑，照相机的发展简史[J].照相机，2002，4：11―12.

[4]孙中升，万能工具显微镜智能化改造，航空计测技术，2003，23（2）.

[5]邬国耀，万能工具显微镜使用功能的拓展，计量技术，2002，8.