接觸式干涉儀大量程數(shù)字化技術(shù)改造

王 奎 霍 磊徐守品

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接觸式干涉儀大量程數(shù)字化技術(shù)改造

王 奎1霍 磊2徐守品3

（1. 開陽質(zhì)量計(jì)量檢驗(yàn)檢測中心有限公司 貴州開陽550300；2. 濮陽市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心 河南濮陽457000；3. 九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 江西九江 332007）

接觸式干涉儀是利用微差比較測量法測量長度的高精度計(jì)量儀器，長時(shí)間測量眼睛極易疲勞、勞動(dòng)強(qiáng)度大、易引入瞄準(zhǔn)讀數(shù)誤差等缺點(diǎn)。在保留高精度光波干涉計(jì)量特點(diǎn)和基本保持原儀器光機(jī)結(jié)構(gòu)的前提下，應(yīng)用高像素CMOS圖像器件及計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)改造傳統(tǒng)的接觸式干涉儀，可以在擴(kuò)大原儀器量程的情況下實(shí)現(xiàn)量塊檢定的數(shù)字化智能化。

500萬像素 CMOS攝像器件 接觸式干涉儀 Matlab語言

目前部分省級計(jì)量部門及企業(yè)用于量塊標(biāo)準(zhǔn)傳遞所使用的接觸式干涉儀，均是六、七十年代產(chǎn)品，其瞄準(zhǔn)、測量讀數(shù)靠單人通過顯微目鏡觀察瞄準(zhǔn)，視野狹窄，長時(shí)間測量，勞動(dòng)強(qiáng)度大，眼睛極易疲勞，易引入瞄準(zhǔn)讀數(shù)誤差，且量塊檢定工作中，測量數(shù)據(jù)多，需人工計(jì)算每塊量塊所得數(shù)據(jù)，計(jì)算量大。

現(xiàn)代可視技術(shù)常用的光電圖像器件如CCD器件，其空間分辨率高、體積小、重量輕、實(shí)時(shí)傳輸性等方面具有很高優(yōu)越性。

CMOS圖像器件近年也得到了迅速發(fā)展，其光電特性逐步接近CCD圖像傳感器件，易于實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)字化輸出，但價(jià)格及體積卻較CCD器件有優(yōu)勢。先后有單位利用CCD/CMOS攝像器件改造接觸式干涉儀，把原先用人眼觀察顯微鏡下的干涉條紋實(shí)時(shí)顯示在CRT屏幕上，同時(shí)干涉條紋圖象被自動(dòng)采集處理，量塊檢定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理自動(dòng)化，提高工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

部分改造后的儀器，采用的攝像頭最高像素為200萬即分辨率為1 600x1 280，其在利用3等量塊檢定4等量塊時(shí)量程還是原儀器±5μm，沒有解決原儀器在0.1 μm分度值時(shí)，因量程小導(dǎo)致找干涉條紋像較費(fèi)時(shí)，本文則介紹采用500萬像素CMOS攝像頭改造原老式接觸式干涉儀，在保證原儀器準(zhǔn)確度條件下擴(kuò)大了量程達(dá)50%以上，方便了操作，實(shí)現(xiàn)了測量數(shù)字化。

1 儀器結(jié)構(gòu)及改造原理

該項(xiàng)改造保留原儀器高精度光波干涉計(jì)量特點(diǎn)，基本保持原儀器光、機(jī)結(jié)構(gòu)，且使用習(xí)慣不變。采用500萬像素高分別率數(shù)字?jǐn)z像頭替換原儀器分劃目鏡，如圖1所示。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中，原儀器因微小長度變化形成的干涉條紋圖像經(jīng)物鏡放大成像于CMOS攝像頭上（代替原目視刻線分劃板），攝像頭輸出信號(hào)不需圖像采集卡直接經(jīng)USB口進(jìn)入計(jì)算機(jī)，并實(shí)時(shí)顯示在電腦屏幕上,經(jīng)計(jì)算機(jī)圖像軟件數(shù)據(jù)處理后，自動(dòng)采集實(shí)時(shí)顯示測量數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

2.1 攝像頭選取

選用映美精DMK72AUC 500萬像素黑白面陣CMOS攝像頭，圖像分辨率為2 592x1 944，像素尺寸:2.2x2.2 μm，采集得白光干涉條紋如圖2所示。

2.2 實(shí)時(shí)圖像顯示技術(shù)

因?yàn)橐话阗|(zhì)量較好的顯示器分辨率為1 980×1 084，現(xiàn)攝像頭分辨率超出顯示器范圍，則顯示器即使全屏顯示時(shí)也不能顯示攝像頭采集的全部圖像，同時(shí)攝像頭全屏顯示時(shí)圖像刷新率低只有9幀/秒，動(dòng)態(tài)顯示圖像時(shí)有停頓現(xiàn)象，為此采用攝像頭的ROI技術(shù)即只顯示部分圖像(如2592x100)從而提高圖像顯示幀率，達(dá)到實(shí)時(shí)顯示效果，并且原儀器光學(xué)系統(tǒng)存在缺陷導(dǎo)致會(huì)出現(xiàn)圖2中右下部黑影，采用局部圖像處理則可避免顯示及處理有黑影部分的圖像。采用matlab語言編程實(shí)現(xiàn)ROI顯示程序如下:

vidobj = videoinput

('winvideo', 1,'RGB24_2592x1944')

vidRes=get(vidobj,'VideoResolution')

nBands=get(vidobj,'NumberofBands');

axes(handles.axes2); hImage=image(zeros(vidRes(2),vidRes(1),nBands));

vidobj.ROIPosition = [0 10 2592 200];

preview(vidobj,hImage);

圖2 白光干涉條紋示意圖

2.3 干涉條紋數(shù)字圖像處理技術(shù)

（1）數(shù)據(jù)濾波攝像頭采集的干涉圖像由于各種因素影響，如光源、CMOS器件、視頻模擬信號(hào)數(shù)字化過程中存在不同程度的隨機(jī)噪聲，反映在圖像灰度值大小上，為了消除這些隨機(jī)干擾，采用平滑濾波方法，具體應(yīng)用Matlab中維納濾波器wiener2函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

編程示例如下：

bw1=getsnapshot(vidobj(1));

bw1=wiener2(bw1,[7,7]);

（2）白光干涉條紋中心最小二乘曲線擬合求解。圖3所示為采集的白光干涉圖像灰度值離散數(shù)據(jù)中光強(qiáng)峰值曲線圖。

零級黑條紋中心光強(qiáng)度最暗，屬于極小灰度值點(diǎn)，但此極小值只表明黑條紋中心的大致位置，其原因是圖像光強(qiáng)分布的隨機(jī)波動(dòng)，大多數(shù)情況條紋中心距不是光敏元中心距的整數(shù)倍。

圖3 光強(qiáng)峰值曲線圖

條紋中心的準(zhǔn)確位置采用局部擬合曲線求極值方法來確定，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了亞像素細(xì)分，經(jīng)試驗(yàn)采用二次曲線擬合模型，它既與干涉條紋峰值曲線相近似，又易于實(shí)現(xiàn)最小二乘法擬合運(yùn)算，所采用擬合曲線模型為:

()=22+ax+a

用條紋峰值附近10個(gè)點(diǎn)擬合即-5、-4、-2、-1、0、1、2、3、4、5(y為平滑濾波后數(shù)據(jù))，所對應(yīng)像素坐標(biāo)為-5,~5，由最小二乘原理解方程組確定擬合系數(shù)1、2、0，而后在(-55)范圍確定使()取得最小值的坐標(biāo)minxx，具體編程如下：

x = [0 2592];

y=[100 100];

c=improfile(bw1,x,y);

n=numel(c)

[yce,xce]=min(c);

xx=(xce-5):(xce+5)

yy=c(round(xx))';

a=polyfit(xx,yy,2)

xm=(xce-5):0.1:(xce+5)

y5=a(1)*xm.^2+a(2)*xm;

[~,xce2]=min(y5);

minxx(l)=xce2/10+xce-5;

根據(jù)零級黑條紋中心光強(qiáng)度最小，屬于極小點(diǎn)首先進(jìn)行極小值點(diǎn)搜索，在極小值點(diǎn)擬合確定條紋中心精確亞像素坐標(biāo)位置minxx i，為減小隨機(jī)誤差，在垂直于條紋方向得到多個(gè)minxx i然后取平均值。

2.4 定度

2.5 界面功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要界面如圖4所示。儀器軟件操作界面設(shè)計(jì)遵循保留原目視儀器操作習(xí)慣原則設(shè)計(jì)，力求簡單方便和一目了然。

圖4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要界面

在WINXP/WIN7系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)行，具有動(dòng)畫模顯和動(dòng)態(tài)數(shù)顯功能且在圖像背景上疊加十字分劃板圖像，可依據(jù)檢定規(guī)程獲得受檢量塊的中心長度值，長度變動(dòng)量，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及打印。

3 結(jié)語

改造后的接觸式干涉儀具有0.01 μm分辨率，擴(kuò)大了量程達(dá)到±(7.5~10) μm(當(dāng)原儀器光學(xué)系統(tǒng)良好時(shí)可達(dá)到±10 μm，接近精密光學(xué)計(jì)量程)，儀器示值誤差在2 μm范圍內(nèi)≤±0.04 μm；10 μm范圍內(nèi)≤±0.08 μm。經(jīng)過實(shí)際使用證明該系統(tǒng)變目視觀察與判讀為光電探測、自動(dòng)瞄準(zhǔn)、測量，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、顯示、計(jì)算和記錄，消除了人為判讀差錯(cuò)的可能性，提高了工作效率，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化實(shí)時(shí)測量。

[1] 周一覽等.一種CCD顯微測量系統(tǒng)[J].計(jì)量技術(shù),2000.6.

[2] 張旭東等.一種基于Matlab的干涉條紋自動(dòng)處理方法[J].計(jì)量學(xué)報(bào),2010,1.

[3] 胡志剛等.接觸式干涉儀CCD智能化改造[J].計(jì)量與測試技術(shù),2004,6.