光學(xué)第5章習(xí)題及答案及光學(xué)精密工程論文模板(表明格式要求)

[7]。焦距評(píng)價(jià)函數(shù)應(yīng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1、單峰性；2、無偏性；3、能反映離焦極性；4、較高的信噪比；5、速度快。常用的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)有以下幾種：a、能量譜方法該方法是基于頻域的算法，根據(jù)傅立葉光學(xué)理論，圖像清晰或聚焦的程度主要由圖像的高頻分量的多少確定，因此可以根據(jù)高頻分量的多少作為聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)的主要依據(jù)。將序列圖像進(jìn)行快速傅立葉變換，幅度的平方稱為能量譜。由于幅度決定了一幅圖像中含有的各種頻率分量的多少，故可以用能量譜來構(gòu)造聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)。設(shè)是一個(gè)圖像的函數(shù)，則二維離散傅立葉變換為：，(10)其傅立葉譜為：，(11)能量譜函數(shù)為：，(12)則能量譜評(píng)價(jià)函數(shù)為：，(13)其中，和分別是傅立葉變換的實(shí)部和虛部。所在的位置即為聚焦位置。b、灰度方差法一幅聚焦清晰的圖像應(yīng)有較多的灰度變化，因此圖像的聚焦程度可以用灰度變化的平均程度即方差來衡量。當(dāng)灰度方差算子取最大值時(shí)，該位置即為聚焦位置。c、灰度梯度法聚焦清晰的圖像應(yīng)該有較銳利的邊緣，由于梯度算子具有各向同性和旋轉(zhuǎn)不變性，可把圖像中各不同走向的邊緣和線條突出，離焦量越小圖像邊緣越銳化，所以圖像灰度梯度可以用來評(píng)價(jià)圖像的聚焦程度。對(duì)圖像中的每一像素點(diǎn)求梯度并求和。即：，(14)常用的梯度算子有以下幾種：1）、灰度差分法采用差分絕對(duì)值代替乘方和開方，即利用圖像的相鄰像素灰度值差的絕對(duì)值之和作為聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)，即：，(15)取得最大值的位置即為聚焦位置。2）、Roberts梯度法在灰度差分法中，沒有考慮和灰度差的像素位置關(guān)系，可以采用Roberts梯度算子來計(jì)算圖像的梯度。，(16)取得最大值的位置即為聚焦位置。3）、Sobel梯度法即采用Sobel算子的兩個(gè)卷積核來求圖像中每點(diǎn)的梯度具體公式如下：，(17)，(18)，(19)取得最大值的位置即為聚焦位置。能量譜法由于計(jì)算量較大，不適用于一般情況下的快速、實(shí)時(shí)測(cè)量。灰度差分法和Roberts梯度法計(jì)算速度快，但對(duì)于復(fù)雜圖像由于沒有考慮周圍點(diǎn)的變化，容易受噪聲影響而導(dǎo)致錯(cuò)誤的聚焦。綜合考慮，本文采用Sobel梯度法來進(jìn)行聚焦評(píng)價(jià)。由于本系統(tǒng)在進(jìn)行高度測(cè)量時(shí)，焦距和像距固定，因此可以通過Z軸方向上的伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)焦，利用滾珠絲桿作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)源，帶動(dòng)光學(xué)成像系統(tǒng)沿Z軸方向上下移動(dòng)，通過聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)判斷實(shí)現(xiàn)正確聚焦。通過計(jì)算兩個(gè)不同平面上聚焦時(shí)Z軸方向的光柵尺的讀數(shù)的差值,就可計(jì)算兩個(gè)平面間的距離。具體步驟如圖3所示。3.5影像測(cè)量系統(tǒng)光柵尺讀數(shù)的誤差補(bǔ)償方法在進(jìn)行影像測(cè)量的過程中有時(shí)測(cè)量的距離超過了視野范圍在這種情況下，要進(jìn)行測(cè)量就要移動(dòng)工作臺(tái)，這時(shí)的測(cè)量值是由光柵尺的讀數(shù)確定的。由于工作臺(tái)本身的精度問題、光柵尺本身的精度問題以及其它方面的原因可能引起光柵尺的讀數(shù)有誤差，所以對(duì)光柵尺的讀數(shù)要進(jìn)行補(bǔ)償，具體的補(bǔ)償方法有多種[8-20]，下面就介紹光柵尺的分段補(bǔ)償方法。首先是要將工作臺(tái)調(diào)平，然后通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的高精度的光刻玻璃尺（精度為0.0001mm）進(jìn)行分段測(cè)量，工作臺(tái)在x、y兩個(gè)方向上的行程為200、300mm。用一根300mm的標(biāo)準(zhǔn)尺對(duì)x方向上每隔10mm就記下光柵尺的讀數(shù)，然后根據(jù)每段光柵尺的讀數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)尺的值進(jìn)行比較得到誤差值。然后根據(jù)誤差值進(jìn)行誤差補(bǔ)償，如常用的方法有分段線性回歸法，即在每一段都分別采用線性回歸的方法進(jìn)行誤差補(bǔ)償，分段的長度可以根據(jù)具體情況確定。圖3高度測(cè)量流程圖Fig.3Flowchartofheightmeasurement4測(cè)量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果4.1比例尺的設(shè)定實(shí)驗(yàn)影像測(cè)量的過程中，要將測(cè)到的像素值換算成毫米等通用的計(jì)量單位，不同的放大倍率下一個(gè)像素所代表的被測(cè)物體的長度不同，所以在不同的放大倍率下，要進(jìn)行比例尺的調(diào)整。通常的做法就是用標(biāo)準(zhǔn)板（通常為光刻的高精度的光學(xué)玻璃，上面刻有不同尺寸的圓、矩形等）在不同的放大倍率下進(jìn)行測(cè)量，將標(biāo)準(zhǔn)板上的實(shí)際尺寸和在不同放大倍率下所測(cè)的像素值的比值就是在不同放大倍率下的比例尺。為了提高測(cè)量的精度，可在同一放大倍率下，對(duì)直徑不同的圓的直徑進(jìn)行測(cè)量并分別計(jì)算出每一個(gè)像素所代表的長度然后求平均值作為在該放大倍率下的比例尺。在進(jìn)行實(shí)際的測(cè)量之前，先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，其中一項(xiàng)就是進(jìn)行比例尺的設(shè)定，在同一測(cè)量條件下，對(duì)同一標(biāo)準(zhǔn)板上的圖像像素長度進(jìn)行測(cè)量（如圖4所示）。具體操作為對(duì)標(biāo)準(zhǔn)板上的尺寸不同的多個(gè)圓測(cè)量他們的直徑，實(shí)際直徑和得到的像素直徑的比值即為比例尺。以下為物距50mm的條件下得到的比例尺的標(biāo)定結(jié)果。（a）原始圖像（b）擬合后的圖像(a)originimage(b)fittingimageof(a)圖4比例尺設(shè)定試驗(yàn)Fig.4Experimentofscaleestablishment比例尺的大小決定了系統(tǒng)的分辯能力，因此在條件許可的前提下，提高圖像的分辨率使物體的像素跨度盡量大，從而使比例尺減小，以提高測(cè)量精度。在軟件中通過將計(jì)算得到的比例尺保存起來，在放大倍率等不變的條件下，可以重復(fù)使用該比例尺進(jìn)行測(cè)量。但當(dāng)放大倍率改變時(shí)，要重新設(shè)定比例尺。表1系統(tǒng)比例尺的標(biāo)定結(jié)果Tab.1Resultofsystemscalecalibration測(cè)量次數(shù)物長D0(mm)像長Dp(pixel)物/像比例尺(平均值)3σ10.800290.027590.027660.000521.000360.0277831.200430.0279142.000730.0274053.0001090.0275264.0001450.02759710.0003610.02770820.0007190.027824.2直線圖元和圓形圖元的測(cè)量圖5是利用直線圖元和圓形圖元測(cè)量程序分別對(duì)PCB板上的線寬和圓孔進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表2所示。為了提高測(cè)量的速度，進(jìn)行測(cè)量時(shí)，采用圓形窗或矩形窗（窗口的大小可以調(diào)節(jié)），將被測(cè)物體至于選擇窗內(nèi)，計(jì)算時(shí)只對(duì)選擇框內(nèi)的物體進(jìn)行計(jì)算，這樣就減少了運(yùn)算量，提高了運(yùn)算速度。圖5直線和圓形圖元測(cè)量結(jié)果Fig.5Measuringresultoflineandcirclegeometricfigures表2直線圖元和圓形圖元測(cè)量結(jié)果(單位：mm)Tab.2Measuringresultoflineandcirclegeometricfigures(Unit:mm)測(cè)量次數(shù)測(cè)量結(jié)果3σ理論值線寬直徑線寬直徑線寬直徑10.19651.25450.00790.00860.2001.25020.20161.260230.19471.254940.20021.255150.19781.254360.19461.253870.20051.260480.19821.2531平均值0.19801.2558直線圖元的測(cè)量誤差主要來源是物體邊緣的定位誤差。本系統(tǒng)中對(duì)直線圖元的擬合采用了最小二乘法，并采用計(jì)算距離的方法排除了孤立噪聲點(diǎn)對(duì)邊緣的影響。測(cè)量結(jié)果表明系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度和較好的測(cè)量重復(fù)性。試驗(yàn)結(jié)果表明圓形圖元測(cè)量算法具有較強(qiáng)的抗干擾能力，通過求解物體的形心作為擬合的初值，提高了擬合速度，在進(jìn)行擬合時(shí)，采用了除去孤立噪聲點(diǎn)的方法，提高了擬合的精度。同時(shí)，采用搜索算法，可以人為設(shè)定擬合的精度。對(duì)于測(cè)量精度高的物體，可以將擬合的精度相對(duì)提高；而對(duì)擬合精度要求不高的物體測(cè)量時(shí)，可以將擬合精度降低，以提高測(cè)量速度。4.3自動(dòng)聚焦高度測(cè)量以下圖6為采用自動(dòng)聚焦原理進(jìn)行高度測(cè)量。表3中的數(shù)據(jù)是在相機(jī)為Sony公司的SSC-DC54A,鏡頭為Navitar公司的12XZoom在放大倍率為4.7倍時(shí)測(cè)的結(jié)果。本文所采用的自動(dòng)影像測(cè)量系統(tǒng)如圖7所示。（a）高面自動(dòng)聚焦示意圖（b）低面自動(dòng)聚焦示意圖(a)isautofocusonhighlevel(b)isautofocusonlowlevel圖6高度測(cè)量示意圖Fig.6Heightmeasurementwithautofocusmethod表3高度測(cè)量結(jié)果(單位：mm)Tab.3Resultofheightmeasurement(Unit:mm)測(cè)量次數(shù)高面低面高度高度殘差1129.27765.55363.724-0.01342129.26965.54863.721-0.01643129.27765.54663.731-0.00644129.28265.5463.7420.00465129.27965.5463.7390.00166129.27865.52963.7490.01167129.26865.5463.728-0.00948129.27265.53863.734-0.00349129.28265.52963.7530.015610129.28265.52963.7530.0156均值129.276665.539263.73743σ0.015760.047280.03513圖7自動(dòng)影像檢測(cè)系統(tǒng)Fig.7Theautomaticimagemeasuringsystem由上述的測(cè)量結(jié)果可知，本系統(tǒng)中所采用的Sobel梯度法進(jìn)行聚焦評(píng)價(jià)來進(jìn)行高度測(cè)量，其測(cè)量的精度為0.035mm。5結(jié)論本文根據(jù)現(xiàn)代工業(yè)檢測(cè)精度高、速度快的要求，提出了非接觸影像測(cè)量的方法，并介紹了自動(dòng)影像測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。然后研究了影像測(cè)量中的典型圖元的識(shí)別和測(cè)量算法以及基于自動(dòng)聚焦原理的高度測(cè)量算法。最后，給出了影像測(cè)量中超出視野范圍大尺寸測(cè)量時(shí)光柵尺的誤差補(bǔ)正方法以及比例尺的設(shè)定方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：圖元的測(cè)量精度在微米級(jí)；高度測(cè)量精度為0.035mm；系統(tǒng)比例尺的標(biāo)定精度為0.5μm?；緷M足了自動(dòng)影像測(cè)量的要求。（結(jié)論要有數(shù)據(jù)）參考文獻(xiàn)：（五號(hào)）鄒定海,葉聲華,王春和.用于在線測(cè)量的視覺檢測(cè)系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),1995，16(4):337-340.（小五）ZOUDH,YESHH,WANGCHH.Avisualinspectionsystemforon-linemeasurement[J].ChineseJournalofScientificInstrument,1995,16(4):337-340.(inChinese)周亙.微機(jī)在工件不圓度自動(dòng)測(cè)量中的應(yīng)用[J].基礎(chǔ)自動(dòng),2001,8(6):50-53.ZHOUG.Theapplicationofcomputerinautomaticmeasureofthenon-rounddegreeoftheparts[J].BasicAutomation,2001,8(6):50-53.(inChinese)郭強(qiáng)生，靳衛(wèi)國，周慶亞.集成電路粘片機(jī)視覺檢測(cè)技術(shù)研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2005，34（7）：34-40.GUOQSH,JINWG,ZHOUQY.VisioninspectiontechnologyofICdiebonder[J].EquipmentforElectronicProductsmanufacturing,2005，34（7）：34-40.(inChinese)WEIZHZH,ZHANGGJ,LIX.

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