微小型光学元件尺寸的视觉测量系统研制 下载: 724次
1 引言
光通讯设备进一步向精密化、微型化发展,其核心光学元件的制造水平制约着光通讯技术能到达的高度。光学元件的几何尺寸不合格除了会影响自身的性能,还会损害与其配合的其他零件甚至整个系统的性能。微型尺寸、玻璃材质,切割时易崩边等情况为光学元件尺寸测量带来了巨大挑战,而其高透射、高反射的特点和崩边等造成的边缘复杂成像也成为了图像采集与处理的难题。
目前光学元件检测的研究方向集中于轮廓(如面形、形位误差)检测[1-2],少有关于外形尺寸检测的研究。传统光学元件尺寸测量方法有接触式和非接触式两种,前者易损伤元件,精度受测量者影响。非接触测量法中的激光扫描法成本较高、效率一般;万能工具显微镜和光学测量投影仪精度较高,但需离线测量,不能进行多数据测量[3],且每次测量时要重新定位和对焦,过程复杂。概括地说,传统测量方法复杂,效率及自动化程度低,而机器视觉方法凭借高自动化程度及低成本、高效率、高稳定性,在尺寸自动测量领域赢得一席之地。
虽然视觉测量方法较少运用在光学元件尺寸的测量研究中,但是已经广泛运用于非光学微小型元件及物体的尺寸测量中。乐静等[4]提出一种点映射互相关配准算法,该算法通过拼接局部重叠的序列图像来进行微小零件测量;Haiden等[5]采用暗场视频显微镜装置和微流体样品单元来测量油中悬浮的金属磨损颗粒的尺寸;张喜民等[6]引入轮廓匹配获取图像的几何信息,并设计了一种Hough空间投票权重分配新策略提高边缘检测精度,实现了手机尾插工件尺寸的高精度测量。关于边缘检测算法[7-9]、亚像素级边缘检测算法[10-12]等的研究也为元件尺寸的高精度测量奠定了基础。许楠楠等[13]采取平行光投影的方法获取圆柱形光学元件的轮廓,使用最小二乘线性回归检测边缘,实现了外径的微米级精度测量;Kim等[14]提出了一种结合数字全息和模式识别算法的阵列结构微光学元件的三维测量方法,该方法测量微透镜的直径和高度,测量平均误差在2%以内,说明视觉方法实现光学元件尺寸的高精度测量可行性极高。但是这些检测方法都无法解决本文中光学元件边缘成像复杂的问题,还需探索其他方法进行检测。
针对传统测量方法的不足,本文利用机器视觉方法对光学元件尺寸测量进行研究。提出了一种穹顶光和同轴光结合的暗场散射照明方案突出表面特征;使用不均匀光照补偿算法[15-16]减轻光照和重影的干扰;使用改进的Otsu方法提高边缘检测的精度和算法的鲁棒性,改进后测量相对误差不超过0.80%;开发了对应的尺寸测量软件,实现了高精度、非接触的多种微小型光学元件的尺寸测量。
2 测量原理
2.1 边缘提取
2.1.1 不均匀光照补偿
受崩边和打光方式影响,元件边缘会出现重影,处理不当可能会引起较大的测量偏差,于是使用光照补偿算法消除重影,光照补偿算法流程如
式中:pij为原图坐标(i,j)处的灰度值;M和N分别为原图的长度和宽度。将原图IMN分割成大小为32×32的m×n个子块,每个子块的灰度均值d为
全部子块的灰度均值矩阵为
计算得到的亮度差值矩阵E为
其中,
使用双立方插值公式对E进行插值,将其放大到原图I的大小,得到全图的亮度差值分布矩阵R。双立方插值公式为
式中:S(•)为采样函数;f(i,j)为E中点(i,j)处的灰度值;F(i+v,j+u)为R经插值后在点(i+v,j+u)处的灰度值。
将原图I和R相减,即可对原图中过亮和过暗的区域进行一定的补偿,得到图像O。
图 2. 光照补偿前后元件的对比。(a)光照补偿前;(b)光照补偿后
Fig. 2. Comparison of components before and after illumination compensation. (a) Before illumination compensation; (b) after illumination compensation
2.1.2 基于区域分割的Otsu方法
Otsu方法(最大类间方差法)是一种可根据某一阈值将图像分成背景和目标两部分,使得两部分的类间方差最大的方法。该阈值分割方法的原理为:设阈值T(k)=k(1<k<L),通过阈值k可以将图像分为μ0和μ1两类。为使目标和背景之间的方差最大,目标函数为
按照阈值k,可将原图分为背景和目标两部分,两者的交界处即为元件的边缘。用Otsu方法提取边缘时,测量得到的结果误差较大,所以使用区域分割算法[17]对原方法进行改进。首先用Otsu方法分离如
图 3. 光学元件边缘提取。(a)原图;(b)Otsu阈值分割;(c)边缘膨胀;(d)边缘腐蚀;(e)区域分割
Fig. 3. Edge extraction of optical element. (a) Original image; (b) Otsu threshold segmentation; (c) edge expansion; (d) edge corrosion; (e) region segmentation
2.2 尺寸测量
1)确定角点位置。在所有轮廓点中任取其中一个点S,搜索与S之间距离最大的点为第一个角点,随后以与已知角点间距离(当有多个已知角点时为距离和)最大为依据依次找到其余三个角点。
2)补足完整轮廓。将轮廓点按边分为四组,使用最小二乘直线拟合法计算四条边的直线方程。假设某边上共有n个点,每个点的坐标为(xi',yi')(i'=1,2,…,n),且所有点之间存在线性关系,则可设该线性模型为
式中:w为拟合直线的斜率;b为拟合直线的截距;
3)尺寸标定
图 6. 标定板和标定线。(a)标定板;(b) 垂直的标定线;(c) 水平的标定线
Fig. 6. Calibration plate and calibration lines. (a) Calibration plate; (b) vertical calibration line; (c) horizontal calibration line
用Accura ⅢA影像仪测量的数据作为本系统的标定依据,测量精度为(3.0+L/200)μm。测量首尾标定线间的距离,结果如
表 1. 标定线间距
Table 1. Calibration line spacing
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4)尺寸计算:l1~l4为元件的四条边,A、B、C、D为四个角点。对l1上的线段AB上所有点到对边l2的距离求均值,可得l1和l2的间距,同理可知l3和l4的距离,即元件的长和宽。
3 实验结果及精度分析
分别使用Otsu方法、Canny边缘检测算法、基于区域分割的Otsu算法测量同一光学元件10次,得到的元件尺寸如
表 3. 数显测长仪测量光学元件尺寸的结果
Table 3. Results of measuring size for optical components obtained by digital length gauge
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表 4. 机器视觉测量尺寸的误差分析
Table 4. Error analysis for measuring size of machine vision
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表 5. 数显测长仪测量两种不同规格光学元件尺寸的结果
Table 5. Results for measuring the size of two kinds of optical elements using digital length gauge
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表 6. 元件尺寸测量结果及误差分析
Table 6. Measurement results and error analysis of component size
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表 2. 光学元件尺寸测量结果
Table 2. Measurement results of optical components for size
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根据标准差公式,
Otsu方法测量长度和宽度的标准差分别为9.2 μm和145.8 μm。其中N'为总测量次数,xj'为第j'次测量结果,
使用JC-1系列数显测长仪连续测量该光学元件5次,结果如
机器视觉测量的结果相较测长仪测量结果的绝对误差和相对误差如
比较可知,基于区域分割的Otsu算法相较改进前测量准确度有一定的提高,且两种Otsu算法的准确度均优于Canny边缘检测算法检测的结果。相较Canny边缘检测算法,基于区域分割的Otsu算法检测边缘尺寸的平均误差减小了10 μm以上,测量准确性和稳定性也有很大的提高。
为验证本系统对不同规格光学元件的适应性,选取两种不同规格的光学元件进行测量。
分别对本系统测量长度和宽度的结果进行不确定度分析。根据
4 测量系统设计
4.1 图像采集系统
针对微小型光学元件尺寸微小的特点,系统采用高分辨率的海康威视MV-CA050-10GM相机(分辨率为2448×2048)和高分辨率的灿锐XF-MT3X65D远心镜头(光学放大倍率为3×)进行图像采集。
光学元件具有高透射、高反射的特性,受光照影响大,采集图像易失真。为了更好地采集其表面的图像信息,减弱环境光的影响,系统采用暗场散射照明的方式进行图像采集:使用穹顶光形成暗场,在暗场散射下结合同轴光进行照明,不仅可以打亮多膜面,更好地区分出孔洞区域,还可以利用穹顶光打亮元件的边缘,更完整地呈现出整个元件的表面特征。
4.2 测量软件设计
采集到的图像传送至个人计算机,使用Visual Studio软件进行图像处理与尺寸计算。软件分为检测准备、待测元件类型选择、图像显示、检测与结果显示4个模块。检测流程如
测量前先选择元件类型,选定后,“元件类型及参数”栏显示检测标准。图像传入软件后开始测量并显示计算结果。界面显示测量到的两对边间距离的平均值、最大距离、最小距离,并根据标准判断元件是否合格,并显示在“result”一栏;在原图上标注测量值,根据元件是否合格标注“OK”或“NG”。
4.3 整体系统设计
所提微小型光学元件尺寸测量系统主要包括图像采集系统、软件测量系统、一个二维位移平台。
5 结论
设计了一套微小型光学元件尺寸的视觉测量系统。针对光学元件高反射性、高透射性等特点,使用同轴光和穹顶光进行暗场散射成像,突出了光学元件的边缘和表面特征。使用不均匀光照补偿法消除边缘重影,在保护真实边缘的基础上减弱重影的影响;又使用区域分割算法对边缘进行细分,解决了崩边造成的边缘成像复杂性对尺寸测量的影响;最后利用最小二乘法重建完整元件的边缘,计算得到元件尺寸。
实验结果表明:使用Canny算子边缘检测算法计算长度和宽度的平均误差分别为23.6 μm和16.1 μm,测量误差较大;Otsu算法测量长和宽的标准差分别为9.2 μm和145.8 μm,易产生粗大误差,测量稳定性不高;基于区域分割的Otsu算法测量长和宽的标准差分别为1.5 μm和3.4 μm,平均误差分别为1.5 μm和4.3 μm,无较大的偏差。基于区域分割的Otsu算法不易受光照、重影和崩边等情况的影响,最大测量误差不超过10 μm,具有较高的准确性。本系统测量长度和宽度的不确定度分别为0.5 μm和1.1 μm,稳定性较高。
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