哈尔滨工业大学（深圳）机电工程与自动化学院，广东 深圳 518057
精密定位测量旨在针对微动目标实现微纳米精度的定位与小尺度操纵，其作为一种重要的测量技术，在工业生产、半导体制造等高端装备领域得到广泛应用。与其他测量方法不同，光学显微视觉测量技术因具备交互性强、扩展性强的特征而广泛应用于精密测量中。对基于光学显微视觉的精密定位测量技术进行分析与综述。首先，介绍光学显微视觉系统的成像模型与工作原理。其次，根据是否基于标靶图案的特征，对显微定位测量算法进行分类；同时，根据标靶图案的周期特征进行进一步的分类与探究，讨论其在不同标靶图案下的性能指标。最后，总结光学显微视觉定位测量方法在不同领域的应用与前景。该综述旨在为研究人员提供关于光学显微视觉精密定位测量技术的发展状态与趋势，促进微纳尺度定位测量技术的发展。
光学系统 精密定位测量 显微视觉 微纳尺度 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211021
1 广东工业大学 省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室， 广东广州50006
2 广东工业大学 广东省微纳加工技术与装备重点实验室，广东广州510006
3 广东工业大学 广东省信息物理融合系统重点实验室，广东广州510006
为在微米级尺度量化表述离面位移激励值-聚焦面内微视觉运动追踪精度劣化值的映射特性，使用光学显微镜、工业相机和空间纳米定位平台进行实验研究。首先，分析离面位移的形成机理，使用方差函数评价图像清晰度，搜索最佳对焦平面并设定为聚焦平面，作为计算离面位移的基准。其次，设计空间多自由度纳米台，将其末端执行器作为微视觉追踪目标，生成聚焦平面内的运动轨迹，同时同步生成可控可测的离面位移。然后，选取灰度值模板匹配法与感兴趣区域划分法作为当前微视觉运动追踪算法，测量聚焦面内的运动轨迹。最后，加工纳米台样机，搭建微视觉运动追踪系统，使用电容传感器作为评价手段，计算不同离面位移引起的微视觉运动追踪精度劣化数值。实验结果表明，微视觉运动追踪精度随着离面位移的增大而不断劣化，具有显著且可量化的相关性。针对给定的76.1 μm×63.7 μm视场、15 Hz采样率与灰度值模板匹配法，（7.7±2.5） μm或更大的离面位移导致微视觉测量系统完全失效。
微视觉运动追踪 离面位移 精度劣化 纳米定位平台 micro-vision motion-tracking out-of-focused-plane displacements accuracy degradation nano-positioning stage
1 苏州大学 机电工程学院，江苏苏州25000
2 中国空气动力研究与发展中心 超高速空气动力研究所，四川绵阳61000
MEMS摩阻传感器是一种专门为测量高超音速飞行器模型表面摩擦阻力设计的立体式MEMS传感器，为了实现其可靠组装，设计了MEMS摩阻传感器微组装系统，对包括双显微视觉系统、高精度治具设计、精密操作工具、精密定位平台、高精度视觉识别算法以及点胶工艺等进行了研究。首先，分析确定了传感器性能与传感器浮动杆与芯片组装的形位公差、总成后的浮动杆上端圆面与传感器管壳上组件圆孔的同心度以及端面平齐度与高度差相关。然后，针对影响因素设计了高精度治具保证组装前传感器各个部件的形位公差在理论范围内，设计了精密操作工具确保精确吸取部件并在组装过程中稳定搬运部件，利用双显微视觉精确识别装配的轴孔位置，驱动精密定位平台将各部件搬运到对应装配位置。最后，研究点胶工艺对于传感器装配性能的影响。实验结果表明：传感器微组装完成后，其浮动头与管壳上组件圆孔同心度偏差平均值约4.90 μm；浮动头与上端盖端面高度差跳动值为1 μm。MEMS摩阻传感器微组装系统完全满足传感器装配要求。
MEMS封装技术 微操作 显微视觉 精密定位 MEMS packaging technology micromanipulation micro vision precision positioning 光学 精密工程
2022, 30(16): 1943
华北理工大学电气工程学院,河北 唐山 063210
为实现对飞秒激光烧蚀的光斑阵列进行准确测量,构建微视觉系统进行图像的采集、处理。由于微视觉系统视场有限,单帧图像无法反映光斑阵列全貌,需对多帧图像进行拼接处理。首先,利用微视觉远心镜头对飞秒激光烧蚀的光斑列阵图像进行采集,获得多幅光斑阵列图像; 其次,运用Harris及RANSAC算子并加入ANMS非极大值抑制,对多幅光斑阵列图像进行配准与拼接,并经实验验证了采用此图像拼接方法能获得较好的光斑阵列整体图像。最后,运用SSIM评价法对拼接后图像与原图像进行对比,证明了拼接效果的准确性,能达到对原图像89.795 435%的还原,对测量大视场微结构图像有重要意义。
微视觉 ANMS非极大值抑制 micro vision Harris Harris RANSAC RANSAC ANMS non-maximal suppression
1 大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室, 辽宁 大连 116024
2 大连理工大学 辽宁省微纳米技术及系统重点实验室, 辽宁 大连 116024
在微装配中, 采用变焦变倍视觉系统可以有效解决测量范围与精度的矛盾, 但同时也引入了动态标定和实时自动聚焦的新问题。为此, 对变焦变倍显微视觉系统的标定和自动聚焦技术展开研究。在标定方面, 首先通过变倍率法完成图像主点的标定。基于平面靶标定法, 采用单视图单应矩阵分解对固定倍率下相机内外参数进行线性标定, 再引入畸变模型, 并由量子行为粒子群优化算法对标定结果进行非线性优化, 优化之后的最大反投影误差约为0.13 pixel, 平均反投影误差约为0.1 pixel。此外, 通过高斯曲线拟合完成对任意工作状态下视觉系统放大倍数的校准。在自动聚焦方面, 针对传统灰度梯度函数只考虑固定梯度方向且易受噪声影响的问题, 采用八邻域最大梯度阈值的自动调焦算法, 通过梯度阈值提高算法的抗噪性。与其他几种灰度梯度调焦函数相比, 该算法的单峰性好, 抗噪性强。
变焦变倍显微视觉系统 标定 量子行为粒子群优化 自动调焦 zoom micro-vision system calibration quantum-behaved particle swarm optimization automatic focusing 红外与激光工程
2018, 47(11): 1117001
北方工业大学 机械与材料工程学院, 北京 100144
结核杆菌医学涂片大多具有观察区内容稀疏不均匀、杂质较多的特点, 使用自动显微镜检方法进行图像采集时, 会出现清晰度区分困难、效率低下、甚至聚焦评价失效的问题, 为提高自动镜检的效率和准确度, 本文自主搭建了显微视觉计算机自动检测系统, 对结核杆菌涂片的自动聚焦技术进行系统的研究。首先, 对比研究11种常用聚焦函数对结核杆菌镜检玻片图像聚焦评价的优劣, 并分析了聚焦成功和失效的原因。在综合分析各聚焦函数对结核杆菌涂片的聚焦效果基础上, 提出了一种基于Tenengrad的改进型聚焦评价函数, 通过改进内容像素的聚焦权重提高聚焦准确度, 优化图像处理算法来提高图像采集效率。实验结果表明: 改进型Tenengrad聚焦函数FTen-Q在结核杆菌涂片的各类视野图像评价方面具有高灵敏度和准确度, 其聚焦成功率和运算效率分别提高了13.884%和17.616%, 可以满足结核杆菌涂片类非均匀涂片的显微视觉自动检测应用要求。
自动聚焦 显微视觉 聚焦函数 聚焦权重 图像处理 auto-focusing micro vision focusing function focusing weight coefficient image processing
1 华南理工大学 制浆造纸工程国家重点实验室, 广东 广州 510641
2 广东省精密装备与制造技术实验室, 广东 广州 510641
微视觉系统中同轴光源和光学衍射的存在, 使CCD相机获取的图像具有灰度值偏低、光照不均匀、动态范围大、对比度差以及微细结构丢失或无法辨识的缺陷。为改善图像质量, 本文提出一种升余弦变增益子带分解微视觉图像自适应增强方法。该算法首先基于图像特性利用自适应Log增益对原图像进行增强, 提高微视觉图像中亮暗区细节特征与背景的对比度; 接着使用自适应升余弦卷积进行快速照度估计; 然后对各通道的输出图像采用自适应变增益子带分解算法获取独立光谱子带; 最后进行亮度校正、图像融合与色彩恢复。将该算法用于微位移测量系统中可使测量结果的相对误差小于20%; 用于处理光照不均的图像可有效降低同轴光源靠近中心区域的亮度; 此外, 扩展至普通图像的处理中可提高对比度, 改善细节特征。3组实验结果的平均图像质量相对提高率为81.46%, 71.18%和93.75%; 平均耗时为386 s, 0.24 s和1.27 s。
微视觉 图像增强 光照不均 升余弦 变增益 micro-vision image enhancement non-uniform illumination raised cosine variable gain
中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
针对微颗粒空间装配的问题, 以外径为十几微米的微颗粒与外径为几百微米的柱腔装配为研究对象, 开展微颗粒空间跨尺度装配方法研究。首先, 针对微颗粒受到基底表面作用力影响不易被拾取与释放的问题, 分析了微颗粒的受力情况, 设计了真空吸附式微夹持器用于微颗粒的拾取与释放; 然后, 针对由于微颗粒与柱腔的尺寸跨度大, 很难实现装配过程中二者空间位置实时监测的问题, 设计了具有多维视觉监测功能的微装配机器人并且建立了多维视觉监测模型, 实现微颗粒与柱腔装配过程的在线监测; 最后, 提出了基于多维视觉监测模型的微颗粒与柱腔空间半自动装配方法。实验结果证明了所提方法的有效性, 并且实现了将外径为20 μm的微颗粒放入外径为200 μm的柱腔内的目标。该方法适用于微机电系统制造中微颗粒的三维空间装配。
微颗粒 微夹持 空间装配 显微视觉 微装配 micro-particle micro-grip space assembly micro-vision micro-assembly
1 燕山大学 电气工程学院，河北 秦皇岛 066004
2 东北大学 秦皇岛分校 控制工程学院，河北 秦皇岛 066004
3 河北环境工程学院 环境工程系，河北 秦皇岛 066004
针对显微视觉系统中大范围聚焦问题，本文提出新的聚焦搜索策略。该策略将改进的SUSAN 算子和小波变换算子组合提出新的聚焦评价函数，并根据评价函数单峰性以及峰值两侧变化陡峭的特点将聚焦曲线分为实现快速搜索的平缓区和高斯拟合的陡峭区，采用自行研发的显微视觉系统对搜索策略进行验证，按照拟合结果驱动电机直接到达焦平面。实验结果表明，新的聚焦搜索策略在实时性和准确性上具有更好的效果。
显微视觉 大范围聚焦 SUSAN 算子 小波变换 高斯拟合 micro-vision system large range focus SUSAN operator DWT Gaussian fit
北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100192
为了对光纤阵列测量的高精度显微模板进行精密检测,采用双频激光干涉仪结合显微视觉系统,通过骨架化、腐蚀法、质心法等算法对显微图像进行计算处理,实现模板特征刻线的提取与精确定位.对模板上8条刻度线之间的间距分别进行重复测量和组合测量,实验结果表明重复测量的标准偏差不大于0.07 μm,组合测量的标准偏差不大于0.04 μm.介绍了测量系统构成与工作原理,并对测量过程进行了精度分析,分析结果表明测量过程的极限误差不大于0.10 μm.
显微视觉 双频激光干涉仪 光纤阵列 精密测量 micro-vision dual-frequency laser interferometer fiber array precision measurement
