CN102589415A - 计量型数字图像平面等厚干涉仪及采用其测量物体表面平面度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量仪器及测量方法领域，提供了一种计量型数字图像平面等厚干涉仪及采用该干涉仪对物体表面平面度进行测量的方法。计量型数字图像平面等厚干涉仪在现有光学平面等厚干涉仪的基础上，在目镜处设置CCD图像传感器用以替代传统的目测读数、手工记录的操作方式，配合安装有图像采集卡和相应处理软件的计算机，实现了平面度的自动、准确测量和数据处理，提升了平面度检定过程中的自动化程度和数据处理的微机化程度，降低了劳动强度、提高了测量的效率和准确度。测量方法方面，充分发挥软件的功能，将测量过程分为图像接收、图像处理和数据处理得出检定结果三个大步骤，在图像处理环节中进行多次优化计算，提升了平面度检定结果的准确性。

Description

计量型数字图像平面等厚干涉仪及采用其测量物体表面平面度的方法

技术领域

本发明属于测量仪器及测量方法领域，提供了一种计量型数字图像平面等厚干涉仪及采用该干涉仪对物体表面平面度进行测量的方法。

背景技术

平面等厚干涉仪是与标准平晶共同组成计量系统对物体表面平面度进行测量的仪器。现有平面等厚干涉仪是一种光机型仪器，采用光学放大的原理，目视读数、手工记录，检定结果要靠人工进行大量的数学计算，因此测量过程复杂、检定速度慢、工作效率低、而且检定结果受检定人员的主观影响较大。对于平面度这样需要高精度量化的指标来说，任何误差或影响都可能使测量结果失去意义。在现有光学平面等厚干涉仪的使用过程中，由于设备的频繁使用，部分期间老化、污染，造成干涉图像模糊，使检定人员的工作强度增大，这进一步提升了测量结果失败的可能性。与此同时，CCD摄像和计算机图形处理技术得到了日益快速的发展，在国内外也有了用上述两种技术来分析、处理等倾干涉条纹的研究。但是由于等厚干涉条纹图像处理要涉及到图像的跟踪和判别，因此该技术还未应用于等厚干涉测量领域。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种测量过程简单、检定速度快、检定效率和精度高、检定人员工作强度低的计量型数字图像平面等厚干涉仪，并提供一种采用此种干涉仪对物体表面平面度进行测量的方法。

本发明的目的是提供一种计量型数字图像平面等厚干涉仪，包括光学平面等厚干涉仪，还包括CCD摄像模块、图像采集模块和软件处理模块，所述CCD摄像模块为设在所述光学平面等厚干涉仪目镜处的CCD图像传感器，还包括作为上位机的计算机，所述图像采集模块为安装在所述计算机中的图像采集卡，所述CCD图像传感器连接至所述图像采集卡，所述软件处理模块为安装在所述计算机中、接收所述图像采集卡采集到的图像信号并对其进行处理、最终计算得出待测物体表面平面度值的软件。

该计量型数字图像平面等厚干涉仪还可以采用如下技术方案：

所述CCD图像传感器为CCD摄像机。

所述软件处理模块包括图像接收模块、图像截取模块、图像处理模块和平面度检定模块。

所述软件处理模块还包括打印输出模块。

还包括连接至所述计算机、用于打印输出采集的图像和平面度计算数据的打印机。

本发明的另一个目的是提供一种采用上述计量型数字图像平面等厚干涉仪对物体表面平面度进行测量的方法，包括：

(1)打开仪器电源进行预热的步骤；

(2)将待测物体放置于平面等厚干涉仪内标准平晶上的步骤；

(3)采用计算机中软件进行图像接收的步骤；

(4)调整所述平面等厚干涉仪上的按钮直至显示的图像中干涉条纹位置和数量满足测量要求的步骤；

(5)图像截取的步骤；

(6)图像处理的步骤；

(7)平面度检定，即计算得出平面度值的步骤；

(8)将所述图像和平面度检定值进行屏幕显示的步骤。

该方法还可以采用如下技术方案：

所述步骤(6)依次包括图像二值化、边缘提取、自动识别、像素细分、条纹修补、跟踪、标记和采样，最终得到干涉条纹的干涉级数。

还包括将步骤(8)中所述的图像和平面度检定值进行打印输出的步骤。

本发明具有的优点和积极效果是：本发明计量型数字图像平面等厚干涉仪通过在现有的光学平面等厚干涉仪的目镜处设置CCD图像传感器、设置安装有图像采集卡和处理软件的上位机，将传统目测读数、手工记录和人工计算平面度的测量方式转换为自动采集、自动计算的方式，实现了平面度检定过程的自动化和数据处理的微机化，使操作过程变得简单，提升了检定速度和工作效率，降低了人工工作强度和检定人员的主观意识对测量结果的影响。检定结果精确可靠。

附图说明

图1是本发明中平面等厚干涉仪的硬件结构示意图；

图2是本发明的系统框图；

图3是本发明中测量物体表面平面度方法的流程图；

图4是本发明中图像处理的结果及参数取定方法的示意图。

图中：1、光学平面等厚干涉仪；2、CCD图像传感器；3、计算机；4、打印机；5、CCD摄像模块；6、图像采集模块；7、软件处理模块；8、图像接收；9、图像截取；10、图像处理；11、平面度检定。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

图1是本发明计量型数字图像平面等厚干涉仪的硬件结构示意图，包括现有的光学平面等厚干涉仪1，作为上位机的计算机3和用于打印输出的打印机4。在光学平面等厚干涉仪1的目镜处设有CCD图像传感器2，本实施例中，CCD图像传感器为CCD摄像机。在计算机3的主机上安装有图像采集卡并同时安装有相应的处理软件。打印机4连接至计算机3。

图2是本发明计量型数字图像平面等厚干涉仪的系统框图，包括CCD摄像模块5、图像采集模块6和软件处理模块7。其中CCD摄像模块5就是安装于仪器目镜处的CCD摄像机，图像采集模块6就是安装于计算机3主机中的图像采集卡，软件处理模块7就是安装于计算机3中的处理软件。

软件处理模块7包括用于从图像采集卡中接收图像的图像接收模块8、图像调整到合适条件后进行截图的图像截取模块9、对截取到的图像进行处理最终得到干涉条纹干涉级数的图像处理模块10和根据图像处理结构进行计算的平面度检定模块11，其中平面度检定模块11依据《JJG28-2000平晶国家检定规程》进行编制。还包括控制打印机4打印输出采集到的图像和平面度计算数据的打印输出模块。

本发明中采用上述计量型数字图像平面等厚干涉仪对物体表面平面度进行测量的方法，包括：

(1)打开仪器电源进行预热；

(2)将待测物体放置于平面等厚干涉仪内标准平晶上；

(3)采用计算机中软件进行图像接收；

(4)调整所述平面等厚干涉仪上的按钮直至显示的图像中干涉条纹位置和数量满足测量要求，通常情况下此处干涉条纹的数量应达到3至5条；

(5)对图像进行截取；

(6)处理得到的图像；

(7)平面度检定，即计算得出平面度值；

(8)将所述图像和平面度检定值进行屏幕显示。

其中，步骤(6)依次包括图像二值化、边缘提取、自动识别、像素细分、条纹修补、跟踪、标记和采样，最终得到干涉条纹的干涉级数。还包括将步骤(8)中得到的图像和平面度检定值进行打印输出的步骤。

本发明的图像处理步骤(6)采用像素作为读数单位：即建立一标定模块来确定单位像素对应的长度值，采用波长来标定此值。根据接触式干涉仪的定度方法，接触式干涉仪的定度即是确定目镜分化标尺的刻度值，定度时所使用的长度标准量是滤光片透过光的中心波长λ(检定数值)，在M条条纹间隔里包含有N个标尺刻度，则标尺刻度值i为：

$i=\frac{\mathrm{M\λ}}{2N}$

在定度单位像素对应的长度值时，软件通过双边直线拟合法自动拟合、识别出每个条纹波谷，通过软件自动计算，得出在m条条纹间隔里包含有n个像素数，根据仪器给出的标准值，一个条纹对应的长度值为0.283μm，能计算出每个像素对应的长度值：

$L=\frac{0.283\×m}{n}\left(\mathrm{\μm}\right)$

在图像处理步骤(6)中，得到此单位像素对应的长度值即完成定度之后，在得到的符合测量要求的图像上软件自动计算待测长度内的像素数，然后用此像素数乘以每个像素对应的长度值L，即可得到待测长度的真实值。这些真实值包括条纹间距a和通过直径的最大弯曲量b。然后代入平面度计算公式中：

$F=\frac{b}{a}\·\frac{\mathrm{\λ}}{2}-{\left(\frac{d}{96}\right)}^2\·F_{96}$

其中：F为被检平晶的平面度值、a为条纹间距、b为通过直径的最大弯曲量、λ为所使用光源的光波波长、d为被检平晶的有效直径、F₉₆为标准平晶在Φ96毫米范围内的平面度值。

图4是本发明中图像处理的结果及参数取定方法的示意图，从图中可以看出上述平面度计算公式中a、b两值的取定方法。

本发明所达到的测量效果是：

1、等厚干涉仪的测量重复性提高到：s＝3.5μm；

2、测量示值误差在任意1mm内不超过1000个像素，即：3.5μm；

3、测量平晶平面度测量结果的不确定度：U＝0.016μm，k＝2。

Claims (8)

1.一种计量型数字图像平面等厚干涉仪，包括光学平面等厚干涉仪，其特征在于：还包括CCD摄像模块、图像采集模块和软件处理模块，所述CCD摄像模块为设在所述光学平面等厚干涉仪目镜处的CCD图像传感器，还包括作为上位机的计算机，所述图像采集模块为安装在所述计算机中的图像采集卡，所述CCD图像传感器连接至所述图像采集卡，所述软件处理模块为安装在所述计算机中、接收所述图像采集卡采集到的图像信号并对其进行处理、最终计算得出被测物体表面平面度值的软件。

2.按照权利要求1所述的计量型数字图像平面等厚干涉仪，其特征在于：所述CCD图像传感器为CCD摄像机。

3.按照权利要求1计量型数字图像平面等厚干涉仪，其特征在于：所述软件处理模块包括图像接收模块、图像截取模块、图像处理模块和平面度检定模块。

4.按照权利要求3计量型数字图像平面等厚干涉仪，其特征在于：所述软件处理模块还包括打印输出模块。

5.按照权利要求4计量型数字图像平面等厚干涉仪，其特征在于：还包括连接至所述计算机、用于打印输出采集的图像和平面度计算数据的打印机。

6.采用权利要求1至5任一项所述的计量型数字图像平面等厚干涉仪测量物体表面平面度的方法，其特征在于：

(1)打开仪器电源进行预热的步骤；

(2)将待测物体放置于平面等厚干涉仪内标准平晶上的步骤；

(3)采用计算机中软件进行图像接收的步骤；

(4)调整所述平面等厚干涉仪上的按钮直至显示的图像中干涉条纹位置和数量满足测量要求的步骤；

(5)图像截取的步骤；

(6)图像处理的步骤；

(7)平面度检定，即计算得出平面度值的步骤；

(8)将图像和平面度检定值进行屏幕显示的步骤。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤(6)依次包括图像二值化、边缘提取、自动识别、像素细分、条纹修补、跟踪、标记和采样，最终得到干涉条纹的干涉级数。

8.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：还包括将步骤(8)中所述的图像和平面度检定值进行打印输出的步骤。

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