电脑显微测量系统的研制

　　0　前言

　　选用合适的透镜组对被测的细微物体进行放大,把细微物体的实象投射到CCD面阵传感器上,经扫描驱动电路驱动扫描,再经计算机数据处理,便可在计算机的显示器屏上呈现稳定的放大图象,可以实时地多人同时观察,并可把观察的图象存盘留档,亦可做改变亮度对比度等图象处理,以使图象更清晰,可随时打印记录.放大倍率可用硬件和软件随时调整,照明配置也可按需要调整.该系统还配有专用的测量软件,能直接显示被测物体的二维(x,y)方向的几何尺寸.

　　为了得到清晰的放大图象,达到实际需要的放大倍率和测量精度,必须考虑放大光路、CCD面阵传感器和照明配置等参数的设计配合,还必须设计配置图象采集、数据处理和测量的程序软件.

　　经过一年多的研究,电脑显微测量系统已经研制成功,见图1,样机已在工厂使用.该系统的放大倍率在40-800之间,连续选择.当选放大倍率为260时显示精度达1微米,综合测量误差不大于±2微米.下面重点讨论电脑显微测量系统的放大光路的设计原理和CCD面阵传感器的参数设计和选取,并介绍电脑显微测量系统在实际生产中的应用.

　　1　电脑显微测量系统的结构

　　电脑显微测量系统主要由计算机、CCD面阵传感器和显微放大等部分构成,见图2.图中表示:1照明光源的控制电源,2照明光源,3被测物,4放大透镜组,5CCD面阵传感器,6 CCD扫描驱动电路,7计算机显示器,8计算机,9打印机.

　　2　光路及CCD面阵传感器的参数设计选配

　　按实际测量和观察需要,设计选择CCD面阵传感器的参数如下,象元数800×600,象元大小14μm×14μm,象元距16μm,见图3,还有光照灵敏度等参数与本文讨论无关,这里不多赘述.

　　使用此种CCD面阵传感器,若要求达到1μm的分辩率,投射到CCD面阵传感器的图象应比实物放大16倍.这样高的放大倍率的光学系统必须采用透镜组合,才能达到色差、象差崎变等图象质量的指标.光路设计需要考虑的参数很多,首先要满足放大倍率、图象质量,其次是光照度,最后还必须考虑结构尺寸.满足上述要求的光学系统的设计和制造,是电脑显微测量系统成败的关键之一.

　　根据理想光学系统的物象关系,放大光路如图4,光学系统的主点H,H′和焦点F,F′位置是已知的,对于给定位置上长度为Y的垂轴物体AB,可根据理想光学求出象的位置和大小,图中A′B′就是AB的象,长度为Y′.

　　按图4几何关系有

　　得到垂轴放大率

　(1)

　　(1)称为牛顿公式的垂轴放大率公式.当光学系统处于同一种介质中,例如空气中,以主点为原点的物、象位置关系可写为