改进的读数显微镜微小物体显示与测量系统
改进的读数显微镜微小物体显示与测量系统[20200101170227]
在使用读数显微镜测量物体时，眼睛通过目镜直接观察和测量目标物体，观察和测量时间一旦长久，眼睛很容易产生疲劳，且读数过程繁琐、容易产生主观误差。同时观察的结果（图像、数据）不能被立即保存下来，从而不能够对图像数据进行进一步识别和分析，自动化程度低。针对上述问题，我们提出利用现代光电技术和计算机系统，对传统读数显微镜进行数字化改进，使牛顿环等被测量的微小物体及其相关读数能够显示在计算机屏幕上，从而减少实验中人为错误。由于采集的图像和数据已经进入计算机系统，因此可以进行网络化信息处理。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:读数显微镜,显示与测量系统,微小物体
目 录
1.绪论 1
1.1研究的背景及意义 1
1.2 读数显微镜的组成 1
1.3显微镜的历史和发展方向 2
1.4 读数显微镜的应用 2
1.5本课题研究的内容 3
2 微小物体测量系统的硬件组成及原理 4
2.1读数显微镜的光学放大原理 4
2.2 显示与测量系统各部分硬件介绍 5
2.3 改进的显微镜装置设计 6
2.4 本章小结 7
3.微小物体显示与测量系统软件介绍与研究 7
3.1 信息采集系统软件说明 7
3.2 信息采集系统计算机界面研究 8
3.3 计算机观测界面显示 11
3.4 本章小结 12
结 论 13
致 谢 14
参 考 文 献 15
附录 16
1.绪论
1.1研究的背景及意义
传统的读数显微镜是人的眼睛通过目镜直接观察物体的图像的，自动化程度低，测量时间长容易造成眼睛疲劳，且读数过程繁琐、容易造成人为误差；人眼直接观察微小物质不能将观察到的结果用图像的形式保存下来，相应的参数无法准确记录，从而不能后续对结果进行识别、分析以及网上数据共享。现代计算机技术和光电传感技术的发展使这个缺点能得到克服，能够对微小物体进行测量，并且对所观察到的微观物质以数字图像的形式保留下来，以便后期处理、使用[1]。
本课题以牛顿环实验为例，介绍通过现代技术改进现有的读数显微镜，实现读数显微镜的智能化改造。牛顿环实验是一个典型的等厚干涉实验，目前在高校大学物理实验中普遍开设此试验项目，但是在实验观测时还是使用显微镜和刻度尺相结合的方式。这种传统的方式存在许多缺陷：容易带进回程误差，造成记数失败。而改进后的显微镜将数字图像处理技术引入其中，读数显微镜中观测到的牛顿环条纹直接采集到计算机上，同时显示数据，减少目视光学测量系统的人为因素误差，提高测量精度。该方法充分将图像传感器技术和计算机技术相结合, 既能保持原有测量精度，又提高了实验的观测效果, 数据采集更方便，使传统的物理实验趋于现代化，便于实验室的教学与应用，实现传统实验和现代计算机的有机结合，使传统的物理实验趋于现代化。通过引入光电技术、计算机数字显示等先进技术,极大地提高了光学显示与测量的精度和效率,为光学精密测量技术开辟了广阔的发展前景。在光学测量技术中,微小物体的测量具有着重要的应用价值。通过计算机控制显示测量变的高效、灵活，并且应用于各个领域,如果将这种技术应用于大学物理实验,特别是显微镜测量,讲大大降低实验误差,实验结果更为精确。
1.2 读数显微镜的组成
读数显微镜是光学精密机械仪器中的一种测量装置，适用于有关计量单位、工厂的计量室或精密刻度车间，用于对分划尺或度盘的刻线进行对准检查和测定工作。读数显微镜是利用光学原理，把人眼所不能分辨的微小物体放大成像，以供人们提取微细结构信息的光学仪器。其结构包括三大部分：机械部分，光学部分和照明部分。机械部件主要包括调焦机构、载物台、物镜转换器等运动夹持部件以及底座、镜臂等支持部件；光学系统包括目镜、物镜；照明部分装在载物台下方，包括光源、反光镜、集光器。由目镜、镜筒、物镜等组成的显微镜成像系统原理。[2]
1.3显微镜的历史和发展方向
显微镜（microscope）一词，最早由法布尔于1625年提出，并一直沿用至今。1610 年意大利物理学家伽利略（Galileo）制造了复式显微镜，该显微镜具有物镜、目镜及镜筒。1611年开普勒（Kepler）阐明了显微镜的基本原理。19世纪中叶，在显微镜的发展进程中，贡献最为突出的是德国的物理学家、数学家和光学大师恩斯持·阿贝（ErnstAbbe）。他提出了显微镜的完善理论，阐明了成像原理、数值孔径等问题，1870年，他发表了有关放大理论的重要文章，1872年，又发明了油浸物镜，并且在光学玻璃、显微镜的设计和改进等方面取得了光辉的业绩。从19世纪末至20世纪上半叶，一些欧洲的科学家致力于提高显微镜的分辨率及观察效果，继而设计并制造出了反射镜、消色差物镜、大数值孔径物镜、油浸物镜、萤石玻璃校正的复消色差物镜、暗视野聚光镜、偏光附件及补偿目镜等光学部件，使显微镜的性能不断地提高，应用领域也越来越广，显微镜的造型也相应的日趋完善。随后人们又利用光波的某些现象和特征，改进了成像光路。1902 年，艾夫斯（E. E. Lves）奠定了现代双目镜的基本系统。近年来，由于新理论、新技术在显微镜中的运用，20世纪60年代中期研制出诺尔曼斯基（Nomarski）微分干涉差显微镜，这类显微镜在很多学科的研究工作中显现出优越的性能。可以预见，随着科学技术的不断发展，不久的将来显微镜的性能会越来越完善，用途也会越来越广泛[3]。
20 世纪中叶以来，光电技术、计算机技术、半导体微电子技术、超大规模集成电路技术、图像模式识别与处理技术的突飞猛进给传统的机械工业和光学注入了新的生命，使它进入了以光机电一体化为标志的新时代。电子与控制技术的进步使传统的光学仪器向自动化、智能化的方向发展。而在显微成像领域，显微镜与微电子技术及现代图像处理技术结合实现显微镜图像的自动采集和处理，使得传统显微镜具有更强大的功能和更完善的性能，这成为显微镜发展的新的发展方向。
1.4 读数显微镜的应用
读数显微镜是一种利用显微镜光学系统对线纹尺的分度进行放大、细分和读数的长度测量工具 。它常被用作比长仪 、测长机 和工具显微镜等的读数部件，或作为坐标镗床和坐标磨床等的定位部件，也可单独用于测量较小的尺寸，例如线纹间距、硬度测试中的压痕直径、裂缝和小孔直径等。其分度值有10微米、1微米和0.5微米几种。读数显微镜典型用于有：
1、测量金属丝伸长量
读数显微镜可以用来测量金属丝的微小伸长量，取代伸长法测量杨氏模量实验中的光杠杆系统，从而有效的展示实验的原理，简化实验装置，仪器的调节和实验操作更为简便，实验的精确度也有所改善，有效地提高了实验的质量和效率。
2、分辨设计印刷
读数显微镜还常用于设计印刷行业，由于自带冷光源，能确保即使在无光线的情况下也看到清晰的裂缝宽度，一般的放大倍数有20-40倍。利用该产品能够清楚的分辨出四色印刷品的网点，配合标准色谱使用可以比较精确的设置设计稿的色值，减少印刷品色差。
2、测量牛顿环曲率半径
牛顿环干涉实验是一个典型的等厚干涉实验，但是在实验观测时还是使用显微镜和刻度尺相结合的方式，通过观测牛顿环可以计算曲率半径，判断待测件的优劣,对其进行精密加工。利用牛顿环干涉现象也可以有效地判断透镜表面的凸凹情况.
1.5本课题研究的内容
本课题将利用现代光电技术结合计算机图像处理技术等，以牛顿环实验为例对传统读数显微镜进行智能化改进。在大学物理实验中可以用于教学演示，在企业中可以用于产品生产过程中监控和检测。现有的教学演示仪仅能够展现镜头下的牛顿环的画面，无法展示读数显微镜内十字叉丝、牛顿环的明暗条纹和测微鼓轮、测微螺距之间的关联，部分教学演示仪使用的是老旧模拟信号及小型号电子显像管显示器，在实际教学中具有极大的局限性。[4]针对这些微小物体的类似缺点，本文主要设计一套用于微小物体的显示与测量系统。通过计算机系统将两个摄像头与读数显微镜相连接，一个摄像头负责摄取读数显微镜中观察和测量的物体图像，另一个摄像头负责抓取标尺和手轮读数，同时将这两个画面实时的传输到计算机的测量界面中显示。该方法充分利用图像传感器技术和计算机的图像处理功能, 能在保持原有测量精度条件下, 使实验的观测效果更好, 数据采集更方便。实现传统实验和现代技术的有机结合，使传统的物理实验趋于现代化，在物理实验教学方面具有一定的实用价值。
在使用读数显微镜测量物体时，眼睛通过目镜直接观察和测量目标物体，观察和测量时间一旦长久，眼睛很容易产生疲劳，且读数过程繁琐、容易产生主观误差。同时观察的结果（图像、数据）不能被立即保存下来，从而不能够对图像数据进行进一步识别和分析，自动化程度低。针对上述问题，我们提出利用现代光电技术和计算机系统，对传统读数显微镜进行数字化改进，使牛顿环等被测量的微小物体及其相关读数能够显示在计算机屏幕上，从而减少实验中人为错误。由于采集的图像和数据已经进入计算机系统，因此可以进行网络化信息处理。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:读数显微镜,显示与测量系统,微小物体
目 录
1.绪论 1
1.1研究的背景及意义 1
1.2 读数显微镜的组成 1
1.3显微镜的历史和发展方向 2
1.4 读数显微镜的应用 2
1.5本课题研究的内容 3
2 微小物体测量系统的硬件组成及原理 4
2.1读数显微镜的光学放大原理 4
2.2 显示与测量系统各部分硬件介绍 5
2.3 改进的显微镜装置设计 6
2.4 本章小结 7
3.微小物体显示与测量系统软件介绍与研究 7
3.1 信息采集系统软件说明 7
3.2 信息采集系统计算机界面研究 8
3.3 计算机观测界面显示 11
3.4 本章小结 12
结 论 13
致 谢 14
参 考 文 献 15
附录 16
1.绪论
1.1研究的背景及意义
传统的读数显微镜是人的眼睛通过目镜直接观察物体的图像的，自动化程度低，测量时间长容易造成眼睛疲劳，且读数过程繁琐、容易造成人为误差；人眼直接观察微小物质不能将观察到的结果用图像的形式保存下来，相应的参数无法准确记录，从而不能后续对结果进行识别、分析以及网上数据共享。现代计算机技术和光电传感技术的发展使这个缺点能得到克服，能够对微小物体进行测量，并且对所观察到的微观物质以数字图像的形式保留下来，以便后期处理、使用[1]。
本课题以牛顿环实验为例，介绍通过现代技术改进现有的读数显微镜，实现读数显微镜的智能化改造。牛顿环实验是一个典型的等厚干涉实验，目前在高校大学物理实验中普遍开设此试验项目，但是在实验观测时还是使用显微镜和刻度尺相结合的方式。这种传统的方式存在许多缺陷：容易带进回程误差，造成记数失败。而改进后的显微镜将数字图像处理技术引入其中，读数显微镜中观测到的牛顿环条纹直接采集到计算机上，同时显示数据，减少目视光学测量系统的人为因素误差，提高测量精度。该方法充分将图像传感器技术和计算机技术相结合, 既能保持原有测量精度，又提高了实验的观测效果, 数据采集更方便，使传统的物理实验趋于现代化，便于实验室的教学与应用，实现传统实验和现代计算机的有机结合，使传统的物理实验趋于现代化。通过引入光电技术、计算机数字显示等先进技术,极大地提高了光学显示与测量的精度和效率,为光学精密测量技术开辟了广阔的发展前景。在光学测量技术中,微小物体的测量具有着重要的应用价值。通过计算机控制显示测量变的高效、灵活，并且应用于各个领域,如果将这种技术应用于大学物理实验,特别是显微镜测量,讲大大降低实验误差,实验结果更为精确。
1.2 读数显微镜的组成
读数显微镜是光学精密机械仪器中的一种测量装置，适用于有关计量单位、工厂的计量室或精密刻度车间，用于对分划尺或度盘的刻线进行对准检查和测定工作。读数显微镜是利用光学原理，把人眼所不能分辨的微小物体放大成像，以供人们提取微细结构信息的光学仪器。其结构包括三大部分：机械部分，光学部分和照明部分。机械部件主要包括调焦机构、载物台、物镜转换器等运动夹持部件以及底座、镜臂等支持部件；光学系统包括目镜、物镜；照明部分装在载物台下方，包括光源、反光镜、集光器。由目镜、镜筒、物镜等组成的显微镜成像系统原理。[2]
1.3显微镜的历史和发展方向
显微镜（microscope）一词，最早由法布尔于1625年提出，并一直沿用至今。1610 年意大利物理学家伽利略（Galileo）制造了复式显微镜，该显微镜具有物镜、目镜及镜筒。1611年开普勒（Kepler）阐明了显微镜的基本原理。19世纪中叶，在显微镜的发展进程中，贡献最为突出的是德国的物理学家、数学家和光学大师恩斯持·阿贝（ErnstAbbe）。他提出了显微镜的完善理论，阐明了成像原理、数值孔径等问题，1870年，他发表了有关放大理论的重要文章，1872年，又发明了油浸物镜，并且在光学玻璃、显微镜的设计和改进等方面取得了光辉的业绩。从19世纪末至20世纪上半叶，一些欧洲的科学家致力于提高显微镜的分辨率及观察效果，继而设计并制造出了反射镜、消色差物镜、大数值孔径物镜、油浸物镜、萤石玻璃校正的复消色差物镜、暗视野聚光镜、偏光附件及补偿目镜等光学部件，使显微镜的性能不断地提高，应用领域也越来越广，显微镜的造型也相应的日趋完善。随后人们又利用光波的某些现象和特征，改进了成像光路。1902 年，艾夫斯（E. E. Lves）奠定了现代双目镜的基本系统。近年来，由于新理论、新技术在显微镜中的运用，20世纪60年代中期研制出诺尔曼斯基（Nomarski）微分干涉差显微镜，这类显微镜在很多学科的研究工作中显现出优越的性能。可以预见，随着科学技术的不断发展，不久的将来显微镜的性能会越来越完善，用途也会越来越广泛[3]。
20 世纪中叶以来，光电技术、计算机技术、半导体微电子技术、超大规模集成电路技术、图像模式识别与处理技术的突飞猛进给传统的机械工业和光学注入了新的生命，使它进入了以光机电一体化为标志的新时代。电子与控制技术的进步使传统的光学仪器向自动化、智能化的方向发展。而在显微成像领域，显微镜与微电子技术及现代图像处理技术结合实现显微镜图像的自动采集和处理，使得传统显微镜具有更强大的功能和更完善的性能，这成为显微镜发展的新的发展方向。
1.4 读数显微镜的应用
读数显微镜是一种利用显微镜光学系统对线纹尺
1、测量金属丝伸长量
读数显微镜可以用来测量金属丝的微小伸长量，取代伸长法测量杨氏模量实验中的光杠杆系统，从而有效的展示实验的原理，简化实验装置，仪器的调节和实验操作更为简便，实验的精确度也有所改善，有效地提高了实验的质量和效率。
2、分辨设计印刷
读数显微镜还常用于设计印刷行业，由于自带冷光源，能确保即使在无光线的情况下也看到清晰的裂缝宽度，一般的放大倍数有20-40倍。利用该产品能够清楚的分辨出四色印刷品的网点，配合标准色谱使用可以比较精确的设置设计稿的色值，减少印刷品色差。
2、测量牛顿环曲率半径
牛顿环干涉实验是一个典型的等厚干涉实验，但是在实验观测时还是使用显微镜和刻度尺相结合的方式，通过观测牛顿环可以计算曲率半径，判断待测件的优劣,对其进行精密加工。利用牛顿环干涉现象也可以有效地判断透镜表面的凸凹情况.
1.5本课题研究的内容
本课题将利用现代光电技术结合计算机图像处理技术等，以牛顿环实验为例对传统读数显微镜进行智能化改进。在大学物理实验中可以用于教学演示，在企业中可以用于产品生产过程中监控和检测。现有的教学演示仪仅能够展现镜头下的牛顿环的画面，无法展示读数显微镜内十字叉丝、牛顿环的明暗条纹和测微鼓轮、测微螺距之间的关联，部分教学演示仪使用的是老旧模拟信号及小型号电子显像管显示器，在实际教学中具有极大的局限性。[4]针对这些微小物体的类似缺点，本文主要设计一套用于微小物体的显示与测量系统。通过计算机系统将两个摄像头与读数显微镜相连接，一个摄像头负责摄取读数显微镜中观察和测量的物体图像，另一个摄像头负责抓取标尺和手轮读数，同时将这两个画面实时的传输到计算机的测量界面中显示。该方法充分利用图像传感器技术和计算机的图像处理功能, 能在保持原有测量精度条件下, 使实验的观测效果更好, 数据采集更方便。实现传统实验和现代技术的有机结合，使传统的物理实验趋于现代化，在物理实验教学方面具有一定的实用价值。
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