薄膜厚度检测原理及系统
摘要：本文对目前常用的薄膜厚度光学测量方法进行了深入的研究和讨论，总结并归纳了每一种测量方法的优缺点、以及使用条件。基于原子力显微镜的薄膜厚度检测系统，该系统得到薄膜厚度，能够精确测量各种不同性质的薄膜的厚度。关键词：薄膜厚度；测量；原子力显微镜
Abstract: In this paper, the advantage and disadvantage, usable condition of many usually used optical measurement methods of thin film thickness which are analyzed and discussed in detail ,are been summarized. A measuring system of film thickness based on atomic force microscope has been developed, based on this system could measure the thickness of various films.
Key words：film thickness ; measurement; AFM
1引言
随着科技的发展以及精密仪器等技术的迅速发展，薄膜技术的应用变得更为广泛，不仅在光学领域，也被广泛地应用于微电子技术、通讯、宇航工程等各种不同的领域。薄膜的厚度很大程度上决定了薄膜的力学性能，电磁性能，光电性能和光学性能，薄膜厚度又是薄膜设计和工艺制造的关键参数之一，为了制备出合乎要求的薄膜也离不开高精度的薄膜厚度检测，因此薄膜厚度的测量一直是人们密切关注和不断研究改进的课题。
在众多类检测方法当中，由于光学检测方法具有非接触性、高灵敏度性、高精度性、快速、准确、不损伤薄膜等优点，成为目前被应用最广泛的方法。在对薄膜厚度检测的理论中，按照测量方法所依据的光学原理进行分类，可分为干涉、衍射、透射、反射、偏振等方法，也可根据光源分为激光测量和白光测量[1]。目前，光谱法、椭圆偏振法和干涉法是人们讨论最多和应用最广泛的测量方法。随着光学薄膜的材料和制备技术的不断提高，传统的薄膜厚度的测量方法己经不能
满足现代光学检测的需要。
2方法原理
本部分主要对几种常见的测量方法进行介绍，详细阐述各种方法的原理。
2.1光谱法
依据光的干涉理论，薄膜与基底，再到薄膜界面上的光束的透射或反射，引起双光束或多光束干涉效应，具有不同特性的薄膜具有不同的光谱反射率或透射率，而且在全光谱范围内和薄膜厚度有着唯一的对应关系。因此，可以通过测量薄膜的光谱特性来计算薄膜的厚度和光学常数[2] 。
在一个多层膜系统中，大量的光束干涉特性由薄膜的特性决定，薄膜界面多光束干涉可以由其特征矩阵来表征。
(1)
其中，z和，z 分别为单层膜和基片折射率；为薄膜的几何厚度；位相厚度为，在光束垂直入射薄膜表面的情况下：(2)
因此，单层膜系的导纳(也称为等效界面折射率) Y可以表示为：
(3)
单层膜系的振幅反射系数为(其中，n0为入射介质折射率):
(4)
能量反射率：(5)
最后可以得到反射率R
光谱法的优点在于测量精度较高、速度快，能同时测定薄膜的多个参数,且有效地排除方程解得多值性，测试简单且精度高，具有非接触性和非苛刻性，
并可以测试多种类型的薄膜[3]。同样光谱法也有一定的局限性。透射和反射光谱均由分光计测量得到，而反射率和透射率对薄膜表面条件的依赖性很强，且对入射角的变化很敏感，这样测量反射率和透射率的稳定性就很差，因而不能够达到很高的测量精度。而且利用光谱法测量时，针对不同类型的待测薄膜需要使用不同波段的光谱对其进行测量，特定的光谱波段范围在实际测量过程中往往是很难保证的。
2.2椭圆偏振法
该方法是以测量光线的偏振态为基础的测量方法测量薄膜表面反射光偏振态的变化，即P光和S光的振幅和位相的改变。它是目前测量薄膜厚度及光学常数使用最广泛的方法，是研究两媒介界面或薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法。根据椭偏方程[4]:
(6)
(6)式中r p和r s分别表示薄膜对光的平行分量和垂直分量的反射率，和△称为椭偏参量, f是薄膜厚度d、薄膜折射率n f以及基底折射率n s、空气折射率n a、入射角和波长的函数，其具体形式由待测薄膜的数学模型推导和计算得到。
椭圆偏振法的最大优点是反射光的偏振态变化对薄膜厚度的变常敏感，因此具有很高的测试灵敏度和精度，适合于透明的或弱吸收的各向同性的厚度小于一个周期的薄膜，也可用于多层膜的测量。每种方法都有各自的优缺点，同样该方法也存在一些不足，例如当薄膜厚度较小时，薄膜折射率与基底折射率相接近，用椭偏仪同时测得薄膜的厚度和折射率与实际情况有较大的偏差。
2.3干涉法
干涉法是利用相干光干涉形成等厚干涉条纹的原理来确定薄膜厚度和折射率的一种方法。测量薄膜厚度是实验和生产中较普遍采用的测量方法，其优点是设备简单，操作方便，无需复杂的计算。根据光干涉原理,两个相干波面发生干涉时,其干涉图像的光强分布为:
(7)
式中: a(x,y)是干涉图背景光,强b(x,y)是干涉条纹的幅值调制度,,其中为带有薄膜厚度信息的被测波面的相位分布函数,为参考波前的相位分布函数。
i (x,y)是相干光干涉后的光强分布,也就是干涉形成的条纹图，为已知量，如果能够求出, 并且选定为一常量,如参考波前选平面波,就可以求出被测波面的波差函数为:
则薄膜厚度为：
(8)
干涉法不但可以测量透明薄膜、弱吸收薄膜和非透明薄膜，而且适用于双折射薄膜，这种方法不适合用于黑色的不透明薄膜的测量，但是对于反光率较高的不透明薄膜，光干涉法可以很灵敏的测得其厚度。
3 系统设计
3.1 装置
以上介绍的传统的薄膜检测原理，例如干涉法这种方法仅适用于折射率己知的均匀薄膜，对于折射率未知的多孔薄膜材料则需要利用进一步的工具来测得多孔薄膜的有效折射率，基于这些传统检测手段本身存在的问题，本文提出基于AFM（原子力显微镜）的薄膜厚度检测系统。AFM的工作原理[5]是通过控制并检
测针尖一样品间的相作用力,例如原子间斥力、摩擦力、弹力、范德华力、磁力和静电力等来分析研究表面性质的。
基于原子力显微镜的薄膜厚度检测系统的设计图如图：
基于AFM的薄膜厚度检测系统
AFM主要包括探头部分光电检测系统、及前置放大电路、数据采集卡、计算机、步进电机、步进电机驱动器、微位移平台。微探针的振动信号是由通过光束偏转法得到的，由半导体激光器发出的激光射在微探针的表面，几何反射光进入PSD，由PSD检测光点的位置偏移，该信号经过放大，把信号送入反馈控制回路，保持样品与探针之间的距离恒定的同时，将信号输出到计算机，记录并以图像的方式显示表面形貌。计算机控制步进电机的运行以及信号电压的采集，内有扫描控制、图像处理程序,以及数据采集卡的驱动程序。
3.2 实验与结论
样品选择镀有铜膜的透明玻璃片，测量方法是首先将探针对准无膜区，然后
每隔200扫描一次。进入薄膜边界之前，扫描所得图形是带有细微突起或者凹陷的曲线，整体上表现为水平;进入边界区域后，图形崎岖不平，带有一定的斜率；过了边界区域后，图形整体呈现水平。通过扫描得到的轮廓图像寻找薄膜边界，然后选择合适的扫描起点，使图像包含完整边界，然后对同一区域前后扫描两次。有实验图像可以得出结论，表明了系统良好的重复性。
通过对样品的实验结果表明，该薄膜厚度检测系统具有很好的重复性、稳定性，易于操作，自动化程度比较高，不易损伤样品。它不仅精度高，而且工作范围大，可以连续或者不连续地在很大的范围内搜索薄膜边界，具有很强的定位能力本系统具有测量方法简便，实时性好、无损及测量精确等特点。
本文中设计的AFM系统测量薄膜厚度的这种方法可克服目前一些己有的膜厚测量方法中的问题及局限性，结构简单，数字化、自动化程度高，操作和维护都比较容易。
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OUPU 湿膜厚度测试仪 使用说明书
基本概述 湿膜测厚仪又叫湿膜测厚规、湿膜测试仪、湿膜检测仪、湿膜厚度测量仪、湿膜测厚仪厂家、湿膜测厚仪价格、梳式湿膜测厚仪、湿油漆测厚仪、湿涂层如何检测、湿膜卡、湿膜片、湿膜厚度卡具有测量误差小、可靠性高、稳定性好、操作简便等特点，是控制和保证产品质量必不可少的检测仪器，广泛地应用在制造业、金属加工业、化工业、商检等检测领域。
欧谱梳式湿膜厚度规是测量色漆、清漆等各种涂料湿膜涂刷厚度的测量工具，数值以微米(m m)表示。湿膜厚度规适用于平整的基板上，测量精度高。本厚度量程为10～100m m、20～200m m、250～700m m、50～750m m、50～950m m、25～2000m m、25～3000m m七种规格供选择，以适应不同行业的需要。 使用方法： 各种涂料施工后，立即将湿膜厚度规稳定垂直的放在平整的湿膜涂层表面，将湿膜厚度规从湿膜中移出，即可测得湿膜涂层的厚度。湿膜厚度应是在被湿膜浸润的那个最短的齿及邻近那个没有被浸到的齿之间。以同样方式在不同的位置再测取两次，以得到一定范围内的代表性结果。 使用完毕后，将湿膜厚度规洗净、揩干。
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接触网设计规范
外及跨线建筑物范围内）正常情况不应小于5700mm；困难情况不应小于5650mm；特殊情况不应小于5330mm。 接触线最低高度值在高程1000m以上的区段，应按本规范第5.5.2条规定随空气绝缘间隙值的加大而相应增加。 5.1.5 接触线高度变化时，其坡度不宜大于3‰；确有困难时，不宜大于5‰。 接触网设计的强度安全系数应符合下列规定： 1．铜或铜合金接触线的强度安全系数，当磨耗面积小于或等于15%时，不应小于2.5；当磨耗面积大于15%且小于25%时，不应小于2.2。 2．各种绞线的强度安全系数不应小于： 1）软横跨横承力索中的钢绞线4.0； 2）承力索、定位索及附加导线中的钢绞线5.0；硬铜绞线 2.0；铝绞线、钢芯铝绞线、铝包钢芯铝绞线2.5。 3．绝缘子的强度安全系数不应小于： 1）瓷及钢化玻璃悬式绝缘子（受机电联合荷载时抗拉）2.0； 2）瓷棒式绝缘子（抗弯）2.5
3）针式绝缘子（抗弯）2.5； 4）其他材质绝缘元件，无阳光照射处（抗拉或抗弯）2.5；有阳光照射处，应视材质抗老化性能酌情增加； 4．耐张的零件强度安全系数不应小于5.0。 5.1.7 各类悬挂的接触线弛度（弹性吊弦引起的支柱处高度变化不计在内）均不宜大于250mm；对行车速度不大于45km/h的低速区段，可为350mm。 运行中，接触线（被受电弓顶起）的抬升量按100mm、受电弓的左右摆动量按200mm计算。 5.1.8 隧道内接触悬挂应根据隧道净空高度，隧道内气象条件和各项空气绝缘间隙确定。隧道内悬挂类型宜与区间一致，其零部件应加强防腐蚀措施。 5.2 气象条件 5.2.1 接触网设计的气象条件，应根据最近记录年限不少于20年的沿线气象资料计算，并结合既有电气化铁路或高压架空送电线路的运行经验确定。 5.2.2 接触网的最大设计风速，应采用空旷地区、高地面10m高处的10min自动记录10年发
工件表面缺陷检测系统方案 为了不断提高产品质量和生产效率，工件表面缺陷在线自动检测技术在生产过程中显得日益重要。传统的产品表面质量检测主要采用人工检测的方法。人工检测不仅工作量大，而且易受检测人员主观因素的影响，容易对产品表面缺陷造成漏检，尤其是变形较小、畸变不大的夹杂缺陷漏检，极大降低了产品的表面质量，从而不能够保证检测的效率与精度。近年来，迅速发展的以图像处理技术为基础的机器视觉技术恰恰可以解决这一问题。 针对工件表面的多种缺陷，维视图像今天为大家介绍一套基于机器视觉的对工件表面缺陷进行实时在线、无损伤的自动检测系统方案。 本系统是由CCD工业摄像头、高清镜头、照明系统及图像处理软件等部件组成。其工作过程是：首先将工件送到采集视场内；然后由成像系统将图像采集到计算机内部；运用图像处理软件对采集到的原始图像进行预处理以改善图像质量，从中提取感兴趣的特征量；最后运用模式识别技术对取到的特征量进行分类整理以完成系统的检测。 下面分别介绍系统的各部分的组成及特点。 一、CCD工业摄像头 为保证图像效果和检测精度，此系统可选用高分辨的工业CCD摄像头，针对不同的工件尺寸和要求，CCD分辨率也可稍作调整，MV-EM系列千兆网工业相机包含常用的多种分辨率，可供系统选择。其中，MV-EM510M是高精度检测系统最为青睐的产品之一。 二、高清镜头 为配合高分辨率CCD工业摄像头，我们选用百万像素级高清镜头。当然，与500万CCD 相机更为搭配的非500万像素高清镜头莫属了。 三、照明系统 工件材质一般比较多样化，如普通的无反光材质工件，我们通常可选用环形LED光源以节省成本。但是，对于金属等高反光材质的工件，我们就必须在光源的选择上下点功夫了，针对不同尺寸和外形，低角度环形光源、同轴光源和漫反射圆顶光源都可能是明智之选，这
玻璃瓶瑕疵自动检测系统 摘要 本课题是研究玻璃瓶瑕疵自动检测系统，针对玻璃瓶检测的高速度、高精度、实时性的特点，本文主要利用数字图像处理技术及其方法研究一套玻璃瓶瑕疵检测系统，利用该检测系统提供的一些数字图像处理方法可以决速准确的判断出该图像是否为缺陷图像。利用该检测系统所应用的技术设计出来的系统不受主观因素的影响，能快速、准确地检测产品，完成人工无法完成的检测任务，是现代化生产中不可缺少的工具。 本文详细地介绍了图像处理技术，验证了多种图像检测算法，我们提出了一种基于混合滤波器缺陷检测算法，并从理论和实验两方面对检测效果做了评价。论文分析了各种模式识别方法，提出了玻璃瓶缺陷检测的具体方案。方案利用聚类算法来提取缺陷，通过对缺陷特征的分析来识别玻璃瓶的好坏。 本系统的主要部分由CCD摄像机、图像采集卡和微型计算机组成。CCD摄像机采集玻璃瓶图像，图像采集卡把玻璃瓶图像转换成计算机能识别和处理的数字图像，再通过计算机上的软件完成缺陷检测功能。检测系统在实验阶段的检测精度已达到设计要求，较成功地实现了玻璃瓶缺陷的检测，能用于检测玻璃瓶的裂痕、气泡等缺陷。
第一章绪论 1.1 本课题的提出 随着时代的发展，科技的进步，人们对工业产品的数量和质量要求越来越高，传统意义上的检测技术与飞速发展的工业要求之间的矛盾日益突出。玻璃瓶作为一种包装用品,由于其具有气密性好、光洁卫生、化学稳定性高、价格低廉、可回收利用等特点而普遍受到欢迎,已广泛应用于食品、药品、化妆品、饮料、化学等产品的包装。人们的日常生活离不开玻璃瓶,玻璃瓶的生产在国民经济中占有不可忽视的地位。药品酒水等灌装生产前必须对玻璃瓶进行检测，剔除不合格产品，才能进行封装。玻璃瓶在生产过程中，会出现裂纹、缺损、气泡等缺陷,要求精确区分各类缺陷，完成瓶颈裂纹和瓶口缺损的检测，以便对产品的质量做出判断，剔除不合格品。由于玻璃瓶在线生产要求检测精度高、准确性好、速度快，因此玻璃瓶生产工业流水线迫切需要在线自动检测设备。以往的玻璃瓶检测以人工检测为主，但是人工检测方法有许多缺点：（1）增加人工成本和管理成本，检测数据的保存和查询不太方便。（2）人工检测速度比较慢，无法适应现代化大生产的要求，且工人劳动强度较大，容易受人眼分辨能力和易疲劳等主观因素的影响，无法保质保量地完成生产任务。因此，必须寻求一种有效的自动化检测方法。 针对玻璃瓶检测的高速度、高精度、实时性的特点，本文采用一种基于数字图像处理的检测方法。利用CCD摄像机对玻璃瓶进行摄像，通过数字图像处理技术进行分析，检测出带有缺陷的玻璃瓶,再由计算机发出控制信号将其剔除。随着计算机软件和硬件的发展，对图像处理速度的提高以及各种相关理论的完善，本文采用的检测方法变得切实可行。按此方法制造的检测设备具有代价低，灵活性高，易于调试和工作环境要求低等优点。因此本课题的研究对于玻璃制品裂纹的检测具有重要的经济和技术意义。玻璃瓶缺陷检测设备若研制成功后，将会产生巨大的社会效益和经济效益:1.利用基于数字图像处理的检测方法来检测玻璃瓶缺陷，取代人工检测，将消除人的主观性产生的错误，提高检测的准确性。同时，减轻工人繁重的劳动负担，提高生产效率。2.玻璃瓶罐质量的提高可避免瓶罐包装的食品及物品变质带来的经济损失，也可避免瓶罐的爆裂所引起的事故，降低赔款损失，同时增加消费者的安全感。3.生产商可以根据检测设备提供的数据分析该缺陷产生的原因和机理，再根据获得的数据，设定相应的工艺条件和参数，同时先进的检测设备也能够保障高质量的玻璃产品，提高在市场中的竞争能力。
长沙理工大学钢板厚度测量系统 学院：汽车与机械工程学院 班级：车辆1102 学号：201169030201 姓名：侯健
钢板厚度测量系统 一、测量对象说明 本测量系统对象是普通钢板，但为保持测量灵敏度要求其厚度大于0.1mm，被测面应光洁、不应有洞眼、刻痕等，长度50mm、宽度30mm、厚度在0~16mm间。 二、测量原理框图 三、测量原理与方法说明 1.测量原理 如图1所示,在金属板一侧的电感线圈中通以高频激励电流I1时,线圈将产生高频磁场,由于集肤效应,高频磁场作用于金属板表面薄层,并在这薄层中产生涡流。涡流I2又会产生交变磁通Ф2反过作有于线圈,使得线圈中的磁通Ф1发生变化而引起自感量变化,在线圈中产生感应电势。电感的变化随涡流而变,而涡流又随线圈与金属板间距x而变化,因此可以用高频反射式涡流传感器来测量位移x的变化。图2为涡流效应等效电路。R1为线圈电阻;L1为线圈电感;R2为短路电阻;L2为短路环电感;U1为激励电压;M为线圈与短路环间的互感。
回路方程: 受涡流影响后线圈的等效阻抗为: 线圈阻抗只与L1、L2、M有关,而L1、L2、M都与x有关,即Z=f(x),因此,如固定传感器的位置,当间距x发生变化时,Z就发生变化,从而达到以传感器阻抗变化值来检测被测金属位移量的值。 传感器阻抗变化还需进一步转化为电信号以便进入数据采集系统。通常的测量方法式采取阻抗变换电路:电涡流传感器探头内线圈,与其它固定阻抗组成原始平衡电桥,随着钢板厚度的变化,探头线圈阻抗值随之变化,这样就破坏了电桥的原始平衡,失衡电桥的桥路输出电压值可反映被测钢板厚度值。除电桥法外,还有高精度的谐振调幅、调频等测量电路。 2、测量方法说明 利用高频反射式涡流传感器的原理,采用上下2路涡流传感器,被
课程名称：接触网站场平面设计 设计题目：站场平面设计 院系：电气工程系 专业：铁道电气化 年级：2011级 姓名：陈浩 学号：20116687 指导教师：王老师 西南交通大学峨眉校区 2015年1月8 日
课程设计任务书 专业铁道电气化姓名陈浩学号20116687 开题日期：2014年月日完成日期：2015 年月日题目接触网站场平面设计 一、设计的目的 通过该设计，使学生初步掌握接触网站场平面设计的设计步骤和方法，熟悉有关平面设计图纸的使用；基本掌握站场平面设计需要考虑的元素；锻炼学生综合运用所学知识的能力，为今后进行工程设计奠定良好的基础。 二、设计的内容及要求 1．负载计算。2．最大跨距计算。3．半补偿链形悬挂安装曲线计算。4．半补偿链形悬挂锚段长度及张力增量曲线决定。5．平面设计：（1）基本要求；（2）支柱布置；（3）拉出值及之字值标注；（4）锚段关节；（5）咽喉区放大图；（6）接触网分段。6．站场平面表格填写：侧面限界、支柱类型、地质情况、基础类型、安装参考图号。 三、指导教师评语 四、成绩 指导教师(签章) 年月日
接触网课程设计任务书 一、原始资料 1．悬挂形式：正线全补偿简单链形悬挂，站线半补偿简单链形悬挂。 2．气象条件：学号尾数1的为第一典型气象区，学号尾数2的为第二典型气象区，学号尾数3的为第三典型气象区，学号尾数4的为第四典型气象区，学号尾数5的为第五典型气象区，学号尾数6的为第六典型气象区，学号尾数7的为第七典型气象区，学号尾数8的为第八典型气象区，学号尾数0、9的为第九典型气象区。 3．悬挂数据：学号尾数0、1的结构高度为1.1米，学号尾数2的结构高度为1.2米，学号尾数3的结构高度为1.3米，学号尾数4的结构高度为1.4米，学号尾数5的结构高度为1.5米，学号尾数6、7的结构高度为1.6米，学号尾数8、9的结构高度为1.7米。 站线：承力索JT70，Tcmax=1500kg；接触线CT85,Tjm=1000kg。 正线：承力索JT70，Tcm=1500kg；接触线CT110,Tjm=1000kg。 e=4m 4．土壤特性: （1）女生：安息角（承载力）Φ=30o，挖方地段。 （2）男生：安息角（承载力）Φ=30o，填方地段。 二、设计内容 1．负载计算 2．最大跨距计算 3．半补偿链形悬挂安装曲线计算 4．半补偿链形悬挂锚段长度及张力增量曲线决定 5．平面设计 （1）基本要求 （2）支柱布置 （3）拉出值及之字值标注 （4）锚段关节 （5）咽喉区放大图 （6）接触网分段 6．站场平面表格填写 支柱编号、侧面限界、支柱类型、地质情况、基础类型、安装参考图号 三、验算部分 1．各种类型支柱校验 2．缓和曲线跨距校验 四、使用图纸 按学号最后两位相加之和的末位数使用站场0---站场9的图纸 五、课程设计于任务书下达后六周内交老师，延期交以不及格论处，特殊情况申请延期除外。
光学薄膜概论 光学薄膜 光学薄膜泛指在光学器件或光电子元器件表面用物理化学等方法沉积的、利用光的干涉现象以改变其光学特性来产生增透、反射、分光、分色、带通或截止等光学现象的各类膜系。它可分为增透膜、高反膜、滤光膜、分光膜、偏振与消偏振膜等。光学薄膜的应用始于20世纪30年代。现代，光学薄膜已广泛用于光学和光电子技术领域，制造各种光学仪器。 光学薄膜的特点是：表面光滑，膜层之间的界面呈几何分割；膜层的折射率在界面上可以发生跃变，但在膜层内是连续的；可以是透明介质，也可以是吸收介质；可以是法向均匀的，也可以是法向不均匀的。 光学薄膜的基本原理: 1.利用光线的干涉效应，当光线入射於不同折射系数物质所镀成的薄膜，产生某种特殊光学特性。 分类：光学薄膜就其所镀材料之不同，大体可分为金属膜和非金属膜。 a.金属膜：主要是作为反射镜和半反射镜用。在各种平面或曲面反射镜，或各式稜镜等，都可依所需镀上Al、Ag、Au、Cu等各种不同的材料。不同的材料在光谱上有不同的特性。AI的反射率在紫外光、可见光、近红外光有良好的反射率，是镀反射镜最常使用的材料之一。Ag膜在可见光和近红外光部份的反射率比AI膜更高，但因其易氧化而失去光泽，只能短暂的维持高反射率，所以只能用在内层反射用，或另加保护膜。 b.非金属膜:用途非常广泛，例如抗反射镜片．单一波长滤光片、长或短波长通过滤光片、热光镜、冷光镜、各种雷射镜片等，都是利用多种不同的非金属材料，蒸镀在研磨好之镜杯上，层数由单层到数十、百层不等，视需要的不同，而有不同的设计和方法。目前这些薄膜中被应用得最广泛，最商业化，也是一般人接触到最多的，就是抗反射膜。例如眼镜、照相机镜头、显微镜等等都是在镜片上镀抗反射膜。因为若是不加以抗反射无法得到清晰明亮的影像了，因此如何增加其透射光线就是一个非常重要的课题。 2.利用光波干涉原理，在镜片的表面镀上一层薄膜，厚度为1/4 波长的光学厚度，使光线不再只被玻璃—空气界面反射，而是空气—薄膜、薄膜—玻璃二个界面反射，因此产生干涉现象，可使反射光减少。若镀二层的抗反射膜，使反射率更低，但是镀一层或二层都有缺点：低反射率的波带不移宽，不能在可见光范围都达到低反射率。1961年Cox、Hass和 Thelen 三位首先发表以1/4一1/2一1/4波长光学厚度作三层抗反射膜可以得到宽波带低反射率的抗反射膜。多层抗反射膜除了宽波带的，也可做到窄波带的。也就是针对其一波长如氨氟雷射632.8nm波长，要求极高的透射，可使63Z.8nm这一波长透射率高达99.8%以上，用之於雷射仪器。但若需要对某一波长的光线有看极高的反射率需要用高低不同折射系数的材料反覆蒸镀数十层才可达到此效果。 光学薄膜的制造方式：热电阻式、电子枪式和溅射方式。最普通的方式为热电阻式，是将蒸镀材料在真空蒸镀机内置於电阻丝或片上，在高真空的情况下，加热使材料成为蒸气，直接镀於镜片上。由於有许多高熔点的材料，不易使用此种方式使之熔化、蒸镀。而以电子枪改进此缺点，其方法是以高压电子束直接打击材料，由於能量集中可以蒸镀高熔点的材料。另一方式为溅射方式，是以高压使惰性气体离子化，打击材料使之直接溅射至镜片，以此方式
编号 本科生毕业设计 基于机器视觉的表面缺陷检测系统设计 Surface defect detection system design based on machine vision 学生姓名 专业电子信息工程 学号 指导教师 学院电子信息工程学院 二〇一三年六月
毕业设计（论文）原创承诺书 1．本人承诺：所呈交的毕业设计（论文）《基于机器视觉的表面缺陷检测系统设计》，是认真学习理解学校的《长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例》后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。 2．本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。 3．在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。 4．本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。 以上承诺的法律结果将完全由本人承担！ 作者签名：年月日
中文摘要 为了不断提高产品质量和生产效率，金属工件表面缺陷在线自动检测技术在生产过程中显得日益重要。针对金属工件表面的多种缺陷，本文设计了一套基于机器视觉能够实现对金属工件表面缺陷进行实时在线、无损伤的自动检测系统。该系统采用面阵CCD和多通道图像采集卡作为图像采集部分，提高了检测系统的速度并降低了对CCD的性能要求，使系统在现有的条件下比较容易实现实时在线检测；采用自动选取图像分割阈值，根据实际应用的阈值把工件信息从图像中提取出来并扫描工件图像中的信息，实现了系统的自动测量；根据扫描得到的工件信息去除掉工件边缘的光圈，利用自动选取的阈值对金属工件表面的图像进行二值化分割，从而实现各种缺陷的自动提取及识别。 关键词：机器视觉表面缺陷CCD 图像处理缺陷检测
一、光学元件检测系统描述 本系统用于光学元件外观缺陷识别以及产品位置获取，系统采用进口高分辨率工业相机，可 以快速获取产品图像，通过图像识别、分析和计算，给出产品外观缺陷，给出产品坐标，并 输出相应检测结果信号，以便于设备对不合格产品的处理。 二、光学元件检测系统设计方案 台州振皓自动化科技有限公司基于机器视觉图像处理技术研发的光学元件外观缺陷检测系统，具有高精度、高速、多样品化的特点。系统主要模块有：触发模块、图像处理模块。根据用 户需求，样品移动到检测位，触发相机并及时由视觉系统输出检测信号，从而完成检测功能。为了达到高精度的检测要求，首先要产品来料的位置一致，达到的效果是位置准、稳定。 三、系统主要功能 1．高速识别检测功能2/s； 2．检测精度±0.08mm； 3．自动完成被检产品与相机获取图像同步； 4．自动完成光学元件的外观缺陷检测； 5．还可根据需要对不同颜色产品类型学习并检测； 6．对产品图像进行自动存储，可进行历史查询； 7．自动统计（良品、不良品、总数等）； 8．异常时可提供声、光报警、并可控制设备停机； 9．系统有自学习功能，且学习过程操作简单。 四、项目系统检测界面 五、系统主要技术特点 1.操作界面清晰明了，简单易行，只需简单设定即可自动执行检测； 2.检测软件及算法完全自主开发，系统针对性强； 3.可灵活设置检测模板、检测范围； 4.可选择局部检测功能，提高检测速度； 5.专业化光源设计，成像清晰均匀，确保测量任务完成； 6.支持多种型号产品的检测、具备产品在线自动检测等功能； 7.安装简单、结果紧凑，易于操作、维护和扩充； 8.可靠性高，运行稳定，适合各种现场运行条件。
对于生产物件的检测，由于科学技术的限制，起初只能采用人工进行检测，这样的方式不仅消耗大量人力，而且浪费时间，效率低下。于是，基于机器视觉技术的表面缺陷检测技术应运而生，我们有必要关注关注，并了解相关注意事项。 当今社会，随着计算机技术，人工智能等科学技术的出现和发展，以及研究的深入，出现了基于机器视觉技术的表面缺陷检测技术。这种技术的出现，大大提高了生产作业的效率，避免了因作业条件、主观判断等影响检测结果的准确性，实现能更好更准确地进行表面缺陷检测，更加快速的识别产品表面瑕疵缺陷。 产品表面缺陷检测属于机器视觉技术的一种，就是利用计算机视觉模拟人类视觉的功能，从具体的实物进行图象的采集处理、计算、进行实际检测、控制和应用。产品的表面缺陷检测是机器视觉检测的一个重要部分，其检测的准确程度直接会影响产品的质量优劣。由于使用人工检测的方法早已不能满足生产和现代工艺生产制造的需求，而利用机器视觉检测很好地克服了这一点，表面缺陷检测系统的广泛应用促进了企业工厂产品高质量的生产与制造业智能自动化的发展。
在进行产品表面检测之前，有几个步骤需要注意。 首先，要利用图像采集系统对图像表面的纹理图像进行采集分析； 其次，对采集过来的图像进行一步步分割处理，使得产品表面缺陷能像能够按照其区域特征进行分类； 再者，在以上分类区域中进一步分析划痕的目标区域，使得范围更加的准确。 通过以上的三步处理之后，产品表面缺陷区域和特征能够进一步确认，这样表面缺陷检测的基本步骤就完成了。 利用机器视觉技术提高了用户生产效率，使得生产更加细致化，分工更加明确，同时，减少了公司的人工成本支出，节省了财力，实现机器智能一体化发展。 南京博克纳自动化系统有限公司总部位于美丽的中国古都南京，是国内专业研制无损检测仪器及设备的高科技企业。公司致力于涡流、漏磁和超声波仪器及各种非标设备的研制，已拥有自主研发的多项国家专利。产品被广泛应用于航天航空、军工、汽车、电力、铁路、冶金机械等行业。产品出口：美国、
PCB金手指瑕疵检测 指导教授：蔡笃铭教授研究生：林伯聪 1.研究动机与目的 印刷电路板（Printed Circuit Board）瑕疵自动检测在工业应用上是十分重要与必要的，利用自动检测的稳定性，取代人工操作因疲劳所造成的误判、标准不一等主客观因素，提高检验品质与降低生产成本。目前PCB表面的瑕疵检验系统，主要是针对线路几何瑕疵检测与表面黏着点检测这二个方向，甚少对PCB电镀表面进行瑕疵检测的工作，且仅利用灰阶影像信息进行影像处理过程，由于灰阶影像所能提供的影像信息（gray-value）不如彩色影像信息（R, G, B）丰富，无法像彩色影像信息能更完整的将影像信息特征呈现出来。 目前的纹路瑕疵检测技术多采用样本比对(pattern match)或纹路特征萃取（feature extraction）这两大方向进行检测的工作。样本比对法需要事先选定一标准影像（model），与待测样本（scene）利用相关系数（correlation）或影像相减（subtraction）的计算，进行比对检测的工作，此法缺点为比对效果会受旋转、位移与光源的影响，所以进行检测时需要先定位。而特征萃取法则是由纹路影像中萃取纹路的特征指针，其中常用的技术包括利用空域法（spatial domain）与频域法（frequency domain）两大领域。在空域法中最具代表性之技术为依据二维影像中像素点在特定邻近位置之灰阶变化的机率密度函数来建立空间灰阶之相关矩阵（dependence or co-occurrence matrix），
并以此相关矩阵建立统计指针以评估纹路特征，但此法易受环境光源变化及噪声影响，而无法提供一个比较可靠的表现；在频域法则是将空间域影像转换为频率域之功率频谱，再由功率频谱撷取纹路或瑕疵的特征，因此可降低噪声之影响，如傅立叶转换（Fourier transform）与贾柏转换（Gabor transform）为常见之做法，但此法于转换的计算复杂导致计算时间长，不适合于实时性的生产检测工作，因此本研究将利用信息论（information theory）中用于评估信息内涵复杂度之衡量指针（熵, entropy），进行纹路规则性量测。本研究利用彩色影像信息，藉由色彩模型转换后的色彩特征值选取，与熵算法结合，衡量PCB电镀表面（金手指）纹路的规则性与一致性，将破坏纹路规则性与一致性的瑕疵凸显出来。 2. 金手指瑕疵分类简介 本研究针对PCB之金手指（edge connector）表面瑕疵进行检测的工作。在本节中将对金手指表面常见的瑕疵进行分类（表1），利用瑕疵所造成的颜色变异或结构性变异作为分类的标准，通常金手指表面瑕疵都是以颜色变异瑕疵居多数，有时会因刮伤严重导致同时发生结构性变异与颜色变异（如图1-(g)刮伤露铜）。图1为常见之金手指表面瑕疵，图1-(a)为金手指表面凹陷瑕疵；图1-(b)为金手指表面针点状凹陷瑕疵；图1-(c)为金手指表面破洞瑕疵；图1-(d)为金手指表面刮伤瑕疵；图1-(e)为金手指表面边缘受损瑕疵；图1-(f)为金手指表面露铜瑕疵；图1-(g)为金手指表面氧化瑕疵；图1-(h)为金手指表面粗糙瑕疵；图1-(i)为金手指表面结块瑕疵。 表1 金手指表面瑕疵分类表
基于视觉识别的瑕疵系统设计 摘要 21世纪是一个全新的时代，在新的时代背景下，计算机视觉技术获得了飞速的发展。在本次研究中，笔者为视觉技术为基础，设计了一个用于进行瑕疵识别的系统。首先，笔者介绍了本系统的具体原理，接下来讨论了系统的硬件设计部分，然后分析了系?y的软件设计部分，最后笔者对本系统的应用前景进行了探讨。 【关键词】视觉识别技术瑕疵系统硬件设计软件设计图像识别 总的说来，以视觉为基础的瑕疵识别技术指的就是首先通过一定的图像传感器获取相关视觉图像，再利用图像处理技术对采集到的图像进行有效的分析和整理，从而提取出一定的图像特征，通过这些特征进行瑕疵判断及分类。本文所构建的系统也遵循上述思路，系统中的图像采集模块的主要作用就是对图像进行收集处理，系统中的控制器的作用主要体现在两个方面： （1）对图像开展一定的处理操作； （2）对设备进行有效的管理和自动化控制。 1 系统原理
本文所设计的基于视觉识别的瑕疵系统的具体原理如下： （1）要想确保系统处于正常的运行状态，必须为其提供必要的光照，这些光线需要被投射到检测对象上。同时操作人员需要根据检测对象的选择合适焦距的光学镜头，以保证获得清晰的图像。 （2）开展图像采集操作。在此期间，发挥主要作用的是图像采集设备，该设备的主要作用是对检测对象的图像开展一定的简单处理，然后将处理好的图像传送至控制器； （3）开展图像处理操作。这里涉及的图像处理技术主要有以下几种：灰度化处理、二值化处理等，最终得到的是目标像素数； （4）开展瑕疵判断操作。将前一步得到的目标像素数和已有的基准进行对比，然后根据结果确定检测对象是否存在瑕疵； （5）对前面得到的瑕疵判断结果进行输出处理，如果检测对象存在瑕疵，对其进行开展登记、提醒、清除等操作。 此外，本系统还可以对检测结果进行统计处理，从而方便用户了解检测对象的实际情况。在使用本系统时，不同的检测对象具有不同的基准值，因此操作人员可以在人机接口对相关基准进行手动的设置。 2 硬件设计
OU3500 涂层厚度测量仪 使用说明书
附表一： 功能OU3500F OU3500N OU3500FN 测量原理磁性涡流磁性/涡流测量范围标准配置探头（F1/N1)：0 1250μm 测量精度±（3%H+1）μm（零点校准）±（1%H+1）μm（二点校准） 统计量平均值(MEAN)、最大值(MAX)、最小值(MIN)、测试次数(NO)、标准偏差(S.DEV) 存贮和统计500个测量值 零点校准√√√二点校准√√√删除功能√√√自动关机√√√蜂鸣声提示√√√错误提示√√√ 标准配置主机、F1探头、基 体、校准片、说明 书、包装箱 主机、N1探头、 基体、校准片、说 明书、包装箱 F1(N1)探头、基 体、校准片、说明 书、包装箱 选配件F400、N400、 F1/90、F10、 CN02 F400、N400、 F1/90、F10、 CN02 F400、N400、 F1/90、F10、 CN02、打印机、 通讯软件
一、概述 本仪器根据探头类型的不同，分别运用磁感应和涡流原理测量覆层厚度，并符合以下工业标准： JB/T 8393-1996 磁性和涡流式覆层厚度测量仪 1.1 应用 本仪器是便携式、快速、无损、精密地进行涂、镀层厚度的测量。既可用于实验室，也可用于工程现场。本仪器能广泛地应用在电镀、防腐、航天航空、化工、汽车、造船、轻工、商检等检测领域。 配置不同的探头，适用于不同场合。 1.2 测量原理 本仪器根据探头类型的不同，采用了磁性法和涡流法两种测厚方法。 F型探头采用磁性法，可测量磁性金属基体(如钢、铁、合金和硬磁性钢等)上非磁性覆盖层的厚度(如锌、铝、铬、铜、橡胶、油漆等)。 N型探头采用涡流法，可测量非铁磁性金属基体(如铜、铝、锌、锡等)和奥氏体不锈钢上非导电覆盖层的厚度(如:橡胶、油漆、塑料、阳极氧化膜等)。 1.3 仪器配置 1.3.1 标准配置 主机 ---------------------------------------1台 探头（F1或N1） -----------------------1支 基体 ---------------------------------------1块 标准片 ------------------------------------5片 9V碱性电池------------------------------1节 使用说明书 ------------------------------1本 1.3.2 可选件 其他型号探头 ---------------------------（适用于OU3500） 打印机 ------------------------------------1台(适用于OU3500B) 通讯电缆 ---------------------------------1条(适用于OU3500B) - 1 -