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超精密加工高反射曲面光学非接触三维形貌测量

作　者: 李绍辉
导　师: 刘书桂
学　校: 天津大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 超精密加工高反射曲面光栅相位偏折测量技术白光扫描干涉测量技术多传感器融合方法虚拟参考面区域波前重构
分类号: TP274
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

高反射曲面零件的超精密加工技术已成为国防和现代高科技领域的前沿研究方向，准确测量和评价超精密加工高反射曲面零件的三维形貌，研究表面几何特性与使用性能的关系，对提高加工表面的质量和产品性能具有重要的意义。现有的接触式测量方法具有测量速度慢、易划伤测量表面的缺点，而单一的光学非接触测量方法难以完成对大面形或曲率较大的高反射曲面零件三维形貌的高精度测量。本文创新性地提出了将光栅相位偏折测量技术和白光扫描干涉测量技术相结合的异类光学传感器融合测量方法，实现了超精密加工高反射曲面三维形貌的高精度非接触测量。论文的主要研究工作包括：1.提出融合光栅相位偏折测量方法和白光扫描干涉测量技术的超精密加工高反射曲面光学非接触三维形貌测量方法，并完成了测量系统的设计。采用光栅相位偏折测量方法可完成尺寸为150mm×150mm×20mm超精密加工高反射曲面整体三维形貌的测量，测量精度可达到50μm~100μm，在此基础上合理规划测量路径，使用系统中的干涉测量镜头进行超精密加工高反射曲面局部区域的高精度扫描测量，搭建的白光扫描干涉测量子系统的测量范围为847μm×710μm×100μm，系统的横向分辨率为1.047μm，垂直分辨率为0.126nm。2.光栅相位偏折测量方法中，在深入研究光栅编码方案和相位提取算法的基础上，提出了复合光栅编码、摄动相位展开的快速相位提取算法，通过显示一幅含有摄动信息的复合光栅编码图案，由图像采集设备接收工件表面反射的变形复合光栅像，根据摄动信息可计算得到工件表面各点对应的展开相位信息，相位提取的可靠性和速度均得到了明显提高。3.采用基于运动靶标的标定方法，完成了对摄像机内参数的高精度标定；采用Millitron型测长干涉仪完成了白光扫描干涉测量子系统中压电移位器非线性误差的高精度标定；利用标准棋盘格平板和标准量块组合提出超精密加工高反射曲面光学非接触三维形貌测量系统的整体标定方案。4.在光栅相位偏折测量方法中，提出虚拟参考面的方法，在系统标定阶段，通过由LCD液晶屏幕显示一幅特殊编码图案，由CCD摄像机接收经标定用平面镜反射的特殊编码图像，在完成LCD液晶屏位置标定的同时，可直接得到计算相位偏折信息所需的两垂直方向的参考相位分布，避免了对理想参考面的测量需求，在保证测量精度的同时，提高了测量效率，降低了测量的复杂性。5.提出光栅相位偏折高反射曲面三维形貌测量模型，基于迭代策略，建立相位偏折信息与被测工件表面梯度和高度的对应关系，由梯度重建工件三维形貌。在梯度重建高度过程中，提出结合区域波前重构和路径积分的三维重建算法，由路径积分法获得被测工件的初始形貌，由区域波前重构法进行面形优化。提出基于编码光栅条纹相移特性的轮廓提取方法，整个重建过程仅在提取后的区域内进行。6.基于光栅相位偏折测量子系统的测量数据，提出路径规划方案，以引导白光扫描干涉测量子系统对被测工件局部区域进行高精度扫描测量；在深入研究白光扫描干涉测量原理的基础上，对目前广泛使用的多种白光干涉信号峰值提取算法进行了理论推导和算法实现，分析了系统误差和噪声对测量精度的影响，完成对高度变化为0.05μm，10uμm和40μm的模拟台阶面形的三维重建。7.由光栅相位偏折子系统对组合台阶、超精密加工平面镜及光学双曲面的表面形貌进行了三维重建，测量精度在50μm左右，该测量精度处于白光扫描干涉测量子系统的测量范围内，为后续白光干涉镜头对被测工件局部区域进行高精度扫描测量打下了基础。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-12
第一章绪论  12-40
  1.1 高反射曲面光照模型及测量难点  12-14
  1.2 高反射曲面三维形貌测量方法综述  14-29
    1.2.1 高反射曲面三维形貌测量方法分类  14
    1.2.2 接触式测量方法  14-16
    1.2.3 光学非接触测量方法  16-27
    1.2.4 扫描显微镜测量法  27-28
    1.2.5 高反射曲面三维形貌测量方法比较  28-29
  1.3 光栅相位偏折高反射曲面三维形貌测量发展现状及热点问题  29-34
  1.4 白光扫描干涉测量原理及研究现状  34-36
  1.5 多传感器融合测量方法  36-37
  1.6 本课题的提出及各章节安排  37-40
第二章超精密加工高反射曲面光学非接触三维形貌测量系统设计  40-60
  2.1 测量系统总体设计方案  40-42
  2.2 光栅相位偏折测量子系统设计  42-46
    2.2.1 光栅显示设备  42-44
    2.2.2 图像采集设备  44-46
  2.3 白光扫描干涉测量子系统设计  46-52
    2.3.1 白光干涉测量扫描方式选择  46-48
    2.3.2 显微干涉物镜  48
    2.3.3 微位移机构  48-50
    2.3.4 光学成像系统  50-51
    2.3.5 白光光源  51-52
    2.3.6 图像采集装置  52
  2.4 精密运动控制系统设计  52-54
  2.5 超精密加工高反射曲面三维形貌测量系统测量精度分析  54-59
    2.5.1 光栅相位偏折测量子系统测量精度分析  54-57
    2.5.2 白光扫描干涉测量系统测量精度分析  57-59
  2.6 本章小结  59-60
第三章光栅编码及相位展开方法研究  60-78
  3.1 光栅的编码方法研究  60-68
    3.1.1 光栅编码方法综述  60-63
    3.1.2 复合光栅编码方法  63-68
  3.2 相位展开算法研究  68-75
    3.2.1 相位展开的数学描述  69-70
    3.2.2 空域相位展开算法  70-72
    3.2.3 时域相位展开算法  72-73
    3.2.4 中心摄动展开算法  73-75
  3.3 基于复合光栅编码、摄动相位展开的快速相位提取方法  75-77
  3.4 本章小结  77-78
第四章超精密加工高反射曲面光学非接触三维形貌测量系统标定  78-101
  4.1 CCD 摄像机内参数的快速、高精度标定  78-87
    4.1.1 摄像机标定模型  79-83
    4.1.2 基于运动靶标的摄像机内参数标定方法  83-84
    4.1.3 光斑中心位置提取算法  84-86
    4.1.4 实验验证  86-87
  4.2 白光扫描干涉测量子系统现场标定  87-89
  4.3 超精密加工高反射曲面三维形貌测量系统整体标定方案  89-94
    4.3.1 超精密加工高反射曲面三维形貌测量系统标定模型  89-90
    4.3.2 光栅相位偏折测量子系统物空间下位置标定  90-91
    4.3.3 白光扫描干涉测量子系统物空间下位置标定  91-94
  4.4 基于虚拟参考面方法的参考相位的获取  94-100
    4.4.1 标记棋盘格图像的生成方法  94-95
    4.4.2 基于虚拟参考面方法的参考相位测量模型  95-96
    4.4.3 参考相位的计算方法  96-97
    4.4.4 实验验证  97-100
  4.5 本章小结  100-101
第五章光栅相位偏折超精密加工高反射曲面三维形貌测量  101-122
  5.1 光栅相位偏折高反射曲面三维形貌测量模型  101-107
    5.1.1 基于迭代的光栅相位偏折高反射曲面三维形貌测量模型  101-106
    5.1.2 光栅相位偏折高反射曲面三维形貌重建模型参数计算  106-107
  5.2 基于梯度信息的被测物体表面形貌重建方法  107-114
    5.2.1 局部积分技术  108
    5.2.2 全局积分技术  108-111
    5.2.3 三维重建算法仿真分析  111-114
  5.3 基于区域波前重构和路径积分的高反射曲面快速三维重建算法  114-121
    5.3.1 基于编码光栅条纹相移特性的轮廓提取算法  114-117
    5.3.2 与路径积分法相结合的区域波前重构算法  117-118
    5.3.3 实验验证  118-121
  5.4 本章小结  121-122
第六章白光扫描干涉超精密加工高反射曲面三维形貌测量  122-147
  6.1 多目标动态系统的路径规划  122-124
  6.2 白光扫描干涉测量原理  124-128
    6.2.1 白光干涉的典型特性  124-125
    6.2.2 双光路扫描干涉测量原理  125-127
    6.2.3 移相干涉测量原理  127-128
    6.2.4 白光垂直扫描干涉测量原理  128
  6.3 白光扫描干涉峰值提取算法  128-138
    6.3.1 重心法  129
    6.3.2 包络曲线拟合算法  129-132
    6.3.3 空间频域法  132-133
    6.3.4 相移算法  133-136
    6.3.5 算法比较  136-138
  6.4 白光扫描干涉超精密加工高反射曲面三维形貌测量仿真分析  138-146
    6.4.1 白光干涉条纹的生成  138-139
    6.4.2 系统参数对测量精度的影响  139-140
    6.4.3 噪声和微位移机构的误差对测量精度的影响  140-143
    6.4.4 白光扫描干涉测量三维仿真  143-146
  6.5 本章小结  146-147
第七章超精密加工高反射曲面非接触三维形貌测量实验  147-165
  7.1 台阶三维形貌测量  147-156
    7.1.1 9mm 台阶三维形貌测量  147-153
    7.1.2 0.5mm 台阶三维形貌测量  153-154
    7.1.3 7mm 和 9mm 组合台阶三维形貌测量  154-156
  7.2 150mm 超精密加工平面镜三维形貌测量  156-158
  7.3 超精密加工光学双曲面三维形貌测量  158-163
  7.4 本章小结  163-165
第八章总结与展望  165-169
  8.1 全文总结  165-167
  8.2 创新点  167-168
  8.3 工作展望  168-169
参考文献  169-185
发表论文和参加科研情况说明  185-186
致谢  186

超精密加工高反射曲面光学非接触三维形貌测量

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