基于光學三維成像的鏡面物體表面質量檢測方法研究.pdf

1、隨著科學技術的加速發(fā)展，鏡面物體的面形檢測需求已廣泛存在于在光學反射鏡制造、半導體工業(yè)、拋光模具制造、手機外殼及其玻璃面板制造等領域。在鏡面物體的光學三維成像技術中，基于結構光法的相位測量偏折術(phase measuring deflectometry)具有全場測量、非相干、高靈敏度、穩(wěn)定、經濟的優(yōu)點而受到了研究者們的關注。相位測量偏折術系統(tǒng)結構簡單，主要包括一臺相機和一個液晶顯示屏，其單次測量可以采集幾百萬個數(shù)據(jù)點，測量橫向分辨率可

2、達1μm，高度分辨率可達1nm。
　　與其他任何測量技術一樣，提升測量精度始終是相位測量偏折術的研究重點，本論文重點研究了相位測量偏折術中提升測量精度的方法，對相位測量偏折術系統(tǒng)標定、相位誤差補償、動態(tài)測量、測量儀器系統(tǒng)研制等方面開展了研究，在高精度標定方法研究、相位誤差補償方法研究，高精度動態(tài)測量方法研究方面取得了創(chuàng)新，具體如下：
　　1.提出了一種基于相位梯度解析表達式的系統(tǒng)標定方法,實現(xiàn)了系統(tǒng)標定的靈活性和標定精度的提

3、升。標定誤差是相位測量偏折術中一類主要誤差，其將會直接影響從相位恢復的梯度精度?，F(xiàn)有的基于系統(tǒng)幾何結構的標定技術中，顯示屏空間位置標定的過程復雜，且標定精度受多種因素影響。本論文研究的標定方法避免了顯示屏空間位置的標定，使用該標定方法的系統(tǒng)測量精度相對于使用幾何結構標定方法時提升了2.5倍。
　　2.為提升相位測量偏折術的相位精度，研究了相位誤差的抑制方法。該研究內容分為以下三點：第一，研究了低反射率的類鏡面物體測量時的隨機相位誤

4、差過大的問題，當待測鏡面物體具有很低的鏡面反射率時，從條紋中提取的相位中的隨機誤差將會明顯增大，這會對測量的梯度和曲率分辨率產生很大影響，本論文推導了隨機相位誤差隨系統(tǒng)參數(shù)之間的關系的解析表達式，并用仿真和實驗驗證了隨機相位誤差隨各參數(shù)間的關系，基于該研究結果可以對獲取高質量的條紋進行指導；第二，研究了成像系統(tǒng)非遠心時的非線性載頻畸變問題，當成像系統(tǒng)的光路非遠心時，相機拍攝到的正弦條紋的空間頻率將不會是一個恒定不變的量，而是一個與空間變

5、量相關的函數(shù)，本論文基于非線性載頻的解析表達式，提出了一種具有簡單擬合形式的非線性載頻移除方法，該方法對比現(xiàn)有的多項式擬合法，在不降低精度的條件下，將處理速度提升了6倍；第三，研究了相位測量偏折術中多義性相位誤差問題，本論文推導了不含多義性誤差的相位梯度完整的解析表達式，基于該解析表達式，通過在系統(tǒng)中加置一個分束鏡，設計了一種基于同軸系統(tǒng)的低多義性誤差系統(tǒng)設置方案，使用該方案后，當待測物體表面角度小于5°時，系統(tǒng)多義性誤差降低至普通光路

6、系統(tǒng)誤差的10％。
　　3.建立了結構光三維成像中的不連續(xù)邊界附近誤差模型，并提出了高效的誤差補償算法。當待測物體表面存在反射率或者幾何不連續(xù)邊界時，結構光三維成像技術的測量結果會在不連續(xù)邊界附近的區(qū)域產生一邊凸起一邊凹陷的誤差，本論文建立了該誤差的模型，并基于此提出了一種誤差消除算法，在測量有圓孔的金屬平板并估算圓孔的半徑和圓心的實驗中，在消除了不連續(xù)邊界區(qū)域誤差后，圓孔周邊的測量高度精度提升了4倍，測量的圓孔半徑測量精度提升了

7、4到10倍，圓心誤差也有一定程度的抑制。
　　4.提出了一種基于正交彩色復合條紋的動態(tài)測量方法，解決了相位測量偏折術現(xiàn)有動態(tài)測量方法中頻譜混疊嚴重的問題。對比與現(xiàn)有的方法，該方法大大降低了由于頻譜混疊問題導致的相位誤差，并使得相位提取精度提升了4倍。
　　5.研制了橫向分辨率44μm，視場大小108mm×90mm，梯度和高度分辨率可達4.5μrad和1nm的鏡面物體測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)結合自編的同步自動投射和拍攝軟件，實現(xiàn)了一鍵