發(fā)布時(shí)間：2018-04-13 22:27

  本文選題：介觀尺度 + 結(jié)構(gòu)光顯微立體視覺��； 參考：《上海交通大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：微系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展對尺寸范圍在0.1mm~10mm的介觀尺度零件的有效測試提出了日益迫切的需求。介觀尺度零件由于其尺寸小、易集成、能耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn),在國防工業(yè)、航空航天、微電子、生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用及前景。目前在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用的微型測試技術(shù)主要是用于檢測二維和準(zhǔn)三維的微型零件,無法直接用于有效檢測具有復(fù)雜形面的介觀尺度零件�，F(xiàn)有介觀尺度零件的測試水平和測試裝備與介觀尺度復(fù)雜形面零件測試需求之間的矛盾逐漸凸現(xiàn),成為制約微系統(tǒng)技術(shù)快速發(fā)展的瓶頸。本論文針對介觀尺度零件個(gè)體尺寸差異較大的特點(diǎn),提出了基于大倍率變焦雙遠(yuǎn)心投影鏡頭與遠(yuǎn)心立體視覺相結(jié)合的結(jié)構(gòu)光顯微立體視覺測量方法。首先,針對現(xiàn)有投影光學(xué)系統(tǒng)在介觀尺度存在的變焦能力有限、非物方遠(yuǎn)心等問題,研究了適用于介觀尺度的大倍率變焦物像雙遠(yuǎn)心投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。近軸設(shè)計(jì)方面,現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法主要停留在小倍率變焦設(shè)計(jì),而且當(dāng)放大倍率經(jīng)過m=-1時(shí)存在奇值。對此,首先針對三鏡組結(jié)構(gòu)的雙遠(yuǎn)心變焦鏡頭進(jìn)行了近軸設(shè)計(jì),對系統(tǒng)特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析,并且對三鏡組結(jié)構(gòu)的雙遠(yuǎn)心變焦系統(tǒng)作了詳細(xì)的分類。針對三鏡組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在物像共軛的情況下較難實(shí)現(xiàn)大倍率變焦的情況,提出了四鏡組結(jié)構(gòu)的物像共軛雙遠(yuǎn)心變焦系統(tǒng)的近軸設(shè)計(jì)方法。將四鏡組結(jié)構(gòu)雙遠(yuǎn)心變焦系統(tǒng)分為6類。對于每一類結(jié)構(gòu),都給出了其詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型和近軸設(shè)計(jì)方法。像差設(shè)計(jì)方面,對現(xiàn)有的像差設(shè)計(jì)方法作了改進(jìn),將全部三階像差都引入到設(shè)計(jì)模型之中。提出了像差變化的概念,包括中心拉格朗日變化,中心物像共軛變化,以及中心光闌變化,并推導(dǎo)了相應(yīng)的像差變化公式。提出了薄透鏡模型設(shè)計(jì)方法,厚透鏡模型設(shè)計(jì)方法,以及混合模型設(shè)計(jì)方法�；谝陨涎芯砍晒�,完成了雙遠(yuǎn)心變焦鏡頭的設(shè)計(jì)。公差分析以后,設(shè)計(jì)加工了鏡組機(jī)械結(jié)構(gòu)部分,最終對鏡組進(jìn)行了裝調(diào)檢測。最后,針對基于遠(yuǎn)心鏡頭的結(jié)構(gòu)光雙目立體視覺展開研究。首先給出了遠(yuǎn)心鏡頭成像的數(shù)學(xué)模型。在遠(yuǎn)心鏡頭標(biāo)定方面,改進(jìn)了基于二維靶標(biāo)的標(biāo)定算法,并且提出了基于三維靶標(biāo)的標(biāo)定算法以及遠(yuǎn)心立體視覺圖像矯正算法,包括畸變圖像矯正算法以及行對齊矯正算法。對尺寸范圍為0.5mm至5mm的零件進(jìn)行了三維測量,獲取了被測物體大密度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了精度驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其可以達(dá)到微米的測量精度,表明本文方案適用于介觀尺度零件的三維測量。
[Abstract]:The development of microsystem technology has put forward an increasingly urgent need for the effective measurement of mesoscopic parts in 0.1mm~10mm.Due to its advantages of small size, easy integration, low energy consumption and low cost, mesoscopic parts have been widely used in many fields such as national defense industry, aerospace, microelectronics, biomedicine and so on.At present, the micro-test technology widely used in industrial production is mainly used to detect two-dimensional and quasi-three-dimensional micro-parts, which can not be directly used to effectively detect mesoscale parts with complex surface.The testing level of mesoscopic parts and the contradiction between the testing equipment and the testing requirements of mesoscopic complex shape surface parts have gradually emerged, which has become the bottleneck restricting the rapid development of microsystem technology.In this paper, aiming at the large difference in individual size of mesoscopic parts, a new method of structural light microscopy stereo vision measurement based on large magnification zoom double telecentric projection lens and telecentric stereo vision is proposed.Firstly, aiming at the problems such as the limited zoom ability of the existing projective optical system at mesoscopic scale and the non-metacentric projection system, the design method of the bitelecentric projection system with large magnification for mesoscopic scale is studied.In the near axis design, the existing design methods mainly stay in the small magnification zoom design, and there is an odd value when the magnifying ratio passes through mg-1.In this paper, the paraxial design of the double telecentric zoom lens with the three-mirror structure is carried out, and the characteristics of the system are analyzed in detail, and the double-telecentric zoom system with the three-mirror structure is classified in detail.In order to solve the problem that it is difficult to realize large magnification zoom in the case of image conjugation, a design method of the image conjugate double telecentric zoom system with four-mirror structure is presented in this paper.The double telecentric zoom system with four-mirror structure is divided into six categories.For each kind of structure, its detailed mathematical model and paraxial design method are given.In the aspect of aberration design, the existing aberration design methods are improved and all third-order aberrations are introduced into the design model.The concept of aberration variation is proposed, including the central Lagrange variation, the conjugate change of the central object image and the variation of the central aperture, and the corresponding aberration variation formula is derived.The thin lens model design method, thick lens model design method and hybrid model design method are proposed.Based on the above research results, the design of double telecentric zoom lens is completed.After tolerance analysis, the mechanical structure of mirror group is designed and machined.Finally, the structure light binocular stereo vision based on telecentric lens is studied.First, the mathematical model of telecentric lens imaging is given.In the aspect of telecentric lens calibration, the calibration algorithm based on two-dimensional target is improved, and the calibration algorithm based on three-dimensional target and the correction algorithm of remote stereo vision image are proposed, including distortion image correction algorithm and line alignment correction algorithm.The 3D point cloud data of the measured objects with large density are obtained by measuring the parts with the size range from 0.5mm to 5mm.On the basis of this, the accuracy is verified, and the experimental results show that the proposed scheme can achieve the measurement accuracy of micron, which indicates that the proposed scheme is suitable for the three-dimensional measurement of mesoscopic parts.
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG806;TP391.41

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本文編號：1746491