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》2015年博士論文

【摘要】：微系統(tǒng)技術的發(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,在國防工業(yè)、航空航天、微電子、生物醫(yī)學等多個領域都有廣泛的應用及前景。目前在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用的微型測試技術主要是用于檢測二維和準三維的微型零件,無法直接用于有效檢測具有復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)技術快速發(fā)展的瓶頸。本論文針對介觀尺度零件個體尺寸差異較大的特點,提出了基于大倍率變焦雙遠心投影鏡頭與遠心立體視覺相結(jié)合的結(jié)構(gòu)光顯微立體視覺測量方法。首先,針對現(xiàn)有投影光學系統(tǒng)在介觀尺度存在的變焦能力有限、非物方遠心等問題,研究了適用于介觀尺度的大倍率變焦物像雙遠心投影系統(tǒng)的設計方法。近軸設計方面,現(xiàn)有的設計方法主要停留在小倍率變焦設計,而且當放大倍率經(jīng)過m=-1時存在奇值。對此,首先針對三鏡組結(jié)構(gòu)的雙遠心變焦鏡頭進行了近軸設計,對系統(tǒng)特性進行了詳細的分析,并且對三鏡組結(jié)構(gòu)的雙遠心變焦系統(tǒng)作了詳細的分類。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)的物像共軛雙遠心變焦系統(tǒng)的近軸設計方法。將四鏡組結(jié)構(gòu)雙遠心變焦系統(tǒng)分為6類。對于每一類結(jié)構(gòu),都給出了其詳細的數(shù)學模型和近軸設計方法。像差設計方面,對現(xiàn)有的像差設計方法作了改進,將全部三階像差都引入到設計模型之中。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,并推導了相應的像差變化公式。提出了薄透鏡模型設計方法,厚透鏡模型設計方法,以及混合模型設計方法�；谝陨涎芯砍晒�,完成了雙遠心變焦鏡頭的設計。公差分析以后,設計加工了鏡組機械結(jié)構(gòu)部分,最終對鏡組進行了裝調(diào)檢測。最后,針對基于遠心鏡頭的結(jié)構(gòu)光雙目立體視覺展開研究。首先給出了遠心鏡頭成像的數(shù)學模型。在遠心鏡頭標定方面,改進了基于二維靶標的標定算法,并且提出了基于三維靶標的標定算法以及遠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的零件進行了三維測量,獲取了被測物體大密度的三維點云數(shù)據(jù)。在此基礎上進行了精度驗證,實驗發(fā)現(xiàn)其可以達到微米的測量精度,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.
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG806;TP391.41

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