發(fā)布時間：2017-08-20 09:35

  本文關鍵詞：球面光學元件表面疵病評價系統(tǒng)中關鍵技術研究

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【摘要】：隨著科技的進步,為滿足深空探測、能源獲取、遙感測控等需求,球面光學元件朝大型化、高精度方向發(fā)展,同時也對球面元件表面質量提出了更高的要求。球面元件表面質量的主要評價參數有：面形、粗糙度和表面缺陷等。精密元件的表面面形、粗糙度等相關的關鍵技術指標可以利用非常成熟的科學儀器如數字化干涉儀和輪廓儀來進行檢測并得以控制,而表面缺陷的數字化檢測至今尚難以實現(xiàn)。目前在表面缺陷檢測領域,平面元件缺陷的數字化檢測尚處于起步階段,球面元件由于其光學結構參數如曲率、形狀的多變性,要實現(xiàn)數字化檢測則面臨更多難題,因此對球面元件尤其是大口徑球面元件的檢測,只能用人工目測。但是人工目測存在主觀性強、效率低、缺陷無法定位、定量等不足,嚴重制約了如慣性約束聚變大科學裝置、空間光學及超精密先進光學制造技術的發(fā)展,所以實現(xiàn)大口徑球面的表面缺陷自動化檢測是相關高技術領域的當務之急。本論文在平面缺陷顯微散射暗場成像技術的基礎上,針對不同曲率、形狀及口徑的球面缺陷檢測,在球面缺陷顯微散射暗場照明、球面子孔徑掃描路徑規(guī)劃算法、球面掃描多軸聯(lián)動系統(tǒng)誤差影響、球面缺陷三維重構技術等方面展開了研究。主要研究內容包括：結合大口徑球面光學元件現(xiàn)代超精密加工技術,綜合國內外基于機器視覺的表面缺陷檢測技術研究進展,提出了開展球面元件高精度缺陷檢測技術與系統(tǒng)研究的重要性及必要性。在大口徑平面元件表面缺陷評價系統(tǒng)SDES(Surface Defects Evaluation System, SDES)的基礎上,提出基于顯微散射暗場照明的球面光學元件表面缺陷檢測方法。分析了滿足不同曲率、形狀及口徑的球面缺陷檢測的特殊照明光源與球面光學定中系統(tǒng),為球面元件的掃描與成像奠定基礎。提出了球面三維掃描路徑自動規(guī)劃算法,并建立了SOM(Same Overlapped-area on Meridian)與SOP(Same Overlapped-area on Parallel)的規(guī)劃模型。在兩種規(guī)劃模型中,對相鄰子孔徑不同重疊因子優(yōu)化規(guī)劃仿真的基礎上,利用三種評價方法進行對比評估,獲得較優(yōu)的SOP規(guī)劃方案,保證球面全口徑的無漏、快速檢測。同時建立基于Pin-Hole模型的三維球面子孔徑重構算法,利用球面三維成像時的映射關系,結合被測元件曲率半徑,將二維子孔徑平面像逆向重構獲取三維子孔徑球面像。并在三維重構的基礎上,利用SOP規(guī)劃結果,完成三維球面的直接拼接過程,得到三維球面全口徑缺陷圖像。針對三維子孔徑直接拼接引起球面缺陷特征斷裂的問題,對球面多軸聯(lián)動掃描系統(tǒng)中的誤差源進行了分析：基于多體系統(tǒng)理論,建立球面多軸聯(lián)動掃描系統(tǒng)理想運動模型與含有誤差項的實際運動模型�；谏鲜瞿Ｐ头抡娼Y果分析了誤差項對拼接的影響,同時模擬實際采樣過程,對系統(tǒng)硬件進行誤差分布優(yōu)化分析,保證直接拼接精度。針對大口徑球面拼接中可能存在的拼接錯位現(xiàn)象,建立了基于緯線環(huán)帶最佳匹配的球面子孔徑拼接理論模型,將拼接過程劃分為緯線環(huán)帶上相鄰子孔徑局部配準與緯線環(huán)帶間多幅子孔徑全局配準與全局捆綁調整,通過保證三維子孔徑投影圖像的高質量拼接結果,來保證三維球面全口徑的拼接精度。在理論研究的基礎上,首次提出了基于顯微散射暗場成像的大口徑球面元件表面缺陷機器視覺檢測系統(tǒng)方案,并建立了原理性實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)采用環(huán)形可變焦高亮度LED光源照射被測球面元件表面,在有效避免球面反射光影響的前提下,表面缺陷誘發(fā)的散射光束通過顯微成像系統(tǒng),得到暗背景高亮缺陷的暗場子孔徑圖像；為實現(xiàn)覆蓋球面全口徑的子孔徑采樣,采用多軸聯(lián)動掃描機構配合光學自準直球面定中系統(tǒng)實現(xiàn)了球面元件表面的子孔徑掃描；最終進行了球面元件掃描、成像與拼接實驗,并對數據處理過程進行了詳述,驗證了重構模型、掃描模型的正確性及球面拼接方法的完善性。
【關鍵詞】：光學檢測 表面疵病檢測 誤差分析 圖像拼接 圖像重構
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH74
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 第1章 緒論14-34
• 1.1 研究背景14-15
• 1.2 球面元件超精密加工技術15-20
• 1.3 疵病檢測相關標準及檢測方法概述20-22
• 1.4 機器視覺檢測技術22-31
• 1.4.1 機器視覺在疵病檢測領域中的應用22-24
• 1.4.2 平面光學元件表面疵病機器視覺檢測24-29
• 1.4.3 球面光學元件表面疵病自動化檢測技術29-31
• 1.5 本論文主要研究內容及創(chuàng)新點31-34
• 1.5.1 本文主要研究內容及章節(jié)安排31-32
• 1.5.2 本文主要創(chuàng)新點32-34
• 第2章 基于顯微暗場成像的球面元件表面疵病檢測34-49
• 2.1 平面光學元件表面疵病評價系統(tǒng)34-36
• 2.2 球面光學元件表面疵病檢測36-41
• 2.2.1 實現(xiàn)球面暗場照明難點37-39
• 2.2.2 實現(xiàn)球面元件表面子孔徑掃描難點39-40
• 2.2.3 球面圖像處理難點40-41
• 2.3 球面元件表面疵病檢測可變孔徑角照明光源41-45
• 2.3.1 球面元件表面疵病檢測照明方式選擇41-42
• 2.3.2 可變孔徑角照明光源42-45
• 2.4 球面光學元件定中系統(tǒng)45-47
• 2.5 本章小結47-49
• 第3章 球面子孔徑規(guī)劃、重構算法研究與原理性實驗系統(tǒng)建立49-78
• 3.1 球面子孔徑成像過程分析49-50
• 3.2 三維球面子孔徑掃描50-62
• 3.2.1 球面幾何理論51-52
• 3.2.2 球面經緯線掃描軌跡52-54
• 3.2.3 球面子孔徑規(guī)劃54-60
• 3.2.4 球面子孔徑掃描偏心模型60-62
• 3.3 球面子孔徑三維重構62-67
• 3.3.1 子孔徑三維重構62-65
• 3.3.2 圖像插值方法65-66
• 3.3.3 子孔徑球面全局校正66-67
• 3.4 子孔徑規(guī)劃計算機仿真67-74
• 3.4.1 SOM子孔徑規(guī)劃仿真67-70
• 3.4.2 SOP子孔徑規(guī)劃仿真70-71
• 3.4.3 SOM與SOP規(guī)劃結果評估71-74
• 3.5 球面光學元件表面疵病評價原理性實驗系統(tǒng)74-76
• 3.6 本章小節(jié)76-78
• 第4章 球面元件多軸聯(lián)動掃描系統(tǒng)誤差分析78-109
• 4.1 誤差源分析78-79
• 4.2 誤差對子孔徑采樣與拼接的影響79-83
• 4.2.1 轉動機構轉角誤差的影響79-81
• 4.2.2 平移導軌定位誤差影響81-83
• 4.3 多體系統(tǒng)理論概述83-89
• 4.3.1 多體系統(tǒng)的基本描述83-85
• 4.3.2 理想運動的變換矩陣85-87
• 4.3.3 實際運動中的變換矩陣87-89
• 4.4 多軸掃描系統(tǒng)運動及誤差的分析與建模89-98
• 4.4.1 拓撲結構、低序體陣列89-90
• 4.4.2 特征矩陣、理想運動矩陣與實際運動矩陣90-93
• 4.4.3 誤差項物理意義辨識及實際運動特征矩陣化簡93-96
• 4.4.4 球面子孔徑掃描誤差模型96-97
• 4.4.5 存在定中誤差時的子孔徑掃描誤差模型97-98
• 4.5 球面多軸掃描系統(tǒng)誤差仿真98-107
• 4.5.1 理想掃描軌跡曲線99
• 4.5.2 各誤差項對掃描軌跡及拼接影響分析99-104
• 4.5.3 實際掃描軌跡仿真及誤差優(yōu)化104-107
• 4.6 本章小結107-109
• 第5章 大口徑球面子孔徑拼接方法探討109-118
• 5.1 大口徑球面子孔徑拼接流程109
• 5.2 圖像預處理109-111
• 5.2.1 圖像裁剪與變換110
• 5.2.2 圖像去噪110-111
• 5.3 圖像配準111-114
• 5.3.1 基于區(qū)域的圖像配準算法112
• 5.3.2 基于特征的圖像配準算法112-113
• 5.3.3 圖像變換113-114
• 5.4 大口徑球面子孔徑拼接方法114-116
• 5.4.1 基于緯線環(huán)帶最佳匹配的子孔徑拼接策略114-115
• 5.4.2 球面全口徑三維圖像重構115-116
• 5.5 本章小結116-118
• 第6章 球面元件表面疵病評價原理性驗證實驗118-129
• 6.1 實驗系統(tǒng)搭建118-119
• 6.2 球面元件表面疵病評價原理性驗證實驗119-128
• 6.2.1 球面子孔徑規(guī)劃120-121
• 6.2.2 子孔徑的采樣與重構121-123
• 6.2.3 二維投影子孔徑拼接123-126
• 6.2.4 三維球面全口徑疵病圖像獲取126-128
• 6.3 本章小結128-129
• 第7章 總結與展望129-132
• 7.1 本論文完成工作總結129-131
• 7.2 未來工作展望131-132
• 參考文獻132-144
• 攻讀博士期間所取得的科研成果144-145

【參考文獻】

中國期刊全文數據庫 前10條

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本文編號：705901