發(fā)布時間：2017-08-20 09:35

  本文關(guān)鍵詞：球面光學(xué)元件表面疵病評價系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： 光學(xué)檢測 表面疵病檢測 誤差分析 圖像拼接 圖像重構(gòu)

【摘要】：隨著科技的進(jìn)步,為滿足深空探測、能源獲取、遙感測控等需求,球面光學(xué)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(zhì)量提出了更高的要求。球面元件表面質(zhì)量的主要評價參數(shù)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(guān)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)可以利用非常成熟的科學(xué)儀器如數(shù)字化干涉儀和輪廓儀來進(jìn)行檢測并得以控制,而表面缺陷的數(shù)字化檢測至今尚難以實(shí)現(xiàn)。目前在表面缺陷檢測領(lǐng)域,平面元件缺陷的數(shù)字化檢測尚處于起步階段,球面元件由于其光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)如曲率、形狀的多變性,要實(shí)現(xiàn)數(shù)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(qiáng)、效率低、缺陷無法定位、定量等不足,嚴(yán)重制約了如慣性約束聚變大科學(xué)裝置、空間光學(xué)及超精密先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)的發(fā)展,所以實(shí)現(xiàn)大口徑球面的表面缺陷自動化檢測是相關(guān)高技術(shù)領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急。本論文在平面缺陷顯微散射暗場成像技術(shù)的基礎(chǔ)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(gòu)技術(shù)等方面展開了研究。主要研究內(nèi)容包括：結(jié)合大口徑球面光學(xué)元件現(xiàn)代超精密加工技術(shù),綜合國內(nèi)外基于機(jī)器視覺的表面缺陷檢測技術(shù)研究進(jìn)展,提出了開展球面元件高精度缺陷檢測技術(shù)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(chǔ)上,提出基于顯微散射暗場照明的球面光學(xué)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(xué)定中系統(tǒng),為球面元件的掃描與成像奠定基礎(chǔ)。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(chǔ)上,利用三種評價方法進(jìn)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(gòu)算法,利用球面三維成像時的映射關(guān)系,結(jié)合被測元件曲率半徑,將二維子孔徑平面像逆向重構(gòu)獲取三維子孔徑球面像。并在三維重構(gòu)的基礎(chǔ)上,利用SOP規(guī)劃結(jié)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(jìn)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(yùn)動模型與含有誤差項(xiàng)的實(shí)際運(yùn)動模型。基于上述模型仿真結(jié)果分析了誤差項(xiàng)對拼接的影響,同時模擬實(shí)際采樣過程,對系統(tǒng)硬件進(jìn)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(zhǔn)與緯線環(huán)帶間多幅子孔徑全局配準(zhǔn)與全局捆綁調(diào)整,通過保證三維子孔徑投影圖像的高質(zhì)量拼接結(jié)果,來保證三維球面全口徑的拼接精度。在理論研究的基礎(chǔ)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(jī)器視覺檢測系統(tǒng)方案,并建立了原理性實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jī)構(gòu)配合光學(xué)自準(zhǔn)直球面定中系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了球面元件表面的子孔徑掃描；最終進(jìn)行了球面元件掃描、成像與拼接實(shí)驗(yàn),并對數(shù)據(jù)處理過程進(jìn)行了詳述,驗(yàn)證了重構(gòu)模型、掃描模型的正確性及球面拼接方法的完善性。
【關(guān)鍵詞】：光學(xué)檢測 表面疵病檢測 誤差分析 圖像拼接 圖像重構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)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(shù)15-20
• 1.3 疵病檢測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及檢測方法概述20-22
• 1.4 機(jī)器視覺檢測技術(shù)22-31
• 1.4.1 機(jī)器視覺在疵病檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用22-24
• 1.4.2 平面光學(xué)元件表面疵病機(jī)器視覺檢測24-29
• 1.4.3 球面光學(xué)元件表面疵病自動化檢測技術(shù)29-31
• 1.5 本論文主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)31-34
• 1.5.1 本文主要研究內(nèi)容及章節(jié)安排31-32
• 1.5.2 本文主要創(chuàng)新點(diǎn)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(xué)元件表面疵病評價系統(tǒng)34-36
• 2.2 球面光學(xué)元件表面疵病檢測36-41
• 2.2.1 實(shí)現(xiàn)球面暗場照明難點(diǎn)37-39
• 2.2.2 實(shí)現(xiàn)球面元件表面子孔徑掃描難點(diǎn)39-40
• 2.2.3 球面圖像處理難點(diǎn)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(xué)元件定中系統(tǒng)45-47
• 2.5 本章小結(jié)47-49
• 第3章 球面子孔徑規(guī)劃、重構(gòu)算法研究與原理性實(shí)驗(yàn)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(jīng)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(gòu)62-67
• 3.3.1 子孔徑三維重構(gòu)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(jī)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(jié)果評估71-74
• 3.5 球面光學(xué)元件表面疵病評價原理性實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角誤差的影響79-81
• 4.2.2 平移導(dǎo)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(yùn)動的變換矩陣85-87
• 4.3.3 實(shí)際運(yùn)動中的變換矩陣87-89
• 4.4 多軸掃描系統(tǒng)運(yùn)動及誤差的分析與建模89-98
• 4.4.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、低序體陣列89-90
• 4.4.2 特征矩陣、理想運(yùn)動矩陣與實(shí)際運(yùn)動矩陣90-93
• 4.4.3 誤差項(xiàng)物理意義辨識及實(shí)際運(yùn)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(xiàng)對掃描軌跡及拼接影響分析99-104
• 4.5.3 實(shí)際掃描軌跡仿真及誤差優(yōu)化104-107
• 4.6 本章小結(jié)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(yù)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(zhǔn)111-114
• 5.3.1 基于區(qū)域的圖像配準(zhǔn)算法112
• 5.3.2 基于特征的圖像配準(zhǔn)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(gòu)115-116
• 5.5 本章小結(jié)116-118
• 第6章 球面元件表面疵病評價原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)118-129
• 6.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建118-119
• 6.2 球面元件表面疵病評價原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)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(gòu)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(jié)128-129
• 第7章 總結(jié)與展望129-132
• 7.1 本論文完成工作總結(jié)129-131
• 7.2 未來工作展望131-132
• 參考文獻(xiàn)132-144
• 攻讀博士期間所取得的科研成果144-145

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：705901