基于光干涉法的超精密车削表面微结构在位检测技术研究

摘要

超精密车削的表面微结构广泛应用于清洁能源、光学成像等领域，其表面形貌的完整性对提高发电装置的转化效率、改善光学系统的质量具有重要意义。对于已加工的微结构表面形貌的测量，目前普遍采用商品化的离线检测设备，但是其只能实现小范围微结构的形貌测量。因此，针对超精密车床研发配套的在位检测系统，实现表面微结构在位及大范围测量，进而改进工件表面加工质量，提高生产效率。
　　为了实现表面微结构三维形貌的在位及大范围测量，本文以搭建的垂直扫描光学干涉在位检测系统为依托，围绕超精密车床光学在位检测系统的研制、微结构表面三维形貌的重构、微结构表面三维形貌的拼接方法、在位检测系统的性能评价及表面形貌在位拼接实验等关键问题展开研究。本文的主要工作有：
　　根据待测表面微结构形貌的特点，基于超精密车床设计一套光学干涉在位检测系统。根据光学干涉的发生条件，确定系统的硬件部件型号及性能参数。利用VS2010软件，设计集成系统驱动控制及图像采集软件。综合干涉系统软硬件条件，实现干涉图像的实时采集存储，为后续微结构三维形貌的重构提供数据支持。
　　根据光源的差异，分析单色光相移干涉与白光干涉的特点。基于光学干涉原理，建立几种常用的白光干涉条纹峰值提取算法。针对干涉系统采集到的干涉图像数据，利用MATLAB软件对其进行滤波处理并编写峰值提取算法程序。
　　结合超精密车床的运动，确定待拼接形貌数据的获取模式及单次拼接中的误差。针对单次拼接中平移变换误差，利用快速模板匹配法，解决存在平移变换图像配准问题。基于MATLAB软件仿真，确定快速模板匹配法和扩展相位相关法的配准精度。通过MATLAB的仿真，修正三维形貌面外偏差。
　　利用AFM标定的微米级沟槽，评价在位检测系统的性能及精度。利用标准栅格聚焦图像，基于图像边缘检测技术，标定干涉图像的像素尺寸，确定了单口径视场范围。建立并对比轮廓仪径向刻划截线及三步相移法重构的微结构三维形貌径向截线拟合方程，评价了单口径微结构形貌在位重构的精度。结合超精密车床导轨及主轴精密运动，完成表面微结构三维形貌大范围在位拼接实验。

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第1章 绪 论

1.1课题来源及研究的背景和意义

1.2表面微结构形貌测量的研究现状

1.3图像拼接技术及研究现状

1.4表面微结构在位检测技术研究现状

1.5课题研究的主要内容

第2章 超精密车床光学在位检测系统的研制

2.1引言

2.2光学在位检测系统的方案设计

2.3光学在位检测系统的硬件设计

2.4光学在位检测系统的软件设计

2.5本章小结

第3章 微结构表面三维形貌的光学干涉测量与重构

3.1引言

3.2光学干涉特性

3.3微结构三维形貌测量原理

3.4垂直扫描白光干涉条纹峰值提取算法

3.5表面微结构三维形貌重构

3.6本章小结

第4章 微结构表面三维形貌拼接方法研究

4.1引言

4.2待拼接微结构形貌的获取及拼接误差分析

4.3微结构形貌图像的面内配准

4.4微结构形貌图像的面外偏差修正

4.5重合区域的融合

4.6本章小结

第5章 在位检测系统精度测试与集成实验研究

5.1引言

5.2在位检测系统的性能与精度评价

5.3图像像素的标定

5.4在位检测系统与机床集成

5.5在位测量及拼接测试

5.6本章小结

结论

参考文献

声明

致谢