区域表面结构非接触测量与特征评定方法研究

摘要

表面结构指的是表面的几何结构以及相关的几何特征。表面结构在现代工程产品中发挥着重要作用，表面计量学科当前正经历着从二维轮廓到三维区域、从随机表面到结构表面表征的转变。区域表面结构测量相比轮廓测量，其参数具有更全面的功能意义、更好的重复性以及更有效的视觉表达。现有的光学显微图像测量和白光显微干涉测量可分别用于区域表面结构二、三维尺度的非接触测量，但这两种测量方法的测量视场和横向分辨率受限于物镜数值孔径，且一般不能单独实现二、三维尺度的同步测量。同时，现有的表面结构评定方法已不能满足区域表面结构的评定要求。
　　 针对上述问题，本文展开了系统而深入的研究，并提出了相应的解决方法，全文的主要创新和研究工作如下：
　　 提出了一种光学显微图像测量和白光显微干涉测量互融的区域表面结构非接触测量方法，既能满足对二维几何尺寸的测量，又能满足对三维表面结构的测量，解决了现有的光学显微图像测量和白光显微干涉测量对区域表面结构在二、三维尺度测量之间不能兼顾和效率低下的问题。
　　 提出了一种以显微干涉图像灰度值归一化标准方差为依据的白光干涉测量条纹自动搜索定位方法，解决了现有白光干涉测量人工寻找干涉条纹造成的效率低下的问题。
　　 建立了以测量系统自身的计量系统来标定CCD 摄像机和计算CCD与水平工作台夹角的数学模型，解决了一般图像测量系统需借助外部设备进行标定和夹角测量的问题。
　　 构建了非正交水平工作台移动策略，用于光学显微图像无缝拼接测量和白光显微干涉无缝拼接测量，减小了拼接量，扩大了这两种测量方法的横向测量范围，解决了这两种测量方法的测量视场与横向测量分辨率受限于物镜数值孔径的问题。
　　 提出了基于灰值预处理的区域合并算法，解决了区域表面结构过度分割的问题。扩展了3D-Motif 评定方法，解决了区域性差异较大的表面结构的分析与评定的问题。
　　 研制了测量区域表面结构的二、三维光学显微测量系统，自主设计了复合光学显微系统、三维精密位移系统及相应的硬件电路，开发了光学显微图像测量、白光显微干涉测量及表面结构评定软件，给出了测量与评定实例以及测量结果，验证了所提出的测量和评定方法的实用性和有效性。