基于光学三维成像的镜面物体表面质量检测方法研究

摘要

随着科学技术的加速发展，镜面物体的面形检测需求已广泛存在于在光学反射镜制造、半导体工业、抛光模具制造、手机外壳及其玻璃面板制造等领域。在镜面物体的光学三维成像技术中，基于结构光法的相位测量偏折术(phase measuring deflectometry)具有全场测量、非相干、高灵敏度、稳定、经济的优点而受到了研究者们的关注。相位测量偏折术系统结构简单，主要包括一台相机和一个液晶显示屏，其单次测量可以采集几百万个数据点，测量横向分辨率可达1μm，高度分辨率可达1nm。
　　与其他任何测量技术一样，提升测量精度始终是相位测量偏折术的研究重点，本论文重点研究了相位测量偏折术中提升测量精度的方法，对相位测量偏折术系统标定、相位误差补偿、动态测量、测量仪器系统研制等方面开展了研究，在高精度标定方法研究、相位误差补偿方法研究，高精度动态测量方法研究方面取得了创新，具体如下：
　　1.提出了一种基于相位梯度解析表达式的系统标定方法,实现了系统标定的灵活性和标定精度的提升。标定误差是相位测量偏折术中一类主要误差，其将会直接影响从相位恢复的梯度精度。现有的基于系统几何结构的标定技术中，显示屏空间位置标定的过程复杂，且标定精度受多种因素影响。本论文研究的标定方法避免了显示屏空间位置的标定，使用该标定方法的系统测量精度相对于使用几何结构标定方法时提升了2.5倍。
　　2.为提升相位测量偏折术的相位精度，研究了相位误差的抑制方法。该研究内容分为以下三点：第一，研究了低反射率的类镜面物体测量时的随机相位误差过大的问题，当待测镜面物体具有很低的镜面反射率时，从条纹中提取的相位中的随机误差将会明显增大，这会对测量的梯度和曲率分辨率产生很大影响，本论文推导了随机相位误差随系统参数之间的关系的解析表达式，并用仿真和实验验证了随机相位误差随各参数间的关系，基于该研究结果可以对获取高质量的条纹进行指导；第二，研究了成像系统非远心时的非线性载频畸变问题，当成像系统的光路非远心时，相机拍摄到的正弦条纹的空间频率将不会是一个恒定不变的量，而是一个与空间变量相关的函数，本论文基于非线性载频的解析表达式，提出了一种具有简单拟合形式的非线性载频移除方法，该方法对比现有的多项式拟合法，在不降低精度的条件下，将处理速度提升了6倍；第三，研究了相位测量偏折术中多义性相位误差问题，本论文推导了不含多义性误差的相位梯度完整的解析表达式，基于该解析表达式，通过在系统中加置一个分束镜，设计了一种基于同轴系统的低多义性误差系统设置方案，使用该方案后，当待测物体表面角度小于5°时，系统多义性误差降低至普通光路系统误差的10％。
　　3.建立了结构光三维成像中的不连续边界附近误差模型，并提出了高效的误差补偿算法。当待测物体表面存在反射率或者几何不连续边界时，结构光三维成像技术的测量结果会在不连续边界附近的区域产生一边凸起一边凹陷的误差，本论文建立了该误差的模型，并基于此提出了一种误差消除算法，在测量有圆孔的金属平板并估算圆孔的半径和圆心的实验中，在消除了不连续边界区域误差后，圆孔周边的测量高度精度提升了4倍，测量的圆孔半径测量精度提升了4到10倍，圆心误差也有一定程度的抑制。
　　4.提出了一种基于正交彩色复合条纹的动态测量方法，解决了相位测量偏折术现有动态测量方法中频谱混叠严重的问题。对比与现有的方法，该方法大大降低了由于频谱混叠问题导致的相位误差，并使得相位提取精度提升了4倍。
　　5.研制了横向分辨率44μm，视场大小108mm×90mm，梯度和高度分辨率可达4.5μrad和1nm的镜面物体测量系统，该系统结合自编的同步自动投射和拍摄软件，实现了一键测量。将该系统对硅晶片的测试结果与激光干涉仪的测试结果比对，它们在面形三维形貌（同为中间高四周低的抛物面）、高度峰谷值（都约为300nm）、面形均方根值（88nm和72nm）上都非常吻合。将测量球面镜的高度结果与其标称的高度结果对比，得到所研制系统的测量均方根误差是182nm。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1光学三维成像技术及其意义

1.2 三维测量技术的国内外研究现状

1.3相位测量偏折术中存在的问题

1.4 本论文的主要内容

第二章 相位测量偏折术理论分析和关键技术研究

2.1相位测量偏折术理论分析

2.2相位测量偏折术系统参数分析

2.3相位测量偏折术系统标定

2.4本章小结

第三章 相位测量偏折术相位误差分析和消除方法研究

3.1相位测量偏折术随机相位误差与非线性响应误差分析与消除

3.2相位测量偏折术相位载频非线性畸变分析及消除方法研究

3.3单相机系统多义性分析以及消除方法研究

3.4本章小结

第四章 结构光三维成像技术中不连续区域误差补偿方法研究

4.1结构光三维成像方法的不连续区域误差补偿的研究意义

4.2 不连续区域误差分析及误差补偿算法研究

4.3 基于傅里叶描述子的亚像素边界检测方法研究

4.4 不连续区域误差补偿实验研究

4.5 本章小结

第五章 相位测量偏折术动态测量方法研究

5.1基于正交彩色复合结构光编码方式的动态测量方法

5.2正交彩色条纹颜色通道串扰问题仿真分析

5.3基于正交彩色条纹的相位测量偏折术动态测量实验研究

5.4 本章小结

第六章 基于相位测量偏折术的镜面物体测量系统研制及应用

6.1基于相位测量偏折术的测量系统研制

6.2基于相位测量偏折术的手机壳表面质量检测

6.3基于相位测量偏折术的硅晶片表面质量检测

6.4基于相位测量偏折术的光学反射镜表面质量检测

6.5系统误差分析

6.6本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果