线光在反射表面形貌测量中的关键技术研究

摘要

表面形貌测量是产品质量控制的关键任务，直接决定产品的外观特征及使用性能。目前测量朗伯表面形貌的技术已日趋成熟，但大多存在逐点测量速度慢、环境要求苛刻、测量范围小、计算量大、具有映射多义性、易出现测量盲区等缺点，难以用于反射表面的形貌测量。针对上述问题，对基于线光测量反射表面形貌的线激光三角法、横向剪切干涉法、同步偏振相移法进行了深入研究，主要研究成果如下：
　　（1）将传统斜射式激光三角法扩展到反射表面形貌测量中，提出了一种高噪声背景下激光条纹亚像素中心提取的方法。线光投射至反射表面，被表面形貌调制并变形，变形光场被屏幕和CCD相机接收后形成激光条纹图像。采用高噪声背景下条纹亚像素中心提取的方法，计算出激光条纹与参考平面条纹的中心偏移量，根据光源、被测表面、设备的三角几何关系，解调出变形光场蕴含的表面形貌信息。实验表明，条纹中心提取的好坏直接影响表面形貌测量的精度，线激光三角法测量反射表面形貌的误差约为±0.25mm。
　　（2）针对线激光三角法测量误差大的问题，对María Frade等的横向剪切干涉三维形貌仪进行改进，设计了不包含柱面镜和透镜、仅包含透镜的两种反射表面形貌测量方案，消除柱面镜和透镜联合使用引起的象散现象。利用Savart双折射晶体横向剪切展开线光，获得干涉条纹图像，采用傅里叶变换解析频率，计算被测表面与设备传感器之间的距离，仅需一帧图像就可测量表面上一条轮廓线的形貌。实验表明，剪切干涉的自比较和共路共线特性增强了反射表面形貌测量的抗环境振动和干扰能力，测量精度优于30μm。
　　（3）利用同步偏振相移技术，解决了傅里叶变换解析图像时测量精度受干涉信号离散、参数选取等因素限制的问题。在横向剪切干涉反射表面形貌测量中，于Savart晶体后加入由1/4波片和偏振片组成的偏振移相装置，用空间位置不同的CCD相机同时采集剪切干涉条纹图像，经四步相移和相位解包裹获得相位斜率后，测量出反射表面的形貌。实验表明，由于剪切干涉抗环境干扰、相移抵消噪声及同步采集消除分时误差等优点，最终测量精度优于20μm，测量出的形貌结果及其变化趋势更接近真实值。

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1 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 表面形貌测量技术概述

1.3 论文主要研究内容与结构安排

2 基于线激光三角法的反射表面形貌测量

2.1 线激光三角法表面形貌测量的工作原理

2.2 激光条纹图像的采集及预处理

2.3 高噪声背景下激光条纹亚像素中心的提取

2.4 实验结果与分析

2.5 本章小结

3 基于横向剪切干涉的反射表面形貌测量

3.1 剪切干涉法表面形貌测量的工作原理

3.2 基于傅里叶变换的剪切干涉条纹图像分析

3.3 实验结果与分析

3.4 本章小结

4 基于同步偏振相移的反射表面形貌测量

4.1 相移法表面形貌测量的工作原理

4.2 同步偏振移相技术

4.3 实验结果与分析

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 论文工作总结

5.2 今后研究工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果