超精密加工高反射曲面光學(xué)非接觸三維形貌測(cè)量.pdf

1、高反射曲面零件的超精密加工技術(shù)已成為國(guó)防和現(xiàn)代高科技領(lǐng)域的前沿研究方向,準(zhǔn)確測(cè)量和評(píng)價(jià)超精密加工高反射曲面零件的三維形貌,研究表面幾何特性與使用性能的關(guān)系,對(duì)提高加工表面的質(zhì)量和產(chǎn)品性能具有重要的意義。現(xiàn)有的接觸式測(cè)量方法具有測(cè)量速度慢、易劃傷測(cè)量表面的缺點(diǎn),而單一的光學(xué)非接觸測(cè)量方法難以完成對(duì)大面形或曲率較大的高反射曲面零件三維形貌的高精度測(cè)量。本文創(chuàng)新性地提出了將光柵相位偏折測(cè)量技術(shù)和白光掃描干涉測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的異類光學(xué)傳感器融合測(cè)

2、量方法,實(shí)現(xiàn)了超精密加工高反射曲面三維形貌的高精度非接觸測(cè)量。論文的主要研究工作包括:
　　1.提出融合光柵相位偏折測(cè)量方法和白光掃描干涉測(cè)量技術(shù)的超精密加工高反射曲面光學(xué)非接觸三維形貌測(cè)量方法,并完成了測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。采用光柵相位偏折測(cè)量方法可完成尺寸為150mm×150mm×20mm超精密加工高反射曲面整體三維形貌的測(cè)量,測(cè)量精度可達(dá)到50μm~100μm,在此基礎(chǔ)上合理規(guī)劃測(cè)量路徑,使用系統(tǒng)中的干涉測(cè)量鏡頭進(jìn)行超精密加工高反

3、射曲面局部區(qū)域的高精度掃描測(cè)量,搭建的白光掃描干涉測(cè)量子系統(tǒng)的測(cè)量范圍為847μm×710μm×100μm,系統(tǒng)的橫向分辨率為1.047μm,垂直分辨率為0.126nm。
　　2.光柵相位偏折測(cè)量方法中,在深入研究光柵編碼方案和相位提取算法的基礎(chǔ)上,提出了復(fù)合光柵編碼、攝動(dòng)相位展開的快速相位提取算法,通過顯示一幅含有攝動(dòng)信息的復(fù)合光柵編碼圖案,由圖像采集設(shè)備接收工件表面反射的變形復(fù)合光柵像,根據(jù)攝動(dòng)信息可計(jì)算得到工件表面各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的

4、展開相位信息,相位提取的可靠性和速度均得到了明顯提高。
　　3.采用基于運(yùn)動(dòng)靶標(biāo)的標(biāo)定方法,完成了對(duì)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)的高精度標(biāo)定;采用Millitron型測(cè)長(zhǎng)干涉儀完成了白光掃描干涉測(cè)量子系統(tǒng)中壓電移位器非線性誤差的高精度標(biāo)定;利用標(biāo)準(zhǔn)棋盤格平板和標(biāo)準(zhǔn)量塊組合提出超精密加工高反射曲面光學(xué)非接觸三維形貌測(cè)量系統(tǒng)的整體標(biāo)定方案。
　　4.在光柵相位偏折測(cè)量方法中,提出虛擬參考面的方法,在系統(tǒng)標(biāo)定階段,通過由LCD液晶屏幕顯示一幅特殊

5、編碼圖案,由CCD攝像機(jī)接收經(jīng)標(biāo)定用平面鏡反射的特殊編碼圖像,在完成LCD液晶屏位置標(biāo)定的同時(shí),可直接得到計(jì)算相位偏折信息所需的兩垂直方向的參考相位分布,避免了對(duì)理想?yún)⒖济娴臏y(cè)量需求,在保證測(cè)量精度的同時(shí),提高了測(cè)量效率,降低了測(cè)量的復(fù)雜性。
　　5.提出光柵相位偏折高反射曲面三維形貌測(cè)量模型,基于迭代策略,建立相位偏折信息與被測(cè)工件表面梯度和高度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,由梯度重建工件三維形貌。在梯度重建高度過程中,提出結(jié)合區(qū)域波前重構(gòu)和路徑

6、積分的三維重建算法,由路徑積分法獲得被測(cè)工件的初始形貌,由區(qū)域波前重構(gòu)法進(jìn)行面形優(yōu)化。提出基于編碼光柵條紋相移特性的輪廓提取方法,整個(gè)重建過程僅在提取后的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。
　　6.基于光柵相位偏折測(cè)量子系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù),提出路徑規(guī)劃方案,以引導(dǎo)白光掃描干涉測(cè)量子系統(tǒng)對(duì)被測(cè)工件局部區(qū)域進(jìn)行高精度掃描測(cè)量;在深入研究白光掃描干涉測(cè)量原理的基礎(chǔ)上,對(duì)目前廣泛使用的多種白光干涉信號(hào)峰值提取算法進(jìn)行了理論推導(dǎo)和算法實(shí)現(xiàn),分析了系統(tǒng)誤差和噪聲對(duì)測(cè)量