球面光学元件表面疵病评价系统中关键技术研究

发布时间：2017-08-20 09:35

  本文关键词：球面光学元件表面疵病评价系统中关键技术研究

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【摘要】：随着科技的进步,为满足深空探测、能源获取、遥感测控等需求,球面光学元件朝大型化、高精度方向发展,同时也对球面元件表面质量提出了更高的要求。球面元件表面质量的主要评价参数有：面形、粗糙度和表面缺陷等。精密元件的表面面形、粗糙度等相关的关键技术指标可以利用非常成熟的科学仪器如数字化干涉仪和轮廓仪来进行检测并得以控制,而表面缺陷的数字化检测至今尚难以实现。目前在表面缺陷检测领域,平面元件缺陷的数字化检测尚处于起步阶段,球面元件由于其光学结构参数如曲率、形状的多变性,要实现数字化检测则面临更多难题,因此对球面元件尤其是大口径球面元件的检测,只能用人工目测。但是人工目测存在主观性强、效率低、缺陷无法定位、定量等不足,严重制约了如惯性约束聚变大科学装置、空间光学及超精密先进光学制造技术的发展,所以实现大口径球面的表面缺陷自动化检测是相关高技术领域的当务之急。本论文在平面缺陷显微散射暗场成像技术的基础上,针对不同曲率、形状及口径的球面缺陷检测,在球面缺陷显微散射暗场照明、球面子孔径扫描路径规划算法、球面扫描多轴联动系统误差影响、球面缺陷三维重构技术等方面展开了研究。主要研究内容包括：结合大口径球面光学元件现代超精密加工技术,综合国内外基于机器视觉的表面缺陷检测技术研究进展,提出了开展球面元件高精度缺陷检测技术与系统研究的重要性及必要性。在大口径平面元件表面缺陷评价系统SDES(Surface Defects Evaluation System, SDES)的基础上,提出基于显微散射暗场照明的球面光学元件表面缺陷检测方法。分析了满足不同曲率、形状及口径的球面缺陷检测的特殊照明光源与球面光学定中系统,为球面元件的扫描与成像奠定基础。提出了球面三维扫描路径自动规划算法,并建立了SOM(Same Overlapped-area on Meridian)与SOP(Same Overlapped-area on Parallel)的规划模型。在两种规划模型中,对相邻子孔径不同重叠因子优化规划仿真的基础上,利用三种评价方法进行对比评估,获得较优的SOP规划方案,保证球面全口径的无漏、快速检测。同时建立基于Pin-Hole模型的三维球面子孔径重构算法,利用球面三维成像时的映射关系,结合被测元件曲率半径,将二维子孔径平面像逆向重构获取三维子孔径球面像。并在三维重构的基础上,利用SOP规划结果,完成三维球面的直接拼接过程,得到三维球面全口径缺陷图像。针对三维子孔径直接拼接引起球面缺陷特征断裂的问题,对球面多轴联动扫描系统中的误差源进行了分析：基于多体系统理论,建立球面多轴联动扫描系统理想运动模型与含有误差项的实际运动模型。基于上述模型仿真结果分析了误差项对拼接的影响,同时模拟实际采样过程,对系统硬件进行误差分布优化分析,保证直接拼接精度。针对大口径球面拼接中可能存在的拼接错位现象,建立了基于纬线环带最佳匹配的球面子孔径拼接理论模型,将拼接过程划分为纬线环带上相邻子孔径局部配准与纬线环带间多幅子孔径全局配准与全局捆绑调整,通过保证三维子孔径投影图像的高质量拼接结果,来保证三维球面全口径的拼接精度。在理论研究的基础上,首次提出了基于显微散射暗场成像的大口径球面元件表面缺陷机器视觉检测系统方案,并建立了原理性实验系统。系统采用环形可变焦高亮度LED光源照射被测球面元件表面,在有效避免球面反射光影响的前提下,表面缺陷诱发的散射光束通过显微成像系统,得到暗背景高亮缺陷的暗场子孔径图像；为实现覆盖球面全口径的子孔径采样,采用多轴联动扫描机构配合光学自准直球面定中系统实现了球面元件表面的子孔径扫描；最终进行了球面元件扫描、成像与拼接实验,并对数据处理过程进行了详述,验证了重构模型、扫描模型的正确性及球面拼接方法的完善性。
【关键词】：光学检测 表面疵病检测 误差分析 图像拼接 图像重构
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH74
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 第1章 绪论14-34
• 1.1 研究背景14-15
• 1.2 球面元件超精密加工技术15-20
• 1.3 疵病检测相关标准及检测方法概述20-22
• 1.4 机器视觉检测技术22-31
• 1.4.1 机器视觉在疵病检测领域中的应用22-24
• 1.4.2 平面光学元件表面疵病机器视觉检测24-29
• 1.4.3 球面光学元件表面疵病自动化检测技术29-31
• 1.5 本论文主要研究内容及创新点31-34
• 1.5.1 本文主要研究内容及章节安排31-32
• 1.5.2 本文主要创新点32-34
• 第2章 基于显微暗场成像的球面元件表面疵病检测34-49
• 2.1 平面光学元件表面疵病评价系统34-36
• 2.2 球面光学元件表面疵病检测36-41
• 2.2.1 实现球面暗场照明难点37-39
• 2.2.2 实现球面元件表面子孔径扫描难点39-40
• 2.2.3 球面图像处理难点40-41
• 2.3 球面元件表面疵病检测可变孔径角照明光源41-45
• 2.3.1 球面元件表面疵病检测照明方式选择41-42
• 2.3.2 可变孔径角照明光源42-45
• 2.4 球面光学元件定中系统45-47
• 2.5 本章小结47-49
• 第3章 球面子孔径规划、重构算法研究与原理性实验系统建立49-78
• 3.1 球面子孔径成像过程分析49-50
• 3.2 三维球面子孔径扫描50-62
• 3.2.1 球面几何理论51-52
• 3.2.2 球面经纬线扫描轨迹52-54
• 3.2.3 球面子孔径规划54-60
• 3.2.4 球面子孔径扫描偏心模型60-62
• 3.3 球面子孔径三维重构62-67
• 3.3.1 子孔径三维重构62-65
• 3.3.2 图像插值方法65-66
• 3.3.3 子孔径球面全局校正66-67
• 3.4 子孔径规划计算机仿真67-74
• 3.4.1 SOM子孔径规划仿真67-70
• 3.4.2 SOP子孔径规划仿真70-71
• 3.4.3 SOM与SOP规划结果评估71-74
• 3.5 球面光学元件表面疵病评价原理性实验系统74-76
• 3.6 本章小节76-78
• 第4章 球面元件多轴联动扫描系统误差分析78-109
• 4.1 误差源分析78-79
• 4.2 误差对子孔径采样与拼接的影响79-83
• 4.2.1 转动机构转角误差的影响79-81
• 4.2.2 平移导轨定位误差影响81-83
• 4.3 多体系统理论概述83-89
• 4.3.1 多体系统的基本描述83-85
• 4.3.2 理想运动的变换矩阵85-87
• 4.3.3 实际运动中的变换矩阵87-89
• 4.4 多轴扫描系统运动及误差的分析与建模89-98
• 4.4.1 拓扑结构、低序体阵列89-90
• 4.4.2 特征矩阵、理想运动矩阵与实际运动矩阵90-93
• 4.4.3 误差项物理意义辨识及实际运动特征矩阵化简93-96
• 4.4.4 球面子孔径扫描误差模型96-97
• 4.4.5 存在定中误差时的子孔径扫描误差模型97-98
• 4.5 球面多轴扫描系统误差仿真98-107
• 4.5.1 理想扫描轨迹曲线99
• 4.5.2 各误差项对扫描轨迹及拼接影响分析99-104
• 4.5.3 实际扫描轨迹仿真及误差优化104-107
• 4.6 本章小结107-109
• 第5章 大口径球面子孔径拼接方法探讨109-118
• 5.1 大口径球面子孔径拼接流程109
• 5.2 图像预处理109-111
• 5.2.1 图像裁剪与变换110
• 5.2.2 图像去噪110-111
• 5.3 图像配准111-114
• 5.3.1 基于区域的图像配准算法112
• 5.3.2 基于特征的图像配准算法112-113
• 5.3.3 图像变换113-114
• 5.4 大口径球面子孔径拼接方法114-116
• 5.4.1 基于纬线环带最佳匹配的子孔径拼接策略114-115
• 5.4.2 球面全口径三维图像重构115-116
• 5.5 本章小结116-118
• 第6章 球面元件表面疵病评价原理性验证实验118-129
• 6.1 实验系统搭建118-119
• 6.2 球面元件表面疵病评价原理性验证实验119-128
• 6.2.1 球面子孔径规划120-121
• 6.2.2 子孔径的采样与重构121-123
• 6.2.3 二维投影子孔径拼接123-126
• 6.2.4 三维球面全口径疵病图像获取126-128
• 6.3 本章小结128-129
• 第7章 总结与展望129-132
• 7.1 本论文完成工作总结129-131
• 7.2 未来工作展望131-132
• 参考文献132-144
• 攻读博士期间所取得的科研成果144-145

【参考文献】

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本文编号：705901