一种新的形貌检测系统标定技术

形貌检测中, 经相位解调和相位展开后,所求得的只是待测物体表面与参考面的相对相位分布, 而三维形貌检测要测的是高度分布. 在分析一般测试系统的基础上, 推导出了相位与高度分布的非线性函数映射关系. 设计了标定测试系统的实验方案. 通过平移实物参考面, 测得其上的相位分布, 由平移距离与相位增量之间的关系, 用最小二乘迭代法计算相位差与物体高度映射关系. 最后, 对一个实际测试系统进行了标定,并与Hung的标定方法进行了分析比较.理论和实验都表明, 新方法精度高, 操作方便, 降低了标定复杂度.     

Mirau相移干涉法测量微透镜阵列面形

基于Mirau相移干涉法,在实验室环境下对微透镜阵列的微表面形貌进行了轮廓测量.实验使用He-Ne激光器作为光源,干涉成像系统由Mirau干涉物镜和其他光学元件组成.在实验中使用压电陶瓷执行器作为相移器,通过5步相移法计算待测表面形貌.实验结果表明,基于Mirau相移干涉法对微透镜阵列面形的测量,水平分辨率达到1.1 μm,垂直测量准确度达到6.33 nm,垂直测量范围为5 μm.对于微透镜阵列的面形测量,通过将微透镜阵列划分为若干微小区域以保证局部面形最大高度小于5 μm,然后辅以精密平移机构进行若干次5步相移法测量局部面形,再利用相位重建所得的数据进行拼接和3D轮廓重建,最终得到整个微透镜阵列的精确微表面形貌.     

一种大视场相位测量轮廓术系统标定方法

在进行大视场相位测量轮廓术系统参量标定时需要大的标定平面和精密移动台,由于携带不方便,不易进行现场标定。提出了一种用于相位测量轮廓术系统参量的高精度、现场标定方法,采用一块较小的平面标定靶在有效测量体积内不同位置多次摆放,以获取密集的数据点。先标定出摄像机的内参量和外参量,再指定一个全局参考平面和若干辅助参考平面,然后在图像平面上分区计算出每个位置标定靶上每点相对辅助参考平面的高度差和相位差,最后应用极大似然估计法估计出相位高度映射参量。实验中平面高度测量的标准偏差达到0.0433 mm。这种方法只需要较小的平面标定靶,标定过程方便、精度高,完全适合大视场三维测量相位测量轮廓术系统现场标定要求。     

一种基于结构光条纹投影的微小物体测量系统

为了通过结构光投影的方法测量微小物体,构建了一套微小物体三维形貌测量系统,视场范围可达1.8 cm×1.6 cm。这套测量系统利用了Light Crafter 4500数字投影组件的高速投影、立体显微镜的低畸变缩放、远心镜头的大景深与低畸变成像的特性。先利用立体显微镜对Light Crafter 4500投影的相移条纹图进行低畸变缩小,再投影到待测物体表面,采用配有远心镜头的相机同步记录受到物体表面形貌调制而发生形变的条纹,利用三步相移法计算出条纹对应的截断相位图,再根据可靠路径跟踪相位展开算法求取连续的相位分布,重建被测物体的三维表面形貌。实验成功重建了以BGA芯片为代表的微小物体表面三维形貌。实验结果表明,系统测量精度达到11 μm,系统的有效深度测量范围为700 μm。     

一种基于双参考平面的等相位坐标标定方法

栅线投影三维测量中通过标定技术把二维的相位信息转化为高度信息,提出了一种基于双参考平面的等相位坐标标定方法。该方法利用被测物体上相位和两个参考平面上相位相同的位置坐标,通过线性插值得到物体表面的高度,而不是传统方法中将物体上的相位直接减去参考平面上同一坐标下的相位得到绝对相位,再建立高度和绝对相位之间的函数关系(将此类方法称为等坐标相位法)。所提方法能够同时解决相位-高度转换以及由于栅线投影系统的非线性响应导致的非正弦性误差的问题。理论和实验证实了该方法的有效性。结果显示,等相位坐标法得到的主要由条纹的非正弦性引起的均方根(RMS)误差不到等坐标相位法的一半。     

基于神经网络的相位-高度映射算法

建立高精度的相位-高度映射关系是结构光测量技术中的关键技术之一.在精确建立相机图像和投影仪图像对应关系的基础上,使用三层反向传播神经网络训练来建立图像坐标与被测物体三维坐标之间的映射关系.使用带有圆形标志点的平面标定板进行神经网络的样本采集与训练.为了验证本文算法的测量精度,使用训练好的网络对一个标准球和石膏头像进行了测量.实验结果表明,本文算法可以测量具有复杂自由曲面的物体,测量精度可达0.095mm.     

基于几何约束的自适应相位解包裹算法

提出一种通过相机和投影仪的空间几何约束来展开相位包裹的方法,只需要对结构光投影测量系统进行标定,不需要进行传统的时间或空间相位展开.通过投影单周期条纹得到物体的大致高度信息以确定虚拟深度平面,在虚拟平面z0min处,根据结构光系统的标定参数创建最小绝对相位图,物体的包裹相位逐像素与进行比较,即确定条纹级数,实现相位解包裹.该方法具有良好的鲁棒性,对硬件要求低,采集图像少并且不需要额外的物体来获得z0min,能够实现自适应动态测量.实验结果表明,在同等条件下,与传统时间相位展开方法相比,该方法的相对误差降低了14.33%,同时简化了测量方法,能够有效实现物体的三维形貌测量.     

基于定点旋转的显微三维数字图像相关系统标定方法

显微三维数字图像相关系统中体视显微镜景深小,光路复杂,宏观标定方法不适用于该系统。针对此问题,提出一种适用于显微立体视觉的定点旋转标定方法。基于体视显微镜放大倍率与景深的关系,建立数学模型,得到标定板与XY平面间的最大夹角,设计定点旋转平台对标定板进行旋转标定,通过系列实验对标定参数进行优化,得出使标定参数整体误差最小的夹角。标定结果表明,主点坐标误差不超过1.8pixel,Z分量相对平移向量的最大偏差值小于0.15mm,姿态数为10或10以上时标定结果趋于稳定。借助于精密位移台对标定结果进行了精度验证,结果表明采用所提方法标定后位移测量的平均相对误差为2.2%,平均均方差为0.36μm。     

调制度测量轮廓术的系统标定

调制度测量轮廓术是一种采用垂直测量方式的三维面形测量方法,可以测量表面有剧烈变化区域的复杂物体。提出了一种基于调制度测量轮廓术测量系统的标定方法,其纵向标定是利用几个相互平行的标定平面建立与CCD像面各像素点对应的测量高度与实际高度之间的映射关系,并利用映射关系确定每一像素点对应的映射关系系数,然后建立映射关系系数查找表,存人测量系统中,完成纵向标定。首先分析了测量系统的误差来源,然后给出了标定方法和标定过程,最后给出了实测结果。结果表明,利用提出的系统标定方法可以有效消除调制度测量轮廓术测量系统误差,显著地提高了系统测量精度。     

一种三维变形光学测量系统及微结构力学性能测试应用

描述了一种使用显微栅线投影技术和数字图像相关技术同时测量微结构三维形貌和变形的光学测量系统.在此系统中,正弦栅线通过相移投影器投影到被测物体表面,变形的条纹图由高分辨率的CCD相机和显微镜头采集并保存.相移技术处理条纹图得到形貌和离面变形,同时从相移图像中提取出被测物表面纹理,数字图像相关技术处理变形前后表面纹理得到面...     

Surface profiling using fringe projection technique based on Lau effect

In this paper, the surface profile of objects is determined by using a grating projection system. The method is based on the concept of self-imaging, namely, the Lau effect. Periodic fringe patterns are generated from the projection of a grating illuminated by multiple mutually incoherent quasi-plane wavefront. The fringe patterns are then projected on to the object surface and the deformed grating image is captured by a CCD camera for subsequent analysis. Phase shifting techniques have been employed to determine the phase value. With suitable calibration of the system and the phase value obtained, the surface profile of the objects can be determined. The phase variation is achieved by using a linear translation stage incorporated to the grating. In this study, two specimens are tested to demonstrate the validity of the method. One is a spherical cap with a height of 4 mm, and the other is a coin. The experimental results are compared with results obtained by mechanical stylus method. In the case of the spherical cap the results are also compared with fringe projection method based on Talbot effect.     

相移阴影莫尔条纹正交化解调技术

提出一种基于克莱姆正则化分析法的三帧自标定相移阴影莫尔三维轮廓技术.该技术首先采用移动光栅的方法获得相移条纹图,然后通过不同帧相移条纹图相减去除条纹图背景,进而结合克莱姆正交化法和最小二乘法,发展了一种相位解调方法,提取了测量相位.以五步Harlharan算法为参考,用不同算法对同一物体表面进行测量.结果表明,相对于典型的三步相移法和主量分析方法,提出的方法测量得到的相位误差最小(0.5rad),且简化了测量过程.     

原子力显微镜探针耦合变形下的微观扫描力研究

原子力显微镜(AFM)的微探针系统是典型的微机械构件，它在接触扫描过程处于耦合变形状态.采用数值模拟方法探究恒力模式下探针耦合变形对微观扫描力信号、微观形貌信号的影响.研究表明，AFM的恒力模式扫描中，法向扫描力并不是恒定大小，与轴向扫描力存在耦合作用，在粗糙峰峰值增加阶段，二力均增加；在粗糙峰峰值减小阶段，二力均减小；该耦合作用随形貌坡度、针尖长度等增加而加强.微观形貌的测试信号和横向扫描侧向力信号受探针耦合变形影响较小，但侧向力与形貌斜率密切相关，且其极值点与形貌极值点存在位置偏差，这些结果均与原子力 关键词： 原子力显微镜 探针悬臂梁 耦合变形 扫描力     

利用动态微纳结构调控颜色方法的仿真研究

随着微纳米技术的进步,利用人工制备的微纳米结构实现颜色的呈现成为了可能,开辟了无油墨印刷的新思路,“结构色”的研究迅速成为该领域的焦点。提出了一种基于动态周期性微纳结构阵列的颜色调控新方法。设计在周期性微结构阵列中,填充一定厚度的功能材料薄膜,通过实时控制功能材料的外部电压,精确调控微结构上下表面的高度差,以实现在同一器件表面不同预期颜色的呈现和切换。建立了微结构的物理模型,并用时域有限差分方法(finite difference time domain,FDTD)进行了仿真研究,光源采用垂直入射的线偏振光,对微纳结构阵列上下表面高度差及结构周期进行了参数扫描,获得了系列反射光谱,并用光谱功率积分的方法计算得到了相应的颜色系列,直观地标注在CIE1931颜色空间色品图上。仿真结果表明,当微纳结构阵列周期在100~300 nm范围内时,通过调节电压改变填充的功能材料的高度,可实现全光谱范围的颜色动态调控,且反射光谱的相对峰值强度在60%左右,效率可观。该方法原理新颖,为研制动态颜色调控微器件提供了理论基础,有望在无油墨印刷、显示技术等领域获得广泛应用。     

The novel nanosecond laser micro-manufacturing of three-dimensional metallic structures

A micro-manufacturing technology is presented which allows the direct forming of three-dimensional metallic microstructures. We replicate micro grid array structures on metallic foil surface. This investigation reveals that three-dimensional metallic microstructures have a high spatial resolution at the micron-level. Numerical simulation results show that the material deformation process is characterized by an ultrahigh strain rate. In addition, this method can fabricate large-area metallic microstructures directly by single pulse. The replication cost is independent of the microstructures complexity. Therefore, laser micro-manufacturing technology will be a potential laser microforming method which is characterized by low-cost, high efficiency. PACS 83.50.Uv; 41.75.Jv; 62.50.+P; 81.20.Hy; 42.62.Cf     

基于圆结构光视觉传感器的标定特征点获取方法

管道作为工业生产重要的传输手段其内表面腐蚀程度和瑕疵的精确检测对于保证安全生产具有重要意义。针对管道内表面圆结构光视觉检测,提出了一种基于共面参照物获取圆结构光视觉传感器标定特征点的新方法。该方法设计了圆结构光平面靶标,基于交比不变原理,以摄像机三维坐标系为中介,将多个局部世界坐标系下的标定特征点统一到全局世界坐标系中,得到位于圆结构光曲面上的非共线标定特征点的三维世界坐标。该方法降低了标定设备的成本,简化了结构光视觉传感器的标定过程。标定实验精度达到0.340 mm,标定结果表明,该方法切实可行。     

Non-contact scanning measurement utilizing a space mapping method

In this study, a novel approach to a measuring methodology and calibration method for an optical non-contact scanning probe system is proposed and verified by experiments. The optical probe consists of a line laser diode and two charge-coupled device (CCD) cameras and is placed on a computer numerical control (CNC) machine to measure the workpiece profiles. A space mapping method using the least-squares algorithm is presented for the probe calibration and profile measurement. This method provides a simple and accurate calculation of the relationship between the real space plane and its related image space plane in a CCD camera. A transparent grid with regularly spaced nodal points is used to construct the space mapping function. The space coordinate of an object can be obtained from its image in the CCD camera via the mapping function. The measured profile data are smoothed by the B-spline blending function and can be transferred to a CAD/CAM package for industrial applications. Experimental results show that this technique can determine the 3-D profile of an object with an accuracy of 60 μm.