介觀尺度零件變視場結構光顯微立體視覺測量方法研究.pdf

1、微系統(tǒng)技術的發(fā)展對尺寸范圍在0.1mm~10mm的介觀尺度零件的有效測試提出了日益迫切的需求。介觀尺度零件由于其尺寸小、易集成、能耗低、成本低等優(yōu)點，在國防工業(yè)、航空航天、微電子、生物醫(yī)學等多個領域都有廣泛的應用及前景。目前在工業(yè)生產中廣泛采用的微型測試技術主要是用于檢測二維和準三維的微型零件，無法直接用于有效檢測具有復雜形面的介觀尺度零件。現(xiàn)有介觀尺度零件的測試水平和測試裝備與介觀尺度復雜形面零件測試需求之間的矛盾逐漸凸現(xiàn)，成為制約微

2、系統(tǒng)技術快速發(fā)展的瓶頸。
　　本論文針對介觀尺度零件個體尺寸差異較大的特點，提出了基于大倍率變焦雙遠心投影鏡頭與遠心立體視覺相結合的結構光顯微立體視覺測量方法。首先，針對現(xiàn)有投影光學系統(tǒng)在介觀尺度存在的變焦能力有限、非物方遠心等問題，研究了適用于介觀尺度的大倍率變焦物像雙遠心投影系統(tǒng)的設計方法。近軸設計方面，現(xiàn)有的設計方法主要停留在小倍率變焦設計，而且當放大倍率經(jīng)過m=-1時存在奇值。對此，首先針對三鏡組結構的雙遠心變焦鏡頭進行了

3、近軸設計，對系統(tǒng)特性進行了詳細的分析，并且對三鏡組結構的雙遠心變焦系統(tǒng)作了詳細的分類。針對三鏡組結構系統(tǒng)在物像共軛的情況下較難實現(xiàn)大倍率變焦的情況，提出了四鏡組結構的物像共軛雙遠心變焦系統(tǒng)的近軸設計方法。將四鏡組結構雙遠心變焦系統(tǒng)分為6類。對于每一類結構，都給出了其詳細的數(shù)學模型和近軸設計方法。像差設計方面，對現(xiàn)有的像差設計方法作了改進，將全部三階像差都引入到設計模型之中。提出了像差變化的概念，包括中心拉格朗日變化，中心物像共軛變化，以

4、及中心光闌變化，并推導了相應的像差變化公式。提出了薄透鏡模型設計方法，厚透鏡模型設計方法，以及混合模型設計方法。基于以上研究成果，完成了雙遠心變焦鏡頭的設計。公差分析以后，設計加工了鏡組機械結構部分，最終對鏡組進行了裝調檢測。最后，針對基于遠心鏡頭的結構光雙目立體視覺展開研究。首先給出了遠心鏡頭成像的數(shù)學模型。在遠心鏡頭標定方面，改進了基于二維靶標的標定算法，并且提出了基于三維靶標的標定算法以及遠心立體視覺圖像矯正算法，包括畸變圖像矯正