基于相位恢復(fù)的三維形貌復(fù)合通道測(cè)量技術(shù)研究及應(yīng)用.pdf

1、基于相位恢復(fù)的三維形貌復(fù)合通道測(cè)量技術(shù)集合了相位和復(fù)合通道的調(diào)制與解調(diào)，具有信息獲取量大、測(cè)試精度高等優(yōu)點(diǎn)，因而在航空航天、機(jī)器視覺(jué)、逆向工程、微結(jié)構(gòu)器件制造等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。伴隨著該技術(shù)的發(fā)展，一系列相關(guān)的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題仍亟待解決。本學(xué)位論文針對(duì)條紋投影和白光干涉中的復(fù)合通道測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)，以及拓展的形貌測(cè)量單元關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了深入研究，包括:
　　 針對(duì)單幀彩色相移條紋投影復(fù)合通道測(cè)量中的相位復(fù)原誤差問(wèn)題，基于多維希爾伯特變換和載

2、頻交疊重構(gòu)法，提出了一種混合盲校正技術(shù)。在無(wú)需進(jìn)行額外的系統(tǒng)預(yù)標(biāo)定的情況下，有效地抑制和減小了由電子設(shè)備的伽馬(Gamma)效應(yīng)、顏色耦合所引入的相位解調(diào)誤差，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)三維形貌的單幀、亞毫米精度的測(cè)量，算法精度優(yōu)于λeq/38。
　　 針對(duì)彩色白光干涉復(fù)合通道測(cè)量中感興趣物理量的高精度解碼問(wèn)題，深入分析了各色彩通道中信號(hào)相位與零級(jí)條紋位置的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，基于加窗傅里葉變換“脊”(WindowedFouriertransformr

3、idge，WFTR)和相位交叉(Phase-crossing)技術(shù)提出了一種新穎的零位最小二乘估計(jì)策略。與現(xiàn)有技術(shù)相比，所提算法充分利用了干涉信號(hào)的色譜信息，對(duì)光強(qiáng)噪聲和顏色耦合具有較強(qiáng)的免疫力，無(wú)需預(yù)知光源的中心波長(zhǎng)和被測(cè)件的折射率分布，顯著地提升了微結(jié)構(gòu)器件三維形貌復(fù)原的精度，測(cè)量偏差小于3.5nm。
　　 針對(duì)條紋投影形貌測(cè)量中存在的Gamma畸變，基于傅里葉譜分析(Fourierspectrumanalysis，F(xiàn)SA)

4、理論提出了一種準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便的系統(tǒng)Gamma系數(shù)預(yù)標(biāo)定校正技術(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，所提策略僅需兩幅空間載頻條紋圖像（其他算法≥32幅），即達(dá)到了相似的標(biāo)定效果。該技術(shù)原理上可被直接應(yīng)用于基于傳統(tǒng)相移算法的輪廓形貌測(cè)量，具備快速/動(dòng)態(tài)測(cè)試的潛力。
　　 針對(duì)條紋投影形貌測(cè)量中存在的鏡頭成像畸變問(wèn)題，在充分考慮了投影器——相機(jī)鏡頭畸變的基礎(chǔ)上，基于普通紅/藍(lán)棋盤(pán)格標(biāo)定板提出了一種柔性的非線性迭代形貌測(cè)量技術(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，所提方法的柔性

5、體現(xiàn)在:對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)置無(wú)嚴(yán)格要求，方便了測(cè)試系統(tǒng)的調(diào)整;綜合考慮了投影器——相機(jī)的鏡頭畸變，可根據(jù)需要便捷的將測(cè)量模型進(jìn)行拓展;在迭代復(fù)原三維形貌的同時(shí)，優(yōu)化校正了由鏡頭畸變引起的形貌誤差。實(shí)驗(yàn)表明，所提算法的形貌復(fù)原均方根(Rootmeansquare，RMS)誤差小于0.040mm而定位誤差不超過(guò)1‰，測(cè)量精度相比于現(xiàn)有的線性模型方法提升了8倍以上。
　　 對(duì)于白光干涉形貌測(cè)量，深入分析了干涉信號(hào)的頻率、相位信息，光源中心

6、波長(zhǎng)，微位移裝置掃描間隔和零級(jí)條紋位置之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，將抗噪性能優(yōu)異、信號(hào)局部分析能力強(qiáng)的加窗傅里葉變換(WindowedFouriertransform，WFT)引入到了灰度白光干涉信號(hào)的解調(diào)，分別提出了一種單點(diǎn)相位補(bǔ)償技術(shù)和一種多點(diǎn)最小二乘擬合估計(jì)技術(shù)。與以往的包絡(luò)峰值點(diǎn)檢測(cè)算法相比，所提兩種算法具有更強(qiáng)的魯棒性和抗噪性能，且無(wú)需預(yù)知光源的中心波長(zhǎng)和被測(cè)件的折射率分布，即可實(shí)現(xiàn)偏差在6nm以內(nèi)的高精度三維形貌測(cè)量。
　　 將