基于条纹反射的镜面面形检测技术研究

论文摘要

随着现代光学行业的发展,非球面反射镜具有矫正系统像差等独特的优点,被广泛应用于先进制造和航空航天等民用或军用领域,其面形精度直接影响到系统的性能,但传统的检测方法存在一定的局限性。条纹反射检测技术以其高精度、高效率和非接触的优点,在非球面反射镜的三维形貌测量上具有研究的意义和价值。本文主要针对基于条纹反射的镜面面形检测系统和系统中所涉及的关键技术进行研究,实现对非球面反射镜的非接触测量。本文先阐述了条纹反射检测技术的测量原理,研究了基于平面迭代的单目测量模型和基于法线匹配的双目测量模型,单目测量模型中用平面提供镜面矢高进行迭代计算,不需要提供待测镜的先验信息,双目测量模型中通过匹配两个相机中的法线方向求得待测镜表面梯度进行计算。然后对条纹反射检测技术中的关键技术进行了研究,推导了数字移相技术中移相算法的相位计算公式,对比分析了二值编码和倍频编码两种全局相位求解技术在具有随机噪声和离焦误差情况下的相位求解精度,研究了基于梯度数据的傅里叶变换积分法面形重建技术,并对引入平滑约束条件后的重建效果进行仿真分析。标定过程中,采用一件与标定板厚度相同的平面反射镜标定显示器的空间位置,实现了相机和显示器的坐标在标定板所在的世界坐标系下的统一,分析了标定板精度对标定结果的影响,对比分析了三种标定板图像角点检测算法在具有随机噪声和离焦误差情况下的角点检测精度。之后对两种测量模型进行了原理性验证,分析了单目测量模型中初始迭代平面位于不同高度时对面形测量结果的影响以及该模型的面形收敛能力,分析了双目测量模型中匹配数据的量化大小对面形测量结果的影响。最后搭建了基于条纹反射的镜面面形检测系统,定制相应的标定板和平面反射镜完成了对检测系统的标定,分析了实际测量过程中,镜头离焦对显示器Gamma效应的影响,检验了全局相位解算精度,并应用两种测量模型对口径80mm的抛物面反射镜进行实际检测,检测精度接近微米量级。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 光学反射镜面形检测技术概况
•     1.2.1 接触式检测技术
•     1.2.2 非接触式检测技术
•   1.3 条纹反射检测技术发展概况
•   1.4 课题来源及主要研究内容
•     1.4.1 课题来源
•     1.4.2 本文主要研究内容
• 2 基于条纹反射的镜面面形检测技术
•   2.1 基于条纹反射的镜面面形检测技术原理
•     2.1.1 基于平面迭代的单目测量模型
•     2.1.2 基于法线匹配的双目测量模型
•   2.2 全局相位解算技术
•     2.2.1 数字移相技术
•     2.2.2 全局相位求解技术
•     2.2.3 仿真分析
•   2.3 面形重建技术
•     2.3.1 傅里叶变换积分法
•     2.3.2 仿真分析
•   2.4 本章小结
• 3 相机标定技术
•   3.1 相机标定基础
•     3.1.1 坐标转换关系
•     3.1.2 畸变模型
•   3.2 基于条纹反射的镜面面形检测系统的标定
•     3.2.1 张正友平面标定法
•     3.2.2 标定相机和显示器的空间位置
•   3.3 标定板精度对标定结果的影响
•   3.4 角点检测算法的研究
•   3.5 本章小结
• 4 基于条纹反射的镜面面形检测系统仿真分析
•   4.1 基于平面迭代的单目测量模型
•     4.1.1 原理性验证
•     4.1.2 分析
•   4.2 基于法线匹配的双目测量模型
•     4.2.1 原理性验证
•     4.2.2 分析
•   4.3 本章小结
• 5 基于条纹反射的镜面面形检测系统搭建与测试
•   5.1 系统搭建
•   5.2 系统标定
•     5.2.1 相机标定
•     5.2.2 显示器标定
•   5.3 检测实验
•     5.3.1 镜头离焦对显示器Gamma效应的影响
•     5.3.2 相机成像靶面和显示器像素的相位对应关系
•     5.3.3 模型求解
•     5.3.4 结果分析
•   5.4 本章小结
• 6 总结与展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间取得的科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李浩宇

导师: 何勇

关键词: 条纹反射,镜面面形检测,平面迭代,法线匹配,显示器标定

来源: 南京理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,计算机软件及计算机应用

单位: 南京理工大学

基金: 国家自然科学基金天文联合基金项目“基于双目视觉的镜面绝对面型测量原理及其应用研究”及其拓展研究,项目编号 11473017

分类号: TP391.41;O439

DOI: 10.27241/d.cnki.gnjgu.2019.000325

总页数: 82

文件大小: 3931K

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