微磨削锥塔结构光滑表面的自适应方向检测与微加工精度

用白光干涉检测(WLI)法检测微结构表面形貌时,其光滑结构面和边角数据很容易丢失,因此本文提出了自适应方向WLI检测法。该方法分别沿着每个微斜面法向进行自适应方向检测,评价分析其面形、特征轮廓和特征点的加工精度。首先,采用#3000金刚石砂轮微细尖端在Si表面加工出高度为50μm、宽度为56μm且光滑的微锥塔结构。然后,利用四次检测点云对微磨削表面进行拼接与重建。最后,分析面形误差、特征轮廓误差和特征点误差。实验显示:自适应方向WLI检测可以重构出完整的微锥塔结构表面,微磨削的面形误差为5.3μm,表明该微磨削技术可以确保微锥塔结构光滑Si表面的加工精度。但是,对微锥塔结构表面特征轮廓误差及特征点误差的评价表明,特征轮廓误差高达7.7μm,而特征点误差约为15μm,约为面形误差的3倍。分析认为这些误差是由微金刚石砂轮V形尖端磨钝及微磨粒钝化造成的。     

利用激光反馈测量物体三维形貌

利用激光反馈来测量物体的三维形貌,根据物品表面的离焦量与激光器输出功率的关系,给出一种深度信息的测量算法,并建立一种物体三维形貌测量系统。系统扫描物体表面的每一个点,通过对每点最大电压信号的测量判断并记录扫描平台运行的距离,从而实现每点的深度信息测量,最终完成三维形貌测量。通过实验,完成了对样品局部的三维测量,证明了深度方向测量的可行性,并分析了实验中的影响因素。     

微结构表面精密磨削技术及其功能特性开发

针对单晶硅、光学玻璃等硬脆性材料的微结构形状精度难控制的问题,开发出微磨削技术。它是利用金刚石砂轮微细尖端,控制尖端形状及其表面的微磨粒出刃形貌,在硬脆性材料表面加工出微沟槽结构阵列。为了探索其功能特性,微磨削结构表面分别被用于薄膜太阳能电池、单晶硅芯片和石墨叶片的基板表面,然后测试和分析其光伏特性、湿润性和油泵效率。加工结果表明,微磨削技术可以加工出高精度且光滑的微结构表面。应用发现,微透镜结构的薄膜电池可在弱光散光下产生较高的转化效率和填充因子,可以在无太阳照射下发电。当硅晶片表面被加工出微沟槽结构时,较大深度会导致较大的液滴接触角,而且,微沟槽结构梯度表面会产生前后接触角差,可用于控制液滴的微运动。在油泵中,当叶片微结构深度从500 m开始减小到100 m时,油泵的工作效率会逐渐增大,最后大于传统油泵的工作效率。因此,高精度且光滑的微结构表面可以产生更高附加值的功能特性。     

Non-contact profile measurement of a reflecting diaphragm surface

An interference pattern produced by a simple optical set-up irradiating a curved surface with coherent light is presented. The pattern is formed where reflected light beams intersect, even far from the curved surface. This reflected light pattern can be used for measuring curved diaphragm profiles which are expressed by mathematical functions with points of infection.     

基于单目视觉的自由曲面三维坐标测量方法

本文将单摄像机与三坐标测量机结合设计了一种自由曲面的三维坐标测量方法.自由曲面的表面经坐标测量机带动摄像机序列采集图像后形成图像体积,然后使用调焦评价函数在图像体积内寻优判断,找到自由曲面的正焦图像表面.根据物像关系式和正焦图像表面即可推得自由曲面点的三维坐标.经实验比较,本系统测量结果与接触式坐标测量机测量曲面点Z坐标极限偏差13 μm.     

大型自由曲面移动式三维视觉测量系统

本文介绍了一种移动式三维视觉测量系统，用于大型物体自由曲面的测量。传感器采用双目立体视觉方式，并结合编码结构光技术，使匹配过程简化。传感器移动到大型物体周围对各局部区域进行测量。采用一个平面靶标作为中介，建立了传感器位姿变换矩阵的优化目标函数，根据靶标上多个特征点求解出该矩阵，即拼接矩阵。传感器在各个位置所测三维数据通过拼接矩阵统一到全局坐标系下。视觉测量系统在2个位置对维纳斯石膏像进行了测量，并进行拼接。结果表明，该测量系统操作简单，适用范围广；x、y、z坐标拼接RMS误差分别为0．038mm、0．022mm和0．135mm。     

Three-dimensional profile stitching measurement for large aspheric surface during grinding process with sub-micron accuracy

A novel measurement method is proposed to realize three-dimensional (3D) profile stitching for large aspheric surface. The proposed method is based on the multiple sub-regions stitching technology applying a four-axis fixture and a commercial small-range profiler. The partition of sub-regions is due to the effective profiler’s range and the characteristic parameters of aspheric surface, and the measurement for each sub-region within the profiler’s range is achieved through the fixture to translate and rotate the aspheric surface. Then a stitching algorithm including the multi-body theory, the invariability of curvature radiuses and the least square principle is established to reconstruct the full 3D profile. Simulations of multiple sub-regions stitching for different aspheric surfaces are performed to predict the stitching accuracy of proposed method and analyze the influence of alignment errors in Y direction caused by the rotation error along Z direction (Δβ_w,g). The stitching accuracy of proposed method is verified by measuring the 3D profile of an off-axis parabolic surface and an axisymmetric aspheric surface. The experimental standard deviations of stitching errors are 0.16 μm and 0.42 μm, which are less than the form errors of aspheric surface during grinding process. The results show that the proposed method achieves 3D profile stitching for large aspheric surface with sub-micron accuracy.     

表面微观轮廓的高分辨率光学测量方法

较全面地介绍了用于表面微观轮廓测量的几种高分辨率甚至可达亚纳米的光学测量方法及其最新进展.文中重点描述了以扫描共焦显微检测法、离焦误差检测法为代表的光触针法,以TOPO轮廓仪、Nomarski显微镜、外差干涉轮廓仪、双焦干涉轮廓仪和同轴干涉轮廓仪为代表的干涉测量法和以扫描近场光学显微镜及光子扫描隧道显微镜为代表的近场光学法三种适用于表面微观轮廓测量的光学测量方法,分别介绍了其工作原理、特性、发展现状及存在问题,通过对这些方法的对比和总结,阐述了表面微观轮廓纳米级光学测量的发展趋势.     

粗糙表面精度测量系统的研究

设计了一套粗糙表面精度测量系统,采用线边缘激光三角法实现了亚像素级测量,在图像算法上采用改进的阈值法进行边缘检测,用形态滤波法对被测物表面图像进行处理。研究结果表明,该系统能较好地提高测量精度,并得出较满意的图像边缘,可达到5 m的测量精度要求,且具有一定的通用性,实现了对具有粗糙表面的电池极片涂敷层的厚度及均匀性的测量。     

光学非接触三维形貌测量技术新进展

三维物体表面轮廓测量是获取物体形态特征的一种重要手段,在机器视觉、自动加工、工业检测、产品质量控制领域具有重要意义和广阔的应用前景.光学非接触测量由于其高分辨率、无破坏、数据获取速度快等优点而被认为是最有前途的三维形貌测量方法. 介绍了光学非接触测量方法中的光切法、基于调制度测量的原理及优缺点,重点介绍了光栅投射法的测量原理,并分析了其研究热点与发展方向.     

三维空间定位精度的高效测量与补偿及校验

介绍数控机床三维空间定位精度测量、补偿和校验的一种高效、精确的方法。通过激光多普勒干涉仪,运用矢量原理和多步测量的方法,通过四次调整测量就可以获得机床的12项误差元素,根据测量出的误差数据可以生成误差补偿代码并用于误差补偿以提高机床三维空间定位精度,最后通过实例验证该测量方法的准确性及高效率。     

用于强反射表面形貌测量的投影栅相位法

为了实现强反射表面三维形貌的光学非接触测量,提出一种改进的投影栅相位法。分析了强反射表面的反射光特点及其对相位解算的影响,指出了反射光亮度范围与相机动态范围的不一致是导致传统投影栅相位法测量失效的主要原因;提出了亮暗条纹投射、多曝光时间采集图像和图像合成等技术,使相机亮度测量范围与强反射表面的反射光亮度范围相一致,并分析了此方法的可行性和适应范围。最后,给出了改进投影栅相位法的条纹投射与图像采集步骤。实验结果表明,改进的投影栅相位法克服了强反射表面引起的条纹图像饱和或过暗问题,能够成功测量出99.6%以上的三维点云,有效解决了测量点云缺失问题,能够实现强反射表面三维形貌光学非接触测量。     

Statistic optics discussion on the formula of digital holographic 3D surface profiling measurement

Based on the theories of statistic optics and scalar diffraction, this paper derived the digital holography formula for 3D object surface profile measurement. The results indicate that random changes of the scattering light phase will cause error in measurement when the detected object surface is optically rough. Moreover, more precise calculation formula should theoretically be used in case of there is a short distance between the CCD and the measured object, both for a smooth object and an optically rough object.     

基于矢量补偿技术精密测量三维空间曲面及逆向工程

为使测量机完成空间旋转曲面及3D轮廓面的测量,提出等分度测量法及等距测量法。关闭测针半径补偿按技术要求测量空间曲面上4个测量点,利用其中3个测量点在空间曲面上建立投影面为"正三角形"的"微型三角形",另一个测量点的投影在该正三角形中为重心点,以该测针中心坐标为其测量目标点,即方法1;也可以计算出该"微型三角形"的重心坐标为测量目标点,即方法2。应用向量计算该"微型三角形"法矢量,启动测针半径补偿做该空间轮廓的精密测量;用标准球作3D实验探讨"正三角形高"的取值;应用DEAPPL语言设计程序,一次性快速完成空间曲面上4条曲线的测量及其8个数据文件的生成,该文件组可应用于逆向工程、计量检定及曲面的分析研究和改进。按上述方法设计的程序经标准球实验,测量精度可达平均偏差0.001 mm以内,对应标准偏差在0.002 mm以内,能广泛用于高速烟机设计中对空间旋转曲面或3D轮廓面的测量及制造;在我国制造行业,能完成对叶片、叶轮的测试和反求,并为三维空间曲线面的测量提出一种新方法。     

Velocity vector (3D) measurement for spherical objects using an electro-optical device

The present paper describes a procedure to measure the velocity vector (3D) of a spherical object using an electro-optical device configured as a single large detection area optical barrier. The proposed procedure allows a measurement accuracy up to 0.1% in some cases and presents several advantages in relation to other measurement procedures like image processing, doppler-radar and some other electro-optical devices. The procedure is independent of the relative position of the measurement device in relation to the object trajectory. The fact of using a single optical barrier reduces the space required in the movement direction and increase the cases where the device can be used. A prototype has been built and tested.     

光电非接触式表面流速测量

针对水工物理模型试验中尚无简单易行的表面流速测量方法,提出了一种新型光电非接触式表面流速直接测量法。在对光束入射水体后散射光强度公式进行推导的基础上,根据水体浅层泥沙浓度的统计继承效应,得出了经上下游浅层泥沙调制的散射光强成相关特性的结论。根据上下游散射光的相关特性,推导了流速测量公式,并分析了上下游测量间距、水流流速、采样率对测量结果的影响。搭建了实验系统,在6种不同标定流速下,分析了不同含沙量对测量精度的影响。实验结果表明,在0～50kg/m36种不同含沙量情况下,实测流速与标定流速的一致性均较好,但水体在10～50kg/m3适量含沙情况下,测量精度较不含沙情况有所提高,测量绝对误差均小于0.1m/s,相对误差能控制在8%以内。     

High accuracy profile measurement of quasi-conical mirror surfaces by laser autocollimation

A method is described for measuring the profile of a quasi-conical mirror surface along one of its axial generators. A laser beam is made to scan the surface and the variation in reflected beam angle is measured by autocollimation. Integrating the angle with respect to distance along the generator gives the profile height to within ±5 nm. The method has application to the metrology of X-ray microscope reflecting objectives     

三维表面粗糙度测量方法综述

表面粗糙度测量是评估零件表面特性的重要手段。经过二十多年的发展,三维表面粗糙度逐渐成为反映工件表面特性的重要指标。本文总结并比较了多种三维表面粗糙度的测量方法及特点,根据测量过程是否接触被测表面,将三维表面粗糙度测量方法分为接触式测量法与非接触式测量法。接触式测量法主要包括触针扫描法;非接触式测量法主要包括光学法(相移干涉显微法、相干扫描干涉法、数字全息法、共聚焦显微法、共聚焦色差显微法、点自动对焦法、变焦法、激光三角法和光切法)和电镜法(扫描电子显微法、扫描隧道显微法、扫描近场光学显微法和原子力显微法)。针对每种测量方法的发展现状,本文讨论了其适用范围及局限性,并指出未来的发展方向。     

一种光学元件面形三维重建的算法研究

为了在线检测光学元件面形,介绍一种基于线结构光扫描测量和立体视觉测量相结合的三维检测方法,目前这种方法多用于检测高反射率的物体,因此将该方法运用于检测光学元件面形是一种新的尝试。实验的三维重建算法是通过MATLAB和VC++软件共同编写程序实现的,实验结果表明,将这种方法运用于检测光学元件是可以真实还原光学元件三维外貌特性的,所以它的研究具有可行性和研究价值。     

接触式大型非球面镜面形测量中测量点分布的确定

为准确有效地检测大型非球面光学元件的面形,研究了接触式测量光学元件的测量点分布方式.使用不同密度的径向分布及均匀分布的测量点分别对以不同Zernike多项式表示的面形偏差进行采样,然后计算采样所得面形相对给定面形PV值及RMS值的最大相对误差,并对计算结果进行了分析.对1.8m抛物面镜面形实测结果表明:在镜面加工的成型及粗磨阶段,由于面形偏差主要呈旋转对称分布,低密度径向分布测量点即可满足继续加工的检测需求;在精磨及初抛阶段,面形偏差主要为像散或其它非对称面形偏差,测量点均匀分布是提升测量精度的有效手段.此分析方法可以指导测量点的排布方式,从而确保由测量点分布引入的测量误差小于镜面本身面形误差的1/5,提高检测效率.