采用立体视觉实现子孔径拼接测量的工件定位

为了实现大口径光学元件的子孔径拼接干涉测量,提出了采用立体视觉进行光学元件位姿测量的方法,建立了基于双目视觉的子孔径拼接测量系统。介绍了圆形子孔径拼接干涉测量的原理,基于齐次坐标变换分析了其对工件定位的要求;引入了立体视觉辅助测量系统,建立了通用测量模型,利用双目视觉获取不同子孔径测量时与工件刚性连接的特征点的三维全局坐标,在完成全部子孔径测量后利用四元数法求取各子孔径相对于全局坐标系的转换矩阵,然后利用优化拼接算法将各子孔径数据统一到全局坐标系下,完成大口径光学元件的全局测量。最后利用该系统实现了对口径为150mm平面和100mm球面的检测。实验结果证明,在本系统中,立体视觉系统平移定位精度优于0.1mm,转动测量精度优于0.01°,可为优化拼接算法提供一个有效的初始值,该方法能够快速给出各子孔径间的相对坐标变换且不产生误差累积方法简单且可靠。     

采用光学定位跟踪技术的三维数据拼接算法

为了实现大型自由曲面的三维面型测量,提出了采用光学定位跟踪技术的数据拼接方法。平面靶标作为中介,固定在测量系统上,靶标上的特征点在测量坐标系中的坐标通过中介坐标转换法获得。利用双目立体视觉构建跟踪定位系统,并以跟踪坐标系为全局坐标系,获取平面靶标上特征点的三维全局坐标,求得测量坐标系到全局坐标系的转换矩阵,将测量传感器在不同位置下所测的各子区域的三维数据统一到全局坐标系下,完成大型自由曲面的全局测量。对平面靶标上100个点进行两次测量,实验结果表明：单次测量精度为0.08mm,拼接均方误差小于0.237mm。该方法操作简单、可行,能满足一般的精度要求。     

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。     

用非零位补偿法检测大口径非球面反射镜

研究了利用圆形子孔径拼接和环形子孔径拼接检测非球面的方法,以实现非零位补偿法对大口径非球面的测量.分析和研究了该技术的基本原理,并基于齐次坐标变换和最小二乘拟合建立了综合优化和误差均化的拼接数学模型;分别开发了圆形子孔径拼接和环形子孔径拼接检测非球面的算法软件;设计和搭建了子孔径拼接干涉检测装置,并分别利用圆形子孔径拼...     

多视点大空间三维坐标数据归一化方法

提出了一种在一个编码区内利用立体视觉传感器两次单元测量重叠区域内的公共光学编码点来完成多视点三维数据拼接的方法.通过奇异值分解法求取立体视觉传感器位姿变换的R和T矩阵,将后一次单元测量结果转换到前一次单元测量的坐标系下,完成坐标系的归一化.实验证明,该方法在使用12个编码点求解时,坐标归一化后在X、Y、Z方向上1.2 m×1 m×0.4 m范围内的平均误差分别为0.08 mm、-0.07 mm和-0.02 mm,达到了较高的拼接精度,同时该方法无需在被测目标上粘贴任何特征点,真正实现了非接触测量.     

用于在线检测的紧凑型瞬态干涉测量系统

针对不同口径光学元件加工阶段的在线测量需求,提出了用于在线检测的紧凑型瞬态干涉测量系统。系统引入偏振相机来实现波前瞬态移相干涉测量以降低外界扰动影响。同时结合基于位形优化算法的子孔径拼接技术,可降低对运动扫描平台精度要求,并实现大口径光学元件全口径检测。为验证所提出测量系统的可行性,分别对金刚石车削机床对中工具和大口径球面镜进行在线检测和子孔径拼接测量,结果表明,与ZYGO干涉仪检测结果相比,两者对应的均方根值偏差的绝对值分别为0.003与0.007μm。同时该系统具有布局结构紧凑和对外界环境扰动不敏感的特点,可很好地满足复杂环境在线安装检测应用要求,在金刚石车削机床对中工具的在线调整和不同口径光学元件在线检测中具有较广泛的应用。     

子孔径检测及拼接的目标函数分析法

利用子孔径检测及拼接的方法可以完成大口径面形的干涉测量,本文提出实现子孔径拼接的目标函数分析法,并通过建立每个子孔径的相关矩阵及相关向量。每个重叠区的拟合矩阵及拟合向量,实现了子孔径的拼接。该方法简单易行且避免了误差传递和积累。     

环形子孔径测试的迭代拼接算法及其实验验证

为了满足测量高精度、大口径光学元件的需要,在子孔径拼接和定位算法的基础上研究了环形子孔径迭代拼接算法。该算法可通过精确找出重叠点对和寻找最优位形两个步骤来简化。而后研究了该算法在环形子孔径拼接测量中出现的新问题,即如何确定重叠点的问题,并详细介绍了该算法的步骤。最后对160mm口径的抛物面进行了拼接测量实验, 拼接结果的PV值为0.186λ,RMS值为0.019λ,与自准直全口径测量结果基本一致。结果表明环形子孔径的迭代拼接算法能够满足非球面镜的高精度测量。     

基于单经纬仪的视觉测量三维数据拼接方法

本文针对大型自由曲面三维视觉测量中的数据拼接问题，建立了经纬仪透视投影模型，提出了以平面靶标为中介坐标系，以经纬仪坐标系为全局坐标系的三维数据拼接方法。在大型自由曲面的若干测量子区域附近放置一个平面靶标，通过视觉传感器拍摄平面靶标上的特征点，求得视觉传感器坐标系到靶标坐标系的变换矩阵；通过经纬仪观测靶标上的特征点，求得靶标坐标系到经纬仪坐标系的变换矩阵。因此，可求得视觉传感器坐标系到经纬仪坐标系的变换矩阵。将视觉传感器所测得的各子区域的三维数据统一到了经纬仪坐标系下，即完成了大型自由曲面的全局测量。经实验验证，数据拼接的RMS误差小于0．487mm。     

大尺寸光学元件在位动态干涉拼接测量系统

为了满足车间条件下大口径光学元件的高精度在位、在线检测的迫切需求,本文构建了一个适于一般环境下应用的动态干涉拼接测量实验系统。该系统由动态干涉仪、二维移动平台、控制系统及拼接软件等部分构成。应用该系统对200mm×300mm×20mm的光学元件在一般应用环境下进行了拼接测量实验,采用误差均化拼接算法进行拼接,并对拼接后的结果进行分析处理,比较拼接测量与全口径测量结果,PV值的相对误差为3.1%,RMS值的相对误差为1.6%,Power值的相对误差为2.1%。该系统为在车间环境下建立大口径光学元件在位检测建立了基础。     

像差修正拼接法测量非球面精度的评定

针对用子孔径干涉像差修正拼接法测量非球面的拼接精度问题,提出了一种基于t分布统计的拼接精度分析评定方法.根据测量原理及拼接模型特点,利用残差分析对模型进行回归诊断,使用因变量预测算法和t分布统计模型对拼接精度进行估计与分析.实验结果显示:按t分布评定拼接结果的扩展不确定度为0.362 3λ(0.229 μm),而常规的系统误差检验方法评定拼接结果的扩展不确定度为0.234 μm,两种方法结果基本一致,表明基于t分布统计的方法在保证评定结果准确度的前提下,克服了比较分析法的不确定性,解决了正态分布统计法中置信系数k不能反映子样标准差可靠性对置信概率的影响问题.     

平面子孔径拼接测量实验研究

通过椭圆形口径（长轴225mm,短轴161mm）SiC平面反射镜的全口径面形测量加工实验,验证了一种新的子孔径拼接测量算法—子孔径拼接迭代算法（SASL算法）的有效性。首先用100mm口径平面平晶的子孔径拼接测量与全口径测量的对比实验,确定了拼接测量相关参数及测量装置的精度指标。在此基础上设计了SiC平面反射镜的子孔径拼接实验,在搭建的拼接装置上实现了五次离子束迭代加工过程中和最终的全口径面形测量。这是国内首次将子孔径拼接测量方法用于指导加工实践,加工过程中的测量结果为面形误差修正提供了准确的数据,保证了最终全口径面形误差快速收敛到RMS 50nm。实验证明,SASL算法能大大放宽拼接装置对准运动的精度要求,并减少拼接过程对拼接结果的影响。     

像差修正拼接测量非球面精度评定与分析

摘 要：针对子孔径干涉像差修正拼接测量非球面中拼接精度分析问题,提出了一种基于t分布统计的拼接精度分析评定方法。根据测量原理及拼接模型特点利用残差分析对模型进行回归诊断,使用因变量预测算法用t分布统计模型对拼接精度进行估计与分析。实验结果不确定度分析得：按t分布评定拼接结果的扩展不确定度为 ,常规的系统误差检验方法评定拼接结果的扩展不确定度为 ,两种方法结果基本一致;基于t分布统计的方法在保证评定结果准确度的前提下,克服了比较分析法的不确定性,解决了正态分布统计法中置信系数k由于存在与置信概率的固定关系而不能反映子样标准差可靠性对置信概率的影响问题。     

Accuracy evaluation for sub-aperture interferometry measurements of a synchrotron mirror using virtual experiments

We present a virtual experiment for the accuracy assessment of the sub-aperture interferometric measurement of a synchrotron mirror involving several thousand sub-aperture topographies. The virtual experiment simulates the measurement process and accounts for the influence of positioning device errors, interferometer errors, non-perfect calibration of machine geometry as well as errors in the interferometer reference. Two principles are considered for reconstructing the form of a test specimen from the conducted sub-aperture topographies, a stitching procedure and a direct measurement method. The virtual experiments are applied to the task of absolute form measurement (including its radius of curvature) of a synchrotron mirror with a length of 30 cm, a width of 4 cm, a maximum curvature of about 44 mm⁻¹ and a peak-to-valley of 5 mm. As a result, reconstruction accuracies can be expected to be in the range of 100 nm when the stitching method is applied, which outperforms the direct measurement method by a factor of about 3.     

形貌视觉测量中立体拼接靶标的设计及应用

设计了一种正六棱柱形状的立体拼接靶标,以靶标侧面6个棋盘格的角点作为全局控制点。基于近景摄影测量技术,建立立体靶标的6个单元模型,通过计算模型内摄站间的相对位姿,推导出棋盘格角点在所属单元模型的局部坐标。以公共棋盘格为中介,确立相邻单元模型的坐标系转换关系。建立靶标的全局坐标系于1号棋盘格,推导该棋盘格平面与其像平面间的单应性矩阵,从而确立全局坐标系和1号棋盘格所处单元模型的坐标系的转换关系。依次递推实现全局坐标系和每个单元模型坐标系的转换,进而计算出全部靶标角点的全局坐标,再经光束平差算法获取精确值。以玻璃表面棋盘格的角点间距作为评价指标,拼接精度优于0.15 mm/m。基于立体拼接靶标的拼接试验表明,实体模型表面4个子区域的局部点云可被精确地拼接成整体点云。与基于全局控制点和平面靶标的拼接方法相比,本方法亦具有更高的拼接精度。     

加工工件位置和姿态的自动检测、识别与校正方法

加工工件在数控机床工作台上位置的精确确定是数控系统研究中必须仔细考虑的问题。以数控机床为对象 ,提出了一种对有定位基准平面或工艺基准平面类工件位置和姿态精确确定的新方法 ,并论述了测量所用传感器的工作原理和实验考核。该方法可实现将工件粗略安装在工作台的合适位置上 ,使用自行研制的高精度检测传感器和有效的算法进行加工工件位置和姿态的自动测量、识别和校正 ,而无需夹具的精确定位 ,而且在测量系统上设置有自动减速单元以提高测量效率。通过实验证明了该方法是正确的、可行的。     

子孔径拼接干涉法检测非球面

介绍了子孔径拼接干涉检测非球面的理论和方法,分析了其基本原理,基于齐次坐标变换、最小二乘法和Zernike多项式拟合建立了一种合理的拼接算法和数学模型。对一抛物面镜进行了五个子孔径的计算机模拟拼接实验,拼接前后全孔径面形误差分布是一致的,其PV值和RMS值的偏差分别为-0.009 2 λ和0.0013 λ;全口径相位分布的PV值和RMS值的相对误差分别为-0.39%和0.44%。实验结果表明,利用子孔径拼接技术不需要零位补偿就能实现对较大口径非球面的测量。     

子孔径拼接干涉的快速调整及测量

考虑高精度子孔径拼接干涉测量技术对自动化拼接的要求,提出了一种子孔径零条纹自动快速调节方法。分析了干涉条纹数量对拼接误差的影响,分析显示:当子孔径干涉条纹数量少于5条时,干涉仪回程误差小于λ/50(PV值)。对子孔径拼接测量装置进行了结构优化,提出了拼接位移台角位移偏差自动补偿方法,实现了各个子孔径的零条纹测量,进而控制了子孔径拼接的累积误差。对450mm×60mm长条镜进行了子孔径拼接干涉测量,结果表明:自动测量结果与手动调整零条纹测量结果在面形分布上更为一致;但前者测量速度及测量效率都有所提高,测量时间平均减少5min。提出的方法不仅能完成干涉拼接测量装置的自动定位及自动快速调整,还提高了测量重复性与检测效率。     

三维姿态角高精度测量装置

基于二维自准直仪和坐标系旋转变换矩阵,提出一种高精度、高稳定性三维姿态角(偏摆角、俯仰角和滚转角)测量方法,并设计了一种三维测角装置。介绍了该装置的工作原理和结构组成。建立了三维测角模型,根据自准直测角原理和坐标旋转矩阵推导了理论算法。基于测量要求设计了光学系统,采用现场可编程门阵列(FPGA)单芯片实现了实时双CMOS图像传感器的驱动成像、像点识别与细分定位、三维转角计算及与USB的快速通信。提出了三维测角装置的标定方法,保证了实际设备参数与理论设计数据的统一。最后对提出的滚转角测量算法进行了实验验证,并分析了影响测角精度的因素及其影响程度。标定和试验结果表明:在±20′的视场范围内,三维测角装置的偏摆角、俯仰角和滚转角的测量精度分别达到了2.2″,2.5″和8.7″。该结果验证了设计的装置结构简单、稳定可靠、精度高,且易工程实现三维姿态角的测量。