刀口仪数字化技术的研究

论文摘要

刀口阴影法是1858年由傅科(Foucault)提出的,所以又称为傅科刀口法,是测量光学零件表面的面形偏差和光学系统的波象差的非常灵敏的方法,特别适合于大口径镜面抛修的工艺检验。不过从本质上讲,传统的刀口仪采用肉眼进行阴影判别,是一种定性检测技术。对光学零件、光学系统或光学材料在什么部位上有缺陷、缺陷的方向及其严重程度的判断依赖于检测人员的主观经验,虽然易于进行及时的检测,但相对而言也容易因为个人判断上的误差及眼睛的疲劳而产生误判,是一种定性的判断方法,无法满足现代光学加工中定量分析、定量计算的要求。随着计算机技术、图像处理技术等机器视觉技术的发展,使数字化刀口仪定量检验技术成为可能。数字化刀口仪是将传统的刀口仪与机器视觉技术相结合,在传统刀口仪的基础上,采用CCD取代人眼,用计算机控制刀口的运动,对会聚点处的光斑进行垂直于光轴方向的上下和左右两个方向的切割,刀口切割光斑形成的阴影图像由CCD接收,并由图像采集卡将图像采集进计算机内。计算机软件对采集的系列图像进行一系列分析、计算和处理,得到光学元件表面面形的波象差,绘出二维径向波象差分布曲线及三维波象差分布图,实现刀口仪的定量测量。本论文研究数字化刀口仪的相关技术,从机器视觉技术的角度出发,着重研究照明单元、成像光路、三维运动平台的控制、数字图像的采集、数字图像的分析处理、阴影图像处理的数学模型、软件设计和波像差的可视化显示等方面的内容。通过理论分析和工程研究解决了如下关键问题。1)结构灵巧的刀口仪光源的设计；2)高精度三维运动平移台的控制；3)数字刀口仪测试光路的设计、精确调校、刀口的精确定位；4)数字图像的采集、分析和处理；5)阴影图像处理的数学建模；6)数字化刀口仪软件的开发；7)波像差的二维及三维可视化显示。通过本论文的研究工作,实现了刀口仪的定量测量,可以用于指导大口径、高精度镜面的加工。对于传统光学测试方法的改进与提高,有一定的启发与借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 刀口仪的基本原理
• 1.1.1 理想球面波的阴影图及其变化规律
• 1.1.2 球面波上有局部变形的阴影图
• 1.1.3 刀口仪的光路和结构
• 1.1.4 刀口阴影法检验面形误差
• 1.2 刀口仪的数字化研究
• 1.2.1 刀口仪数字化研究的技术基础
• 1.2.2 数字化刀口仪的测量原理
• 1.2.3 数字化刀口仪的组成
• 1.2.4 国内外研究现状
• 1.3 论文主要研究内容和结构
• 1.3.1 工程背景和研究内容
• 1.3.2 论文结构
• 2 成像系统的分析和设计
• 2.1 光源的分析和设计
• 2.1.1 机器视觉系统中的人工光源
• 2.1.2 光源和照度的匹配
• 2.1.3 数字化刀口仪光源的选择
• 2.2 成像光路的分析和设计
• 2.2.1 成像光路的几种结构
• 2.2.2 成像光路中镜头的选择
• 2.2.3 数字化刀口仪成像光路的设计
• 2.3 图像采集单元的分析和设计
• 2.3.1 图像采集传感器的类型
• 2.3.2 图像采集卡的作用和功能
• 2.3.3 数字刀口仪图像采集单元的设计
• 3 运动机构的分析和设计
• 3.1 数字刀口仪运动机构的要求
• 3.2 运动机构的设计
• 3.2.1 旋转式刀口的结构
• 3.2.2 三维运动平台的结构
• 3.2.3 平台运动的控制
• 4 阴影图像的处理和软件设计
• 4.1 数字刀口仪阴影图像的处理
• 4.1.1 数字刀口仪图像处理的基本原理
• 4.1.2 刀口仪图像处理的数学模型
• 4.2 数字刀口仪软件的设计
• 4.2.1 软件的需求分析
• 4.2.2 软件开发的工具
• 4.2.3 软件的设计
• 4.2.4 各软件模块的功能
• 5 系统的调试及测试结果
• 5.1 光路的调整
• 5.1.1 被测光学元件的调整
• 5.1.2 刀口的调整
• 5.1.3 CCD的调整
• 5.2 测量的过程
• 5.3 测量的结果
• 6 结论
• 攻读学位期间获奖和发表论文情况
• 致谢
• 参考文献