变视场约束下介观尺度复杂形面结构光显微视觉测量技术研究

机械微加工技术的发展对介观尺度复杂形面的有效测试提出了日益迫切的需求。本项目以此为背景，针对介观尺度微零件个体尺寸差异较大的特点，研究变视场约束下介观尺度复杂形面结构光显微视觉测量原理及其实现方法。具体研究内容包括：考虑视场连续可变约束，构建结构光显微视觉数学模型以及测量空间畸变场参数化模型，通过定量分析模型参数对测量性能的影响，研究测量架构参数优化设计方法；建立变视场结构光显微视觉标定模型，研究基于空间多平面法的模型参数初始优化标定方法，以及基于二维影像分析的现场自标定方法；基于标准位置测量实验数据，构建变视场约束下测量误差高维欧氏空间分布场模型，通过分析其变化规律，实现高维欧氏空间的测量误差插补补偿；根据理论及技术研究成果，研制变视场约束下介观尺度复杂形面结构光显微视觉测量原型，并开展应用验证。

机械微加工技术的发展对尺寸范围在0.1mm-10mm的介观尺度复杂形面的有效测试提出了日益迫切的需求。本项目针对介观尺度微零件个体尺寸差异较大的特点，基于大倍率变焦远心结构光投影与双目远心立体视觉，提出了视场较大范围可调的显微视觉三维测量原理及其实现方法。首先，针对现有投影光学系统在介观尺度存在变焦能力受限、非物方远心等问题，研究了适用于介观尺度范围的大倍率变焦物像双远心系统设计方法。近轴设计方面，在三镜组结构物像双远心系统设计的基础上，通过镜组光焦度调整处理算法，解决了传统设计中放大倍率过m=-1点时存在的奇异值问题。针对三镜组结构系统在物像共轭的情况下较难实现大倍率变焦的情况，提出了四镜组结构物像共轭双远心系统近轴设计方法，并根据对额外引入自由设计变量的不同约束条件，提出了6类四镜组结构物像双远心系统的具体实现结构。像差设计方面，在传统薄透镜镜组设计基础上，通过引入光阑球差，光阑轴向色差等像差因素及相应像差变换建模，形成了薄透镜三阶像差全参设计方法。提出了变焦镜头的厚透镜镜组设计及像差计算方法，并采用全局优化算法实现镜组结构的最优设计。其次，通过对单目远心成像、镜头高阶失真、结构光解码、对应点匹配、双目三维坐标重建等过程的准确数学描述，实现了基于双目远心立体视觉的结构光显微视觉测量精确数学建模。建立了基于测量空间多平面法的双目远心结构光显微视觉测量标定模型，通过平面精密标定板设计制作、多位姿标定图像同步获取、图像域特征点提取、基础数据对应关系确定、参数最优化迭代计算、标定误差评估等步骤，实现显微视觉测量数学模型参数的精确求取。最后，在理论及技术研究成果的基础上，研制了适用于介观尺度微小零件测量的大倍率变焦双远心微型结构光投影系统，并搭建了介观尺度复杂形面结构光显微视觉测量实验环境。据此，对0.5mm至5mm尺寸范围的微小物体进行了测量实验，对研究成果进行了应用验证。本项目的研究成果为介观尺度微小零件三维测量提供了有效的方法和技术手段，推动了结构光显微视觉测量技术的进一步应用和发展。