目前接觸式測(cè)量方法主要用于高反射曲面的粗糙度及部分參數(shù)的高精度測(cè)量层皱，較少用于對(duì)整體形貌進(jìn)行三維檢測(cè)。
光學(xué)探針?lè)?依據(jù)采用的光學(xué)原理不同陡厘，可分為幾何光學(xué)探針?lè)ê臀锢砉鈱W(xué)探針?lè)ㄅち弧缀喂鈱W(xué)探針?lè)ɑ诔上裨磉M(jìn)行測(cè)量，有離焦誤差檢測(cè)和共焦顯微鏡兩種方法怀挠。離焦誤差檢測(cè)法的基本原理是將被測(cè)表面偏離聚焦物鏡焦點(diǎn)的微小偏移量轉(zhuǎn)換為光電探測(cè)器上光斑強(qiáng)度或大小及形狀的變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為輸出電量的變化害捕，偏移量的線性測(cè)量值反映了被測(cè)表面的形貌[11]绿淋，包括差分法[12]、光強(qiáng)法[13]吨艇、偏心光束法[14]躬它、像散法[15]、傅科刀口法[16]东涡、臨界角法[17]等.
傅里葉變換相位偏折輪廓術(shù)通過(guò)采用多角度彩色條紋編碼[67]的方法可解決陰影問(wèn)題冯吓，對(duì)于傅里葉變換所產(chǎn)生的頻譜泄露、混疊和柵欄效應(yīng)產(chǎn)生的誤差疮跑，可通過(guò)采用窗口傅里葉變換[68]组贺、二維連續(xù)小波變換[69]來(lái)代替常規(guī)傅里葉變換，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法[70]來(lái)消除零級(jí)頻譜的影響.
相移測(cè)量方法有兩個(gè)主要誤差源：光柵顯示設(shè)備的移相誤差和 CCD 攝像機(jī)的非線性響應(yīng)誤差祖娘，各種相位提取算法對(duì)這兩種誤差的敏感程度基本上決定了相移干涉技術(shù)的相位提取精度[84]失尖。當(dāng)采取等間隔相移時(shí)，衡量方程性態(tài)的系數(shù)矩陣的條件數(shù)最少渐苏，引入的誤差最小掀潮，具有最強(qiáng)的抗噪聲能力。相移次數(shù) N 的選擇取決于算法對(duì)噪聲的敏感程度琼富，通常相移次數(shù) N 越大仪吧，相位測(cè)量誤差越小。實(shí)際測(cè)量中需綜合考慮測(cè)量時(shí)間鞠眉、數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)處理速度等因素來(lái)決定 N 的大小薯鼠。
時(shí)間相移法中 CCD 攝像機(jī)接收到的是同一空間位置不同時(shí)刻探測(cè)到的相移光柵像，因此該方法多用于靜態(tài)相位的測(cè)量械蹋〕龌剩空間相移法指多幅相移條紋圖在同一時(shí)刻不同空間位置獲得，如圖 1-13 所示哗戈。
空間相移法的關(guān)鍵在于如何分光和如何引入相移郊艘，由于空間相移法的多幅條紋圖是在同一時(shí)刻、不同空間位置獲得的，因此可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量暇仲，但測(cè)量系統(tǒng)較復(fù)雜步做，對(duì)各探測(cè)器的光電性能的一致性要求很高副渴，且不同空間位置的干涉圖像之間需進(jìn)行良好的位置匹配[85]奈附。
該方法假設(shè)原圖像中相鄰 N 點(diǎn)的相位相等，因此要求相位變化緩慢煮剧，否則在測(cè)量物體斜率較大的部分時(shí)誤差較大斥滤，精度也不如時(shí)間相移法高。
該方法光柵顯示設(shè)備移動(dòng)方向和 CCD 攝像機(jī)探測(cè)方向一致勉盅，不需要相位展開(kāi)佑颇，可以測(cè)量物體表面高度劇烈變化或不連續(xù)的區(qū)域，且對(duì)陰影草娜、遮擋挑胸、相位截?cái)嗖o(wú)限制，設(shè)備簡(jiǎn)單宰闰，易于實(shí)現(xiàn)茬贵。
掃描顯微鏡測(cè)量方法可分為電子顯微鏡和掃描探針顯微鏡兩類[100]，前者包括掃描電子顯微鏡（SEM）移袍、透射電子顯微鏡（TEM）解藻、掃描投射電子顯微鏡（STEM）等，后者包括掃描隧道顯微鏡（STM）葡盗、原子力顯微鏡（AFM）等螟左。
非光學(xué)掃描顯微鏡測(cè)量法主要用于微觀表面納米級(jí)精度檢測(cè)，其中觅够，STM/AFM 在所有測(cè)量方法中的水平和垂直分辨率最高胶背，但其測(cè)量范圍很小，在工程表面的測(cè)量中受到限制喘先。
光學(xué)探針?lè)ù怪狈较虻臏y(cè)量范圍不受入射光波長(zhǎng)的限制钳吟，一般可達(dá)毫米級(jí)，但由于存在衍射受限以及系統(tǒng)的水平分辨率由物鏡的數(shù)值孔徑?jīng)Q定等因素苹祟，其垂直分辨率和水平分辨率均低于接觸式測(cè)量?jī)x器砸抛。該方法對(duì)被測(cè)表面清潔度要求較高，在測(cè)量復(fù)雜面形的三維形貌時(shí)树枫，會(huì)夸大測(cè)量信號(hào)直焙，造成數(shù)據(jù)失真。
光學(xué)干涉法垂直分辨率可達(dá)亞納米級(jí)砂轻，但水平分辨率較低奔誓。受入射光波長(zhǎng)限制，干涉顯微鏡的垂直測(cè)量范圍很小，只能用于納米或亞微米級(jí)精細(xì)表面的測(cè)量厨喂，不適合大尺寸或曲率較大的高反射曲面的高精度檢測(cè)和措。
白光掃描干涉測(cè)量具有納米級(jí)甚至亞納米級(jí)的測(cè)量分辨力[124]，測(cè)量精度達(dá)到納米級(jí)蜕煌，重復(fù)性好派阱，完全可以用于超精密加工非接觸三維形貌測(cè)量。然而斜纪，受到光學(xué)系統(tǒng)數(shù)值孔徑和視場(chǎng)范圍的限制贫母，它不適合進(jìn)行具有大曲率面形的高反射曲面的測(cè)量。且在無(wú)輔助掃描裝置的條件下盒刚，測(cè)量范圍遠(yuǎn)不能達(dá)到毫米級(jí)腺劣。
多傳感器測(cè)量及信息融合技術(shù)已成為提升計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵技術(shù)之一，它的最大特點(diǎn)就是“增效作用”和“協(xié)同作用”因块，即增加空間和時(shí)間的覆蓋度和分辨力橘原，提高系統(tǒng)測(cè)量精度并增加系統(tǒng)的魯棒性。該系統(tǒng)的不足在于雖然在同一框架下融合了多種不同測(cè)量原理和測(cè)量精度的異類傳感器涡上，但在具體測(cè)量過(guò)程中傳感器組合的選取不能自動(dòng)進(jìn)行趾断，還是要憑借根據(jù)待測(cè)樣品的規(guī)格和公差結(jié)合 CAD 模型來(lái)選取滿足測(cè)量精度的傳感器進(jìn)行測(cè)量。并且在測(cè)量過(guò)程中吓懈，只是先用測(cè)量范圍較大的傳感器進(jìn)行粗測(cè)歼冰，然后用高精度傳感器進(jìn)行小范圍精密測(cè)量，暫未涉及圖像融合技術(shù)耻警。
對(duì)于尺寸為幾十毫米到上百毫米的零件的非接觸高精度測(cè)量隔嫡，光柵相位偏折測(cè)量方法可以被用來(lái)獲得大視場(chǎng)的全局輪廓數(shù)據(jù)，但其測(cè)量精度只能達(dá)到微米級(jí)甘穿。白光掃描干涉測(cè)量技術(shù)具有納米甚至亞納米級(jí)的測(cè)量分辨力腮恩，測(cè)量精度達(dá)到納米級(jí)，重復(fù)性好温兼，完全可以用于超精密加工高反射曲面非接觸三維形貌測(cè)量秸滴。然而，由于受到光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑和視場(chǎng)范圍的限制募判，這種方法不適合進(jìn)行具有大曲率面形的高反射曲面的測(cè)量荡含。而且在無(wú)輔助掃描裝置的條件下，其測(cè)量范圍遠(yuǎn)不能達(dá)到毫米量級(jí)届垫。
對(duì)光柵相位偏折測(cè)量子系統(tǒng)和白光掃描干涉測(cè)量子系統(tǒng)分別測(cè)量得到的數(shù)據(jù)释液，進(jìn)行異類光學(xué)傳感器的數(shù)據(jù)融合操作，實(shí)現(xiàn)超精密加工高反射曲面三維形貌的高精度測(cè)量装处。
由于投影儀中像元分布為均勻的和離散的误债，而被測(cè)物體表面反射的光柵條紋是連續(xù)的，存在一個(gè)由離散信號(hào)變?yōu)檫B續(xù)信號(hào)的過(guò)程，這直接導(dǎo)致了投影儀設(shè)置的光柵模式和實(shí)際得到的光柵圖案的差異[129-130]寝蹈。
選擇 LCD 時(shí)需要考慮的顯示性能指標(biāo)主要有：
（1）響應(yīng)時(shí)間李命。響應(yīng)時(shí)間指液晶顯示屏對(duì)輸入信號(hào)的反應(yīng)速度，即液晶屏幕由暗轉(zhuǎn)亮（上升時(shí)間）或由亮變暗（下降時(shí)間）的反應(yīng)時(shí)間箫老。響應(yīng)時(shí)間越小越好封字，若響應(yīng)時(shí)間過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)圖像的遲滯現(xiàn)象槽惫。在測(cè)量過(guò)程中周叮，LCD 用于顯示編碼產(chǎn)生的方向、幅度界斜、周期均可調(diào)整的多幅光柵條紋，顯示過(guò)程與圖像采集設(shè)備的采集過(guò)程交替進(jìn)行合冀，為提高測(cè)量速度各薇，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，應(yīng)保證 LCD液晶屏有較小的響應(yīng)時(shí)間君躺。
（2）對(duì)比度峭判。對(duì)比度指在規(guī)定的照明條件和觀察條件下，顯示屏亮區(qū)與暗區(qū)的亮度對(duì)比棕叫，對(duì)比度越高林螃，還原畫面的層次感越好。測(cè)量過(guò)程中俺泣，顯示的為灰度級(jí)在 0~255 之間的灰度編碼光柵條紋疗认，則對(duì)比度越大，相鄰灰度級(jí)間的區(qū)分能力越強(qiáng)伏钠，有利于提高測(cè)量精度横漏。
（3）亮度。液晶顯示屏的亮度一般以 cd/m2（流明/每平方米）為單位熟掂，亮度越高缎浇，顯示屏對(duì)周圍環(huán)境的抗干擾能力越強(qiáng)，顯示效果越好赴肚∷囟澹考慮到本測(cè)量系統(tǒng)中檢測(cè)對(duì)象為具有高反射性質(zhì)的超精密加工曲面零件，為減少環(huán)境光的影響誉券，希望顯示屏的亮度越大越好指厌。
（4）可視角度。由于高反射曲面的面形數(shù)據(jù)依賴于物面的法向信息横朋，對(duì)曲率較大的被測(cè)表面仑乌，其入射光線與屏幕法線夾角可能很大，為減少圖像采集設(shè)備
采集到的光柵條紋圖像的失真程度，希望 LCD 的可視角度越大越好晰甚。
（5）點(diǎn)距和可視面積衙传。點(diǎn)距指 LCD 液晶面板上相鄰兩像元之間的距離，記為 L：
若 LCD 液晶屏的分辨率為 H×V厕九，則屏幕的可視面積為（H×L）×（V×L）蓖捶。與可視角度的選擇出于同樣的考慮，希望 LCD 的可視面積越大越好扁远。在可視面積不變的情況下俊鱼，點(diǎn)距越小，所顯示的編碼光柵條紋的平滑性越好畅买。
CCD 攝像機(jī)的選取主要考慮兩個(gè)方面：一是分辨率并闲，二是鏡頭。攝像機(jī)的分辨率指的是水平分辨率谷羞，其單位是線對(duì)帝火，即成像后可以分辨的黑白線對(duì)的數(shù)目。常用的黑白攝像機(jī)的分辨率一般為 380~600 線湃缎，數(shù)值越大犀填，成像越清晰。在保證分辨率的同時(shí)嗓违，要求 CCD 具有較高的信噪比九巡，以降低圖像采集過(guò)程中噪聲和暗電流的影響。
鏡頭的焦距直接關(guān)系到視場(chǎng)角的大小蹂季，一般短焦距鏡頭視場(chǎng)角大冕广，長(zhǎng)焦距鏡頭視場(chǎng)角小。而景深指在能夠聚焦的情況下可觀察清晰圖像的視場(chǎng)區(qū)域乏盐，與鏡頭的焦距和光圈成反比佳窑，與拍攝距離成正比，可根據(jù)測(cè)量場(chǎng)景的大小而確定父能。
2.3 白光掃描干涉測(cè)量子系統(tǒng)設(shè)計(jì)
目前的光學(xué)成像系統(tǒng)可分為有限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)和無(wú)限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)兩種:
無(wú)限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)中神凑，顯微鏡中的各種光學(xué)附件都可以放置在物鏡與鏡筒之間平行光束的空間內(nèi)，而圖像質(zhì)量不會(huì)降低何吝，簡(jiǎn)化了物鏡設(shè)計(jì)中色差和像差的校正溉委。由于前置物鏡輸出平行光，其放大倍率由前置物鏡和光學(xué)成像系統(tǒng)共同決定爱榕。
白光光源為包含了整個(gè)可見(jiàn)光譜成分的連續(xù)光譜瓣喊，相干長(zhǎng)度短，在測(cè)量光路和參考光路光程差為零的位置光強(qiáng)出現(xiàn)極大值黔酥，可據(jù)此重建被測(cè)工件表面三維形貌藻三。目前洪橘，用于白光干涉測(cè)量的低相干光源主要有石英鹵素?zé)艉?LED 兩種。
（1）CCD 的視場(chǎng)范圍大于 LCD 液晶屏的可視范圍:
LCD 液晶屏的尺寸 Ll越大棵帽，或者 LCD 液晶屏的高度與 CCD 攝像機(jī)的高度的比值越小熄求，則測(cè)量范圍越大。
（2）CCD 的視場(chǎng)范圍小于 LCD 液晶屏的可視范圍:
增加 CCD 攝像機(jī)相對(duì)于高反射平面的高度或者增大視場(chǎng)角均可以增大測(cè)量范圍逗概。
系統(tǒng)的分辨率指 CCD 芯片上相鄰兩像素所對(duì)應(yīng)的入射光線與 LCD 液晶屏幕交點(diǎn)的距離:
當(dāng) CCD 攝像機(jī)鏡頭選定后弟晚，其分辨率與 CCD 攝像機(jī)和 LCD 液晶屏幕到被測(cè)物體的距離成反比，且 CCD 攝像機(jī)相對(duì)于垂直方向的角度θ越大逾苫，分辨率越低卿城。
2.5.2 白光掃描干涉測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度分析
系統(tǒng)的垂直分辨率指系統(tǒng)在測(cè)量過(guò)程中所能反映出的被測(cè)工件表面高度變化的最小值。
系統(tǒng)的橫向測(cè)量范圍與顯微干涉物鏡的放大倍率和 CCD 攝像機(jī)的芯片尺寸有直接關(guān)系铅搓。
白光垂直掃描干涉測(cè)量系統(tǒng)的垂直測(cè)量范圍主要受兩個(gè)因素制約：測(cè)量系統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)的景深范圍和干涉系統(tǒng)的相干長(zhǎng)度瑟押，垂直測(cè)量范圍由系統(tǒng)的景深和相干長(zhǎng)度兩者中最小值確定。
要實(shí)現(xiàn)變形光柵像與編碼圖案對(duì)應(yīng)點(diǎn)的匹配狸吞，需要獲得變形光柵像上的相位分布信息勉耀，在求得折疊相位后，可通過(guò)相應(yīng)的相位展開(kāi)算法實(shí)現(xiàn)蹋偏。按照編碼策略的不同，可以將結(jié)構(gòu)光編碼方法分為時(shí)間編碼方法至壤、空間編碼方法和直接編碼方法威始。
目前已有多種時(shí)間相位展開(kāi)算法，如線性投射法[161]像街、雙頻投射法[162]黎棠、指數(shù)投射法[163]、反指數(shù)投射法[164]镰绎、絕對(duì)相位測(cè)量法[165]和多頻傅里葉條紋分析法[166]等脓斩。
由于攝像機(jī)光學(xué)系統(tǒng)存在加工誤差和裝配誤差，物點(diǎn)在攝像機(jī)圖像平面上對(duì)應(yīng)的實(shí)際像點(diǎn)位置與理想像點(diǎn)存在光學(xué)畸變誤差畴栖，主要包括徑向畸變和切向畸變：
徑向畸變主要由鏡頭形狀缺陷造成随静，沿鏡頭主光軸對(duì)稱分布，切向畸變由光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)中心與幾何中心不一致造成吗讶，即鏡頭各器件的光學(xué)中心不能嚴(yán)格共線燎猛，切向畸變不沿?cái)z像機(jī)主光軸對(duì)稱分布。
根據(jù)是否需要放置標(biāo)定參照物照皆，可將攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)分為兩類：傳統(tǒng)的攝像機(jī)標(biāo)定方法和自標(biāo)定方法：
Tsai 攝像機(jī)標(biāo)定算法：
一個(gè)基于徑向排列約束的兩步標(biāo)定方法重绷，首先采用最小二乘法計(jì)算超定線性方程組，得到外部參數(shù)的初始值膜毁；在此基礎(chǔ)上求解內(nèi)部參數(shù)昭卓，結(jié)合非線性優(yōu)化的方法獲得全部參數(shù)愤钾。兩步法的優(yōu)點(diǎn)是迭代參數(shù)較少，第一步求得的外部參數(shù)能夠?yàn)閮?nèi)部參數(shù)的計(jì)算提供較好的初始值候醒，求解速度快能颁，精度較高，同時(shí)具有線性求解速度快和非線性優(yōu)化計(jì)算準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)火焰，因此獲得了廣泛應(yīng)用劲装。傳統(tǒng)的 Tsai 的方法只考慮了徑向畸變，沒(méi)有考慮切向畸變昌简。實(shí)際標(biāo)定過(guò)程中占业，同時(shí)考慮了徑向畸變和切向畸變的影響。
圓點(diǎn)代表 LED 光源在 CCD 攝像機(jī)視場(chǎng)范圍內(nèi)的移動(dòng)位置纯赎，測(cè)量時(shí)谦疾，將 LED 光源固定在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的主軸上，由計(jì)算機(jī)設(shè)定坐標(biāo)測(cè)量機(jī)主軸沿坐標(biāo)軸移動(dòng)的步長(zhǎng)和間距犬金，每移動(dòng)一次念恍，CCD 攝像機(jī)采集光斑圖像，通過(guò)相應(yīng)的圖像處理算法獲取光斑的中心位置晚顷，同時(shí)記錄下光斑在世界坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)峰伙。由 Tsai 算法通過(guò)光斑中心在世界坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系下坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，精確計(jì)算出攝像機(jī)模型中的理想透視變換參數(shù)和畸變參數(shù)该默。
CCD 攝像機(jī)采集到的光斑圖像瞳氓，需要從中提取光斑的中心坐標(biāo)，以用于求取攝像機(jī)模型的各參數(shù)值栓袖。要提取光斑的中心坐標(biāo)匣摘，首先要采用合適的閾值分割算法將其從背景中分離出來(lái)，然后獲取光斑輪廓裹刮，并采用最小二乘橢圓擬合（受物像空間位置關(guān)系的影響音榜，CCD 攝像機(jī)采集到的光斑圖像并不是規(guī)則的圓形，而是近似為橢圓形狀）算法計(jì)算光斑的中心位置捧弃。
4.1.2 基于運(yùn)動(dòng)靶標(biāo)的攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定方法
基于虛擬參考面方法的參考相位的獲取
由于 LCD 液晶屏和參考相位的獲取均可通過(guò)編碼圖案完成赠叼，因此，本論文提出虛擬參考面的方法塔橡，在完成 LCD 液晶屏在攝像機(jī)坐標(biāo)系下位置標(biāo)定的同時(shí)梅割，通過(guò)特殊標(biāo)記點(diǎn)的設(shè)置，可一次性獲得水平和垂直方向的參考平面相位分布信息葛家。該方法通過(guò)顯示一幅經(jīng)特殊標(biāo)記的棋盤格圖像户辞，將其在平面鏡上的像平面作為虛擬參考面，因此癞谒，虛擬參考面并不是一個(gè)實(shí)際存在的平面底燎，而是利用超精密加工平面鏡標(biāo)定得到的相位信息建立的一個(gè)帶有參考相位信息的平面鏡虛像刃榨。CCD 攝像機(jī)接收反射的虛擬參考面上的標(biāo)記棋盤格圖像，根據(jù)特殊標(biāo)記點(diǎn)與編碼光柵條紋的對(duì)應(yīng)關(guān)系双仍，可計(jì)算得到標(biāo)記點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的水平和垂直方向的真實(shí)相位值枢希，然后根據(jù)虛擬參考面上其它各點(diǎn)與特殊標(biāo)記點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系，可計(jì)算得到 CCD 視場(chǎng)范圍內(nèi)虛擬參考面上水平和垂直方向的參考相位分布朱沃，從而避免了在被測(cè)工件測(cè)量前對(duì)參考平面的測(cè)量需求苞轿。
