【摘 要】
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随着先进制造业的发展,很多领域都要求直线位移测量具有较高的精度、较大的量程、良好的鲁棒性、充分的安装灵活性,具有这些需求的典型应用包括:超大尺寸晶圆的制造、航空叶片的检测、光学镜片的加工、高档数控机床的定位和校准、三坐标测量机的开发等。虽然现有的位移传感器（激光干涉仪、光栅、磁栅等）在特定的领域均具有一定的优势,但它们并不能同时满足上述的测量需求,所以本文借助视觉测量中远距离、高分辨率、模块化的特
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“超大尺寸蓝宝石衬底表面形貌双面同步测量关键技术研究”（NO.52075190）；
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随着先进制造业的发展,很多领域都要求直线位移测量具有较高的精度、较大的量程、良好的鲁棒性、充分的安装灵活性,具有这些需求的典型应用包括:超大尺寸晶圆的制造、航空叶片的检测、光学镜片的加工、高档数控机床的定位和校准、三坐标测量机的开发等。虽然现有的位移传感器（激光干涉仪、光栅、磁栅等）在特定的领域均具有一定的优势,但它们并不能同时满足上述的测量需求,所以本文借助视觉测量中远距离、高分辨率、模块化的特点,提出了一种基于像栅的直线位移测量系统。主要研究内容如下:（1）以视觉测量为基础,首先通过模板匹配中的DFT局部上采样相位相关法实现了平移像素数的准确获取,其次基于针孔成像模型的快速标定法完成了物像比例关系的准确标定。（2）基于相位相关的原理设计了多组不同特征的条纹图案在玻璃板上,利用傅里叶变换的周期性,设置了合理的采样策略,以一种低采样频率的方式实现了视觉测量中量程的扩展。（3）根据像栅系统的工作原理,进行了硬件选型,重点是将超低畸变镜头和高分辨率相机应用到系统中。然后通过相机光轴垂直度、光源光照强度的调节以及激光干涉仪的对准安装,完成了系统的搭建。（4）对像栅系统进行了误差分析,通过仿真和实验得出条纹的长度误差、镜头的畸变误差、光轴方向的运动误差和参考传感器的非共线误差对测量系统的影响较大,并发现镜头的畸变误差和光轴方向的运动误差是系统中的非线性误差。为了补偿这两个因素导致的非线性误差,进行了像素当量的动态标定。最终的实验结果表明,像栅系统在三组条纹所在视场的拼接下,达到了60 mm的测量范围,在此范围内的总误差为-0.5～2.5μm,标准差小于0.18μm,证明了像栅系统可以在厘米的量程内实现亚微米级的重复性测量。
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