基于光栅条纹三维轮廓测量.docx

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基于光栅条纹三维轮廓测量

本科毕业设计（论文）

RGB阴影莫尔三维轮廓测量方法研究

院（系）机电工程学院

专业机械设计制造及其自动化

班级110212

姓名陈康

学号110212101

导师杜虎兵

2015年06月

本科毕业设计（论文）

RGB阴影莫尔三维轮廓测量方法研究

院（系）机电工程学院

专业机械设计制造及其自动化

班级110212

姓名陈康

学号110212101

导师杜虎兵

2015年06月

RGB阴影莫尔三维轮廓测量方法研究

摘要

阴影莫尔技术在IC工业中应用广泛，这些应用包括芯片的封装表面轮廓测量、硅芯片平面度测量以及硅芯片集成电路的形貌测量等。

然而随着电子封装持续变小，测量表面平整度要求的提高以及设计的多样化，新的制造工艺为测量技术提出了在线或在位、高精度、全检的测量要求。

该特点也要求现有的测量技术适应被测产品特征的变化进行相应的改进，使其测量装置具有最优的参数，以获取高对比度莫尔条纹图。

对此本设计提出一种基于红、绿、蓝（RGB）光源的阴影莫尔三维轮廓测量方法研究，以更好的适应用户的需求和企业的竞争。

论文主要工作包括：

1研究了阴影莫尔轮廓术的测量原理，提出了一种基于RGB光源的阴影莫尔三维轮廓测量方法；2设计了RGB阴影莫尔三维轮廓测量方法的测量方案；3完成了该装置的机械设计并对其关键部件进行了校核；4完成了图像采集部分的实体搭建；5对搭建的数据采集系统进行了实验，实验得到清晰地莫尔条纹。

本课题提出利用RGB阴影莫尔三维测量方法进行晶元表面平整度测量，设计了相应的测量装置，并通过产品的实体建模和机械设计，从而为该方法的进一步研究与应用提供有效借鉴。

关键词：

三维形貌测量非接触式RGB阴影莫尔测量相移

TheresearchofRGBshadowmoirethree-dimensionalcontourmeasurementmethod

Abstract

ShadowmoiretechniquehasbeenwidelyappliedintheICindustry,theseapplicationsincludechipencapsulationflatnessmeasuringsurfaceprofilemeasurement,siliconandsiliconintegratedcircuittopographymeasurement,etc.However,withthedecreaseofelectronicpackaginglast,theimprovementofmeasuringsurfaceroughnessandthediversificationofdesign,anewmanufacturingtechnologyforonlinemeasurementtechnologyproposedorreign,highprecision,allinspectionmeasurementrequirements.Thecharacteristicalsorequiresexistingmeasurementtechniquestoadapttothechangesinproductcharacteristicstobetestedforthecorrespondingimprovement,makeitshavetheoptimalparametermeasurementdevice,inordertogethighcontrastmoirefringefigure.

Thisdesignputsforwardakindofbasedonred,green,blue（RGB）lightshadowmoirethree-dimensionalcontourmeasurementmethodresearch,inordertobetteradapttotheneedsofusersandenterprisecompetition.Papermainworkincludes:

1studiestheshadowmoireprofilometrymeasurementprinciple,putforwardakindofbasedonRGBlightshadowmoirethree-dimensionalcontourmeasurementmethod;2designRGBshadowmoirethree-dimensionalcontourmeasurementmethodofmeasuringscheme;3finishedthemechanicaldesignoftheapparatusanditskeycomponentsforchecking;4finishedimageacquisitionpartoftheentitysetup;5tobuilddatacollectionsystemhascarriedontheexperiment,theexperimentgetclearmoirefringe.

ThistopicproposedbyRGBshadowmoiremethodforthreedimensionalmeasurementsforwafersurfaceroughnessmeasurement,designthecorrespondingmeasuringdevice,andthroughtheentitymodelingandmechanicalproductdesign,andtofurtherresearchandapplicationofthismethodtoprovideeffectivereference.

Keywords:

three-dimensionalshapemeasurementnon-contactRGBShadowmoirémeasurementPhaseshift.

目录

中文摘要……………………………………………………………（Ⅰ）

英文摘要……………………………………………………………（Ⅱ）

主要符号表…………………………………………………………（Ⅲ）

1绪论…………………………………………………………………………

（1）

1.1课题研究的背景和意义……………………………………………………

（1）

1.2目前三维形貌测量的方法介绍……………………………………………

（1）

1.2.1接触式测量方法……………………………………………………

（2）

1.2.2非接触式测量方法…………………………………………………

（2）

1.2.3本课题方案选择……………………………………………………（3）

1.3本课题研究内容…………………………………………………………（4）

2RGB三维轮廓测量技术……………………………………………（5）

2.1阴影莫尔三维测量技术测量原理………………………………………（5）

2.2阴影莫尔三维测量技术解调原理………………………………………（7）

3系统总体方案设计………………………………………………（11）

3.1被测物体的旋转系统方案设计…………………………………………（11）

3.1.1液压马达旋转系统………………………………………………（11）

3.1.2步进电机旋转系统………………………………………………（12）

3.1.3被测物体的旋转系统选型………………………………………（13）

3.2与旋转系统配合使用的传动机构设计…………………………………（13）

3.3Z轴升降系统的设计……………………………………………………（14）

3.3.1丝杠升降系统……………………………………………………（14）

3.3.2液压升降系统……………………………………………………（15）

3.3.3交叉滚柱导轨副机构……………………………………………（16）

3.3.4Z轴升降系统选型…………………………………………………（16）

3.4投影系统设计……………………………………………………………（16）

3.4.1RGB光源支架设计………………………………………………（16）

3.4.2摄影机支撑结构设计……………………………………………（17）

4零件的选型与计算………………………………………………（18）

4.1转盘机构及电机的设计选型……………………………………………（18）

4.1.1转盘机构…………………………………………………………（18）

4.1.2电机的选型计算…………………………………………………（18）

4.1.3联轴器的选型计算………………………………………………（19）

4.1.4转盘轴承的选型及计算…………………………………………（22）

4.2数据采集系统设计选型…………………………………………………（22）

4.2.1支撑杆选型………………………………………………………（22）

4.2.2交叉杆架的设计…………………………………………………（22）

4.2.3摄影机选型………………………………………………………（23）

4.2.4摄影机夹持器的选型……………………………………………（24）

4.2.5Z轴微动平台的选型………………………………………………（24）

4.3实体搭建及图像采集实验………………………………………………（25）

5结论………………………………………………………………（27）

参考文献……………………………………………………………（28）

致谢…………………………………………………………………（30）

毕业设计（论文）知识产权声明…………………………………（31）

毕业设计（论文）独创性声明……………………………………（32）

附录外文翻译

主要符号表

F工作载荷/N

n工作转速/rpm

Ca额定动载荷/N

L距离额定寿命/m

Lh小时额定寿命/h

J转动惯量/Kg·m2

T力矩/N·m

1绪论

1.1课题背景和意义

伴随着数字时代的到来，计算机技术得到了飞速发展，推动了三维数字化技术的逐步成熟，在不知不觉中，三维数字化信息获取与处理技术以各种形式进入到各个不同领域之中，并发挥着重大的作用。

在工业界，无一不与三维数字化测量有着紧密的结合，它已成为设计进程中的一环，例如产品设计、模具开发等；在国防建设、模拟训练、科学试验等领域中，同样需要需要大量景物的三维彩色模型数据；还有大量应用的三坐标测量机和医学上广泛应用的CT机和MRI核磁共振仪器，也属于三维数字化技术的典型应用；还有现在考古过程中对文物的研究，对骨头的扫描等；还有医院对病患进行CT扫描，都在不知不觉中使用三维测量技术。

而这些也只是冰山一角，伴随着计算机技术的不断发展，更多的比如3D动画的模型建构（电影如侏罗纪公园、太空战士）、三维数字化扫描技术推广到商品的电子商务、产品简报、电玩动画等，进一步影响着人类的工作，生活。

而这些，都暗示着三维形貌与我们的生活息息相关。

那么表面形貌测量到底有什么重要意义呢？

物体三维表面微观轮廓（SurfaceTopography）[1]是指物体表面的微观几何形态，是我们通过直接的或间接地能看到的实际的表面结构，它是由于在生产加工过程中刀具和零件的摩擦、切削分离时的塑性变形和金属撕裂、加工系统的振动等原因在零件表面留下的各种不同形状和尺寸的微观结构。

归根结底，三维形貌的作用越来越重要，主要有以下几点原因:

（1）表面形貌测量在学科领域上和很多技术例如纳米技术、生物技术等互相渗透，后者的发展为前者带来了新的技术手段和新的工作领域表面。

（2）近代高科技的发展对于表面形貌提出了越来越高的要求，硅片表面粗糙度对集成电路的电阻、电容、成品率影响很大;磁盘表面粗糙度影响到耐磨、使用寿命、信号的读出幅度、信噪比等;X射线组件、激光器的发射镜窗片、同步辐射光学组件、激光陀螺组件等都要求越来越高的表面质量。

（3）表面形貌在很大程度上决定了零件的使用性能。

它影响机械系统的摩擦磨损、接触刚度、疲劳强度、配合性质、传动精度、导电、导热、抗腐蚀性等，从而影响到机械产品的质量、可靠性。

表面形貌是机械产品的重要质量指标，对其不仅要定性测量还要定量测量。

（4）形貌对于加工过程中的工艺过程状态（如刀具磨损、机床振动、切削用量等）变化非常敏感，因此它被认定为加工过程控制、监测和诊断的重要手段。

1.2目前三维形貌测量的方法介绍

表面三维形貌测量可分为接触式和非接触式两类，具体分类如图1.1所示。

图1.1三维形貌测量方法

1.2.1接触式测量方法[19]

接触式表面形貌检测技术采用触针测量物体表面形貌，该技术与被测物体表面相接处，由于它发展较早，所以长期以来局只限于二维检测。

但随着产品表面形状要求的提高和精密超精密加工技术的发展，有了对三维形貌检测的需要。

国内外目前的测量方法是在传统的二维触针式形貌仪基础上增加一维横向移动来实现三维测量。

接触式测量方法测量精度较高、量程大、测量结果稳定可靠、重复性好，此外它还可以作为其他形貌测量技术的比对方法，但是该方法也有其难以克服的缺点：

（1）为了保证耐磨性和刚性测头做得非常细小尖锐，如果测头头部曲率半径大于被测表面上微观凹坑的半径必然造成该处测量数据的偏差。

（2）由于要与物体表面长期接触，为了不至于磨损过快，测头的硬度一般都很高，因此不适于精密零部件及软质物体表面的测量。

（3），使得仪器在使用一段时间后测量精度下降，测量的结果就不是那么准确。

1.2.2非接触式测量方法[16]

相比接触式测量方法，非接触式测量方法具有很多优点。

非接触式的三维表面形貌检测技术可以有效的解决由于测头与测件接触造成了测头的变形和磨损而造成的精度下降。

非接触式测量技术的种类繁多，目前应用的绝大部分是采用光学测量技术，也有应用到其他技术的，例如微波技术、超声技术及电场技术等。

光学测量技术的最显著特点是将传统光学计量技术与信息光学、信息处理技术相结合。

光学三维表面形貌测量的方法大概可细分为：

相移干涉法、激光全息法、光学散斑法、光扫描法、激光触针法、离焦检测法、激光三角法、光探针干涉法、、显微干涉法、快速表面测量法、飞行时间法、扫描隧道显微镜法、原子力显微镜法等多种。

这些方法的共同特点是通过将表面形貌的高度信息转换为光、声、电等易于电子技术判别的信号，从而达到相应的测量目的。

光学三维形貌测量系统是近年来发展迅速并得到了广泛的应用一种全新的测量设备，该系统具有使用方便、操作简单、测量快速等特点。

1.2.3方案选择

经过比较以上两种传统测量方法的比较，本课题采用非接触测量，选用的基本方法为RGB阴影莫尔轮廓测量技术[2]。

莫尔轮廓测量技术最早是Meadows和Takasaki于1970年提出。

图1.2是莫尔轮廓术原理图。

它是将一参考光栅放在被测物体上面，再用一光源透过该参考光栅照射物体，由于受到被测物体表面高低起伏的调制，将在被测物体表面产生变形影栅。

透过参考光栅观察影栅会看到一系列黑白相间的条纹，这就是莫尔条纹。

这些条纹携带有物体表面的高度信息，同一级条纹所代表的物体表面的离面高度相等。

这些黑白相间的条纹实际上就是物体表面的等高线。

图1.2莫尔轮廓术原理图

阴影莫尔轮廓术因为它非接触、高精度、全场、低成本等特点，在三维测量领域发展迅速，已经成为国内外应用广泛、使用频率高一种光学三维轮廓测量技术。

综合国内外有关莫尔测量技术的发展研究，由于莫尔等高线法在测量物体三维轮廓时，有些信息已经被丢失，仅仅通过一副莫尔等高线图已经无法判断物体的凹凸以及条纹的级数，给三维测量自动处理莫尔条纹并还原实际形貌带来很大的困难。

但是，由于摩尔条纹和干涉计量检测技术在数学表达和求解变量上又许多相似之处，相干计量检测技术（如傅里叶变换法[3]、正交相干检测技术[4]，相移技术[5]）与莫尔技术的结合又成为了一个活跃的研究方向。

1.3研究内容

（1）针对零件表面形貌测量装置进行设计：

（1.1）测量范围25mmX25mm；

（1.2）要求测量纵向精度≯0.1µm。

（2）设计合理的测量方案，使摄像机避开反射光；通过相关参数选择合适的伺服电机[6]，可实现莫尔条纹图相移。

（3）采用相移阴影莫尔三维轮廓测量的方法，利用CCD对产生的相移莫尔条纹图记录，通过CCD、光源、光栅[7]等有关参数悬殊，设计合适的检测装置。

（4）测量装置总体方案设计，进行升降系统[8]方案设计，光栅夹持机构[9]设计，相移机构[10]设计，旋转系统方案设计。

（5）绘制装置装配图及零件图。

（6）根据所设计的装配图、零件图，购买或者加工测量机构所需的各种专用零件，进行测量结构实体的搭建，完成测量平台的组装及成型。

2RGB阴影莫尔三维测量技术

本课题的研究将采用与相移技术结合的方法，即相移阴影莫尔测量[14][15]。

把相移技术引入到莫尔测量术中使得相移莫尔三维轮廓测量术同时具有相移干涉法和莫尔测量术两者的优点。

不仅测量装置简单，横向测量范围大，而且由于充分利用了莫尔条纹图上各点的灰度信息，因此分辨率和测量精度得到很大的提高。

阴影莫尔轮廓术以其非接触、高精度、全场、低成本等特点已成为国内外应用广泛、使用频率高以及发展迅速的一种光学三维轮廓测量技术。

而此次运用的RGB阴影莫尔测量技术在物体轮廓三维测量中具有非接触性、测量原理简单、低成本、高精度等特点，在当今IC工业日渐发达的时代潮流下，其应用的也将日益广泛。

随着电子封装持续变小，测量表面日益光洁化以及设计的多样化，新的制造工艺为测量技术提出了在线或在位、高精度、全检的测量要求。

该特点也要求现有的测量技术适应被测产品特征的变化进行相应的改进，使其测量装置具有最优的参数，以获取高对比度莫尔条纹图。

2.1阴影莫尔三维测量技术原理

相移阴影莫尔测量技术[11][12]最早是由Buning于1974年提出。

他是将通讯理论中的同步相位探测技术引入到光学干涉测量技术当中，该方法的引进对光学三维形貌测量具有里程碑的意义。

移相干涉测量技术的基本原理是：

在干涉仪的两相干光的相位差之间引入有序的相位，其参考光程或相位变化时干涉条纹的位置或相位也发生相应的变化。

同时用光电探测器对干涉图样进行连续采样，然后把光强数字化后存储在计算机中。

最后，由计算机按照一定的数学模型根据光强的变化求出相应的相位分布，再根据相位和被测物表面高度的一一对应关系，即可得到物体的三维形貌。

连续采集多幅干涉条纹图可以减小噪声的影响，在条纹的对比度不好的情况下，也可以得到较好的结果。

整个光瞳面上的光强分布不均匀对它的测量精度影响较小，可以避免激光高斯分布的影响。

这些技术最显著的优点在于提供了一种快速、简洁、高精度、自动化的测量方法，关键的技术在于通过计算机分析处理测量的数据，从而获得所测的相位值。

传统的莫尔轮廓术通过提取条纹中心线和获得条纹级数N来粗略得到被测物表面形貌信息，没有充分利用相邻明纹（或暗纹）间灰度变化的信息。

为了进一步提高测量分辨率，充分利用条纹间灰度变化信息，我们继续进行分析。

莫尔条纹的光强公式如下。

（2.1）

式中：

A（x,y）——背景光强；

B（x,y）——条纹对比度；

P——光栅常数；

h——光源和CCD摄像机平面与光栅平面之间的距离；

d——光源和CCD摄像机之间的距离；

z——被测物距离光栅平面距离。

令：

（2.2）

由2.2可知，当P，d，h以及z变化时，均会引起φ的变化，进而引起莫尔条纹光强的I的变化。

将φ分别对各变量求导得:

；

；

；

由上式可知，当P，d，h以及z变化时，均不能使全场相位产生相等的变化。

但是，在实际测量中，由于光栅离被测物表面非常近，即h>>z，h+z≈h，因此上式可简化为如下形式：

（2.3）

（2.4）

（2.5）

（2.6）

分析以上各式可知：

在h>>z的条件下，d、h、p、z的变化可以使全场相位产生变化。

而z相对来说比较容易改变，所以采用改变被测物体与光栅之间的距离z来实现相移。

如图2.1是相移莫尔三维测量术的典型实验装置图。

图2.1相移莫尔法实验装

光源发出的光透过光栅照射被测物体，由于受到被测物体表面高度的调制，会在物体表面形成变形的影栅，再透过光栅观看影栅，会在显示器上看到明暗相间的莫尔条纹。

为了得到清晰的条纹图，可以通过在光栅平面左右抖动光栅来消除背景噪声的干扰。

通过调节微调升降台，改变被测物与光栅之间的距离z在全场引入相移。

同时，图像采集卡实时采集图像，并将模拟图像数字化后存储在计算机内存中，通过后序的解调算法即可获知被测物体表面的微观形貌。

把相移技术引入到莫尔轮廓术中使得相移莫尔轮廓术同时具有相移干涉法和莫尔轮廓术两者的优点。

不仅测量装置简单，横向测量范围大，而且由于充分利用了莫尔条纹图上各点的灰度信息，因此分辨率和测量精度得到很大的提高。

2.2阴影莫尔三维测量技术解调原理

由莫尔条纹光强公式可知：

要想求解出高度值z，需要三个或三个以上方程联立求解。

根据每次移相量是否为已知量，相移莫尔轮廓术可分为定步长相移法和等步长相移法。

定步长相移法每次改变的相位量是已知的。

根据移相次数又细分为三步相移法、四步相移法和五步相移法。

等步长相移法每次改变的相移量是不确定的。

设莫尔条纹图光强公式为：

（2.7）

在三步相移法中，移动被测物体两次，δ1=0，δ2=π/2，δ3=π，相邻两帧之间的相对相移为π/2。

每移动一个步长计算机就采集一帧莫尔条纹图像，一共采集三帧莫尔条纹图。

用方程式表示如下：

（2.8）

解上述方程组可得：

（2.9）

由于上述方法易受噪音影响，解调精度不高，所以选择另一种方法-四步相移法。

在四步相移法中，移动被测物体三次：

δ1=0，δ2=π/2，δ3=π，δ4=3π/2，相邻两帧之间的相对相移为π/2。

每移动一个步长计算机就采集一帧莫尔条纹图像，一共采集四帧条纹图。

用方程式表示如下：

（2.10）

解上述方程组可得：

（2.11）

再通过式（2.2）的简化公式

（2.12）

求出零件的告诉信息h。

从而得到零件的三维形貌。

如图2.2及图2.3是整个测量平台的工艺简图以及装置流程图。

图2.2测量系统及工艺简图

图2.3测量装置流程图

与等高线莫尔轮廓术相比，相移莫尔轮廓术的测量精度显著提高。

与其它光学测量方法相比，采用相移莫尔轮廓术的测量系统光路结构简单，横向测量范围大，分辨率高，是一种全场非接触的测量方法。

上述传统测量方法在工业生产