三维形貌柔性测量系统标定方法及验证

为了避免机器人模型误差对三维形貌柔性测量系统手眼标定的影响,对手眼关系的标定方法进行了研究。提出了一种融合特征点拟合的手眼标定方法。将三维形貌扫描仪安装在工业机器人末端搭建三维形貌柔性测量系统。标定时,首先利用激光跟踪仪对工业机器人末端法兰盘坐标系进行测量,得到两者转换关系;然后,利用三维形貌扫描仪和激光跟踪仪对空间固定的特征点组进行测量,利用特征点约束和基于罗德里格矩阵的算法求解两者转换关系即可间接地求解出手眼关系。基于ATOS三维扫描仪、安川HP20D机器人和API公司生产的激光跟踪仪进行了手眼标定实验,并进行了精度验证。结果表明:标定后的三维形貌柔性测量系统,其重复性测量精度(3σ)不超过0.1 mm,长度测量精度的均方根误差在0.2 mm以内,点云拼接精度优于±0.7 mm。该方法有效避免了传统手眼标定过程中会引入机器人模型误差的问题,在求解手眼关系解时采用了线性的解法,并且适用于三维形貌柔性测量系统。     

激光跟踪仪检测大口径非球面方法研究

大口径非球面反射镜研磨阶段,在准确测试几何参数的同时,面形也要达到一定的精度要求。利用数值模拟测试过程的方式,评估了使用三坐标测量仪和激光跟踪仪轮廓检测几何参数及面形的精度。针对2 m口径抛物镜的检测指标要求,提出了一种有效的轮廓检测方法。使用4台激光跟踪仪搭建了多边测量系统,采用Levenberg_Marquardt算法进行系统标定,利用新型靶球实现多台跟踪仪对镜面点的同步快速采集,对测试数据进行平差和坐标系转换处理,最终获取几何参数和面形。2 m口径抛物镜研磨完成后进行了测试,顶点曲率半径、非球面系数、面形rms的误差分别为0.16 mm、0.000 6、1.06 μm。     

单腔双光梳激光器及其光谱学应用研究进展

光频梳因频率等间隔、波长稳定、谱线线宽窄以及谱宽大等特性,在高精度测量和计量中具有广泛的应用。其中,双光梳快速测量包括光谱测量、绝对测距、三维成像和超快异步光学采样等已成为研究热点之一。近年来,基于自由运行的单腔双光梳激光器的双梳光谱学系统由于具有结构简单、测量范围大和精度高等优点而备受关注。首先从时域和频域介绍了光频梳的特性和应用,尤其介绍了双光梳测量的优势,相较目前主流的稳频稳相锁模激光器、电光调制等双光梳光源实现方案,单腔双光梳激光器方案有望避免采用复杂的电子控制系统,简化双光梳光源的结构、体积和成本。因此,重点介绍了波长复用、偏振复用、空间复用和脉冲波形复用的单腔双光梳光纤激光器实现技术,并对其基本原理、性能参数和当前研究的进展以及目前发展中仍然存在的问题进行了分析;同时对保偏光纤双光梳激光器的研究现状及其性能进行了总结。接着,重点介绍了双梳光谱学的测量原理,回顾了现有光谱扩展技术,并详细介绍了基于自由运行的单腔双光梳激光器的双梳光谱学应用案例,包括掺铒光纤激光器所在的近红外波段以及其扩展到中红外和太赫兹波段的光谱探测。最后,总结了目前的单腔双光梳激光器的主要发展趋势,包括进一步提高单腔型双光梳激光腔的重频稳定性、降低共模噪声、探索单腔双光梳系统在中红外以及太赫兹波段的应用,推动单腔双光梳锁模光纤激光器的实用化。     

Development of a laser-based measurement system for evaluation of the scraping workpiece quality

A laser-based measurement system for evaluation of the scraping workpiece quality that can eliminate contact-induced measurement errors and increase measurement accuracy is proposed. The laser-based measurement system comprises a light-scattering-type triangulation laser, a computer numerical control (CNC) machine tool, and an analog-to-digital (A/D) card. The triangulation laser measures the depth of the scraping spots and the CNC machine tool locates their position. The 3D data of the scraping workpiece is then drawn using the least squares method. Cast iron and Turcite workpieces can be measured. Five parameters of the scraping workpiece, namely peak points per square inch, percentage of points, distribution of heights of points or depth of surroundings, edge shape of the grooves, and flatness, can be evaluated. The scanning rate and sampling rate of the laser-based measurement system are 100 mm/s and 10 KHz, respectively. In the future, an appliance machine based on the proposed system will be designed for the on-line detection of scraping workpieces.     

360°旋转体面形测量系统的优化设计

在明确线结构光360°旋转体面形测量的基本原理的基础上,对系统的结构进行了性能分析和模拟计算,得出了系统参数,即CCD与激光器之间的基线距离L、工作距离D、透镜的焦距f以及CCD自身的参数与系统测量分辨率和测量范围之间的关系。最后在满足系统测量分辨率和测量范围的条件下,给出了系统的结构参数。     

基于全场干涉测量方法的透镜三维轮廓测量

为了满足高精度透镜加工工艺的要求,设计了一套基于全场干涉测量方法的透镜三维轮廓测量系统。已标定的透镜三维轮廓测量系统利用分布式反馈激光二极管对透镜进行波数扫描,对CCD相机采集到的干涉图像依次进行随机采样傅里叶变换和解卷绕算法,最终通过计算得出透镜的三维轮廓数据。实验结果表明:该系统横向和纵向的分辨率均为0.011 3 mm/pixels,深度方向的测量均方根误差为±19.8 nm。系统结构简单、稳定性高,对透镜没有任何接触,不会对透镜表面造成损伤,适用于透镜的高精度轮廓测量。     

多重光反馈的激光自混合干涉

对多重光反馈的激光自混合干涉现象进行了实验观察,并基于含复合腔激光器结构,建立了系统模型,模型的仿真结果与实验结果相吻合,研究结果有助于设计高分辨的位移测量系统。     

Large depth-of-view portable three-dimensional laser scanner and its segmental calibration for robot vision

A portable 3D laser scanning system has been designed and built for robot vision. By tilting the charge coupled device (CCD) plane of portable 3D scanning system according to the Scheimpflug condition, the depth-of-view is successfully extended from less than 40 to 100 mm. Based on the tilted camera model, the traditional two-step camera calibration method is modified by introducing the angle factor. Meanwhile, a novel segmental calibration approach, i.e., dividing the whole work range into two parts and calibrating, respectively, with corresponding system parameters, is proposed to effectively improve the measurement accuracy of the large depth-of-view 3D laser scanner. In the process of 3D reconstruction, different calibration parameters are used to transform the 2D coordinates into 3D coordinates according to the different positions of the image in the CCD plane, and the measurement accuracy of is obtained experimentally. Finally, the experiment of scanning a lamina by the large depth-of-view portable 3D laser scanner used by an industrial robot IRB 4400 is also employed to demonstrate the effectiveness and high measurement accuracy of our scanning system.     

激光扫描测头视觉系统结构参数优化

线结构光视觉测量系统是激光扫描测头的重要组成部分,为了提高激光扫描测头的测量精度及可靠性,提出一种线结构光视觉系统结构参数优化设计方法。分析了影响该测量系统整体测量精度的因素以及该测量系统的结构误差模型,并建立了应用于激光扫描测头的结构约束条件,通过该约束条件建立了结构参数优化仿真系统,进而得到仿真优化后的结构参数,即最优结构参数,并设计实测实验验证其合理性。测得优化后的线结构光视觉系统测量空间点间距相对误差为0.019 8 mm,本文结果表明优化方法的有效性,并具有较好的精度。     

Wavelength-interrogated optical sensor for biochemical applications

A novel miniature integrated-optical sensor for versatile multichannel applications is described. Wavelength-modulation techniques using laser diodes (vertical-cavity surface-emitting lasers) are used to interrogate multiple-waveguide sensing regions on a single integrated-optical chip for accurate measurement of effective refractive-index changes at a high data rate. With the experimental miniature sensor system, a resolution of DN(PP) = 10(-7) (short term, peak to peak) of the effective refractive index was demonstrated. In terms of surface-mass coverage, this resolution corresponds to D?(PP) = 130 fg/mm(2).     

An omnidirectional 3D sensor with line laser scanning

An active omnidirectional vision owns the advantages of the wide field of view (FOV) imaging, resulting in an entire 3D environment scene, which is promising in the field of robot navigation. However, the existing omnidirectional vision sensors based on line laser can measure points only located on the optical plane of the line laser beam, resulting in the low-resolution reconstruction. Whereas, to improve resolution, some other omnidirectional vision sensors with the capability of projecting 2D encode pattern from projector and curved mirror. However, the astigmatism property of curve mirror causes the low-accuracy reconstruction. To solve the above problems, a rotating polygon scanning mirror is used to scan the object in the vertical direction so that an entire profile of the observed scene can be obtained at high accuracy, without of astigmatism phenomenon. Then, the proposed method is calibrated by a conventional 2D checkerboard plate. The experimental results show that the measurement error of the 3D omnidirectional sensor is approximately 1 mm. Moreover, the reconstruction of objects with different shapes based on the developed sensor is also verified.     

集成成像大纵深物体的三维形貌获取技术

为了满足现代工业所需的大纵深物体的三维形貌获取需求,解决传统结构光三维形貌获取技术纵深较小的问题, 借助集成成像这种阵列式多视点获取技术,构建了基于集成成像的大纵深物体的三维形貌获取技术。从集成成像原理出发,分析了集成成像三维物点和同名像点之间的关系,得到集成成像光学获取系统参数和三维物体纵深极限之间的关系。在此基础上,利用相机和电动平移台构建了扫描式相机集成成像三维形貌获取系统,并对纵深从600 mm到3 600 mm相对独立的2个物体构建的大纵深三维物体进行了形貌获取。光学实验结果显示,该集成成像大纵深物体三维形貌获取技术能够单次获取纵深为3 600 mm的三维物体的三维形貌,为大纵深物体的三维形貌获取提供了技术支持。     

组合式面形测量系统的优化设计

在明确线结构光三角测量法原理的基础上,针对目前面形测量系统测量功能的单一性,设计了一种集旋转测量和移动测量于一体的面形测量系统。在系统结构设计中,系统参数,包括激光器和CCD之间的基线距离L、工作距离D、测量角α、透镜焦距f和CCD自身的参数对系统测量分辨率和测量范围有直接影响。在分析了这些参数之间的关系的基础上,对系统进行了优化设计和工作参数的确定。     

可调谐半导体激光器的瞬时光谱测量方法研究

可调谐半导体激光器在调谐过程中的瞬时光谱特性,如瞬时的波长、调谐率、功率、线型和线宽等参数影响着以激光器为光源的光学测量和光相干通信系统的精度。然而,能够同时测量这些瞬变参数的技术至今未见报道。提出了一个基于时频分析的测量半导体激光器在调谐过程中瞬时光谱参数的方法,利用一个短时延外差测量系统,利用激光器瞬时光谱参数与差拍信号瞬时参数的关系,最终获得了半导体激光器在连续电流调谐过程中的瞬时光谱。测量系统采用了10 cm光程差的Mach-Zehnder干涉仪,调谐电流是幅度为20~120 mA、频率是1 kHz的锯齿波,差拍信号可视为直流信号、载波信号与噪声的叠加,按照短时延相干光测量原理,差拍信号中的直流分量幅度的大小反映了激光器输出光信号的功率;载波信号是一种多项式相位信号,由其频率可以推算激光器输出光谱的中心频率或波长;噪声信号则与激光器输出光谱的线型和线宽相关,通过对噪声信号进行时频分析,可以获知激光器在连续电流调谐过程中每一时刻或每个电流下的瞬时线型、线宽。采用了趋势局部均值分解方法对差拍信号进行了准确分离,并对分离信号分别进行处理,同时获知了半导体激光器在调谐过程中的瞬时输出光功率、光波长、调谐率及线型、线宽。在去掉弛豫部分后截取的整周期差拍信号对应的调谐电流60~115 mA变化范围内,半导体激光器(FRL15DDR0A31-18950, Furukawa)瞬时输出光功率变化范围是5.16~10.6 mW,瞬时光波长变化范围为1 579.2~1 579.6 nm;激光器的瞬时调谐率在0.004 8~0.011 5 nm·mA-1范围内单调变化;线宽是852.55~954.95 kHz,呈非线性随机分布。基于短时延、局部均值分解和时频分析方法的瞬时光谱参数测量系统可以准确得到各瞬时光谱参数,测量结果与激光器的静特性相符,且测量系统结构简单,使我们更深入地理解激光器的工作原理,具有广阔的应用前景。     

基于单幅测量图像的三维缺陷检测技术

为了对缺陷进行更加全面的判断,设计了一种新型三维缺陷检测方法,只需要根据单幅实时测量的工件图像,就可获得0°~180°范围内工件形貌的三维数据,进而对缺陷的平面及深度尺寸进行全面判断。其核心技术是根据单幅测量图像中留下的三维线索—灰度信息,进行亮度分析和转换,利用倾角和偏角计算物体深度信息。在工业现场磁性材料缺陷检测中,该方法在X和Y方向的分辨力达到0.1 mm,Z方向的分辨力达到0.007 mm。实验证明所使用的三维缺陷检测方法,工作方式简单,硬件成本低,处理速度快,精度高,适宜在工业现场应用。     

激光光斑及束腰光斑尺寸的测量研究

激光光斑尺寸和激光束腰光斑尺寸是徇激光器性能的重要参数。本文探讨用CCD作为探测传感器精确地测出激光光斑尺寸和束腰光斑尺寸，克服了传统测量的繁杂过程^[1]，并用计算机进行控制及数据处理，大大提高了测量精度和效率，为激光器性能研究和光信息处理提供了一种新的方法。     

Specifics of Bragg gratings inscription and characterization in polarization-maintaining Yb-doped fiber for DFB lasers

Fiber Bragg gratings (FBGs) with a length of about 4 cm and a phase shift of about π are written in the polarization-maintaining fiber doped with ytterbium ions. A tunable polarized single-frequency laser is employed for the measurement of the FBG reflection spectrum. A relatively high spectral resolution allows the estimation of the FBG parameters. Polarized single-frequency ytterbium-doped distributed-feedback (DFB) fiber lasers radiated at about 1.1 μm are constructed using the written FBGs. The passive line width of the laser radiation (about 50 kHz) is estimated from the beat spectrum of the two DFB lasers.     

全频域下窄线宽激光器光谱线宽的分析

窄线宽激光器的线宽表征方式通常采用延时自外差法测量技术。该技术是通过延时光纤差拍产生一个与待测激光线宽相关的洛伦兹频谱,因此该频谱只具有单一的线宽表现形式。为了能够观察到激光器的线宽和频率噪声在其傅里叶频率分布下的完整特性,报道了一种基于β算法计算窄线宽激光器线宽的方法。该方法是结合频率噪声中的白噪声和1/f噪声分别诱导不同激光线型的理论,从而确定激光线宽。首先,对β算法的基本原理进行了详细的分析说明。通过基于维纳-辛钦定理,分析了窄线宽激光器不同频率范围内的频率噪声和激光线宽的依赖关系。阐明了在截止频率趋于0和无穷大的两个范围条件时,激光频谱特性从高斯线型向洛伦兹线型演变。同时推导出使两种线型转换的截止频率表达式,并将其转换为频率噪声函数,该函数定义为β分子线。此时频率噪声分量中高斯线型的总和即为激光线宽计算公式;其次,对窄线宽激光器的频率噪声和激光线型进行数值仿真。将通过OEwaves公司的OE4000互相关零差相位/频率噪声自动测试系统测得的频率噪声谱密度,带入β算法理论公式中。结果显示：1/f噪声导致激光呈现高斯线型,线宽随截止频率的增加而增大。而白噪声将导致洛伦兹线型,线宽不再随截止频率而改变。此外,在低频区域,频率噪声电平远大于其傅里叶频率,噪声调制系数较高,该部分噪声可以决定线宽大小。因此,高斯线型区域对应的频率噪声的积分,即为待测激光器的线宽;在高频区域,频率噪声电平与其傅里叶频率相差较小,频率波动较快,噪声对线宽影响可以忽略。并且频率带宽在截止频率范围内,计算的线宽误差较小。最后,实验上运用β算法对RIO公司的1 550 nm低噪声窄线宽激光器的频率噪声功率谱密度进行积分计算,成功获得了其不同傅里叶频率分布下对应的激光线宽值。其中β分子线将频率噪声中的白噪声和1/f噪声分隔两部分：当频率噪声谱密度大于β分子线时,激光即为高斯线型,线宽随频率积分带宽的增加而减少;而频率噪声谱密度小于β分子线时,激光呈现洛伦兹线型,线宽为定值不再改变。同时为了对β算法进行实验验证,搭建了延迟光纤为50 km、移频频率为60 MHz的延时自外差法测量系统。对注入电流为110 mA的RIO 1 550 nm低噪声窄线宽激光器的线宽进行实验测量,测量结果表明激光线宽为1.8 kHz,与上述β算法中2.8 kHz的频率带宽积分结果一致。充分证明了此算法的准确性。β算法可以对任意类型的窄线宽激光器进行线宽表征,对窄线宽激光器的研究具有重要意义。     

条纹相机测量中的光束取样

从实验上探讨了用条纹相机测量大口径高功率固体激光束的脉冲波形时,取样光斑的大小对波形的精细结构与脉宽的影响。     

基于阿秒抖动光纤锁模激光器的时钟同步

光纤锁模激光器结构简单, 运转稳定, 且输出的超短脉冲序列具有极高的时钟稳定性, 在抽运探测、脉冲相干合成等要求高精度时钟同步的前沿领域有着广阔的应用前景. 本文通过激光器腔内的电光调制器进行反馈控制, 实现了两台光纤锁模激光器之间的紧密时钟信号同步; 并且通过平衡光学互相关方法, 对残余的时钟误差信号进行了测量, 分辨率达到了13 as. 通过优化激光器的腔内动力学过程及反馈环路的参数, 在[1 Hz, 10 MHz]的积分区间内得到了109 as的残余时钟误差, 对应单台激光器的平均时间抖动为77 as.