一种新的形貌检测系统标定技术

形貌检测中, 经相位解调和相位展开后,所求得的只是待测物体表面与参考面的相对相位分布, 而三维形貌检测要测的是高度分布. 在分析一般测试系统的基础上, 推导出了相位与高度分布的非线性函数映射关系. 设计了标定测试系统的实验方案. 通过平移实物参考面, 测得其上的相位分布, 由平移距离与相位增量之间的关系, 用最小二乘迭代法计算相位差与物体高度映射关系. 最后, 对一个实际测试系统进行了标定,并与Hung的标定方法进行了分析比较.理论和实验都表明, 新方法精度高, 操作方便, 降低了标定复杂度.     

单幅彩色条纹投影的不连续物体表面三维形貌测量

提出了基于单幅彩色条纹投影的不连续物体及动态三维形貌的测量方法。该方法利用计算机产生一幅正弦条纹图和两幅单一强度图分别通过红蓝绿三个通道合成为一幅彩色条纹图,由液晶投影仪投影到被测物体表面,彩色CCD采集变形条纹图并保存在计算机中。通过三色分离,同时获得正弦条纹图和反映表面反射率分布及背景信息图,通过图像除法运算及亚像素精度归一化处理实现物体三维形貌的恢复。对于表面形貌不连续的物体,利用蓝色分量的灰度图像进行二值化处理定位阴影或暗背景,从而引导正确的相位求解。实验验证了该方法对不连续物体动态测量方面的可行性。     

单幅条纹图相位解调的小波分析方法

相位解调是条纹相位分析的关键问题.本文提出一种应用小波频率估计联合频率导数对变形条纹进行瞬时频率分析,从中提取参考基频,从而依靠单一变形条纹实现相位解调的方法.首先,理论上证明了当变形条纹瞬时频率空间导数等于零,该空间点的瞬时频率等于参考基频频率;其次,引入Gabor小波提取变形条纹的瞬时频率空间分布,利用变形条纹瞬时频率的空间导数分布识别提取参考基频,从而实现相位解调.利用该方法进行了三维形貌测量的实验,结果表明该方法在实现相位解调中效果良好.     

一种基于散斑相关理论测量变形相位的新方法

提出了一种提取两幅条纹图像间离面变形相位的新方法。由数字散斑相关方法(DSCM)测得两帧连续图像间的运动场,根据光流基本等式,运用初始图像的条纹频率与该运动场计算全场变形相位分布。介绍了基于DSCM变形相位方法的原理,对周边固定、中心加载圆盘的变形相位测量进行了实验和计算机模拟,验证了该方法的有效性。模拟结果和实验结果表明,该算法能够将直观的面内运动场和离面变形相位的提取联系起来,能够解调出物体全场离面变形相位信息。该方法优点是操作过程简单方便,既不需要将条纹图像转换到频域,也不需要相位解包络运算,且在条纹越密集处提取的变形相位信息更准确。该方法为计算物体全场变形相位分布和动态测量物体形变提供了新的途径。     

单幅条纹图相位解调的小波分析方法

相位解调是条纹相位分析的关键问题.本文提出一种应用小波频率估计联合频率导数对变形条纹进行瞬时频率分析,从中提取参考基频,从而依靠单一变形条纹实现相位解调的方法.首先,理论上证明了当变形条纹瞬时频率空间导数等于零,该空间点的瞬时频率等于参考基频频率;其次,引入Gabor小波提取变形条纹的瞬时频率空间分布,利用变形条纹瞬时频率的空间导数分布识别提取参考基频,从而实现相位解调.利用该方法进行了三维形貌测量的实验,结果表明该方法在实现相位解调中效果良好.     

基准光栅重构傅里叶变换轮廓术

应用傅里叶轮廓变换术进行三维形貌测量中,为了获得待测物体的高度相位信息,通常需要采集两幅图像.因此当光学系统发牛变动时,必须重新采集基准光栅图像,不利于快速测量.提出一种从变形光栅图像中获取基准光栅图像信息的测量方法.首先在变形光栅图像中记录基准光栅信息,然后通过傅里叶分析提取基准光栅频率信息,通过图像分析获得基准光栅相位信息,最后重构出一幅完整的基准光栅图像,实现三维物体形貌测量.实验结果验证了该方法的可行的.     

一种基于希尔伯特变换实施相移的相位解调算法

相移法因其精度高、运算简单,所以被广泛应用于形貌检测中的相位解调。该方法的弱点是:不仅要采集多幅相移图像,而且不能克服相移器的移相误差。将小波分析与希尔伯特变换结合起来,采用小波分析去除直流背景成分,利用希尔伯特变换方法实现90°相移;利用相移法解调形貌相位,由于是采用软件来实现相移的,因此只需采集一幅变形栅线图。对该方法与传统相移技术进行了模拟比较实验,结果表明,该方法具有较高的精度。     

位相测量轮廓术中的相位修正及系统标定的新方法

介绍了在位相测量轮廓术中的一种相位修正及系统参数标定的新方法。对参考面(标定面)上点的位置_相位关系进行全场拟合,并根据该相互关系对参考面相位进行修正,能够非常有效地去除相位误差;提出的参数标定方法能精确得到投影系统参数的组合。实验证明了此方法具有良好的实用性和测量精度。     

场共轭数值模拟研究

给出了一种考虑光源的强度分布后用两个变形镜头实现场共轭的算法,并对高斯光束进行了数值模拟,结果表明这种算法是有效的。变形镜平滑的表面可以剔除相位局部跳变,明显改善光强分布。对高斯光束,发射面相位面形状十分简单,易于用变形镜构造。本文还讨论了两变形镜之间距离的影响,最后指出如何改进现有算法。     

三维形貌及颜色纹理的快速获取方法

为了在黑白摄像机中快速获取场景的三维形貌与颜色纹理,提出了绝对相位测量结合主动彩色照明的方法.首先向物体投影并拍摄两幅相移为1/3周期的条纹和一幅周期有微小差别的条纹图;然后分别向物体投射光强为给定强度的白、红及绿照明光,并拍摄图像.用改进的相移法求解第四幅图像与第一、第二幅变形条纹图中的相位;用改进的傅里叶变换法求解第四幅图像及第三幅变形条纹图中的相位;然后得出绝对相位值.最后利用第四幅图像与第五和第六幅图像求出场景反射的蓝色分量,并根据色度学原理恢复出场景的颜色纹理.实验表明,该方法在保证三维测量准确度的同时获得了高质量的颜色纹理,实现了30fps的三维数据及颜色纹理采集速度.     

3D shape measurement of larger complex objects based on fringe cycle correction

The grating fringe on the reference plane is broadened in the intersecting axis system because of oblique-angle projection. In order to solve this problem, we study the theoretical model of the temporal phase unwrapping method based on the fringe cycle correction. We also study the 3D shape measurement theoretical model of the larger complex objects after considering the coordinate deviation and lens distortion. Experimental results demonstrate that the fringe cycle on the reference plane can be corrected to a constant value, the lens distortion can be corrected, and 3D shape of larger complex objects can be accurately measured.     

二次光栅在波前测量中的应用

采用一种特殊的二次光栅用于激光波前测量,它对非零级衍射光束具有不同的聚焦效应,其光栅线为圆弧型而非直线。导出了在会聚光束情况下的两平面成像在单一像平面上的距离关系,实验上实现了二次光栅用于会聚光束的波前测量,测量得到会聚光束具有较大的散焦(-2.93λ)和球差(1.34λ),与该透镜引起波前的离焦像差理论理想值(-2.695λ)基本符合。该技术可以实现波前的高空间分辨力和高精度实时测量,大大减少光学元件数量,降低装置成本。由于大功率激光束的不稳定性,其波前变化非常快,所以该方法的实时性非常适合于这种波前变化的测量。     

投影栅相位法三维形体检测精确解相方法的研究

根据投影栅相位法三维检测实际应用中所遇到的频域处理的移频问题和被测物体与参考面的对应关系问题,分析了它们对解相精度的影响,提出了不移频和全场参考面的解决方法,经实例验证,它们在工程各取得了满意的效果     

一种新的双频光栅轮廓术

物体含突变部分时,包裹相位很难准确恢复.若用双频光栅技术分两次测量,测量次数增加,不符合实时要求.提出用软件方法生成含两种不同频率的复合光栅,用液晶投影仪投影.针对不同物体突变情形,生成各种不同灵敏度的复合光栅.只一次采集,就达到过去双频多次采集的效果.两幅不同灵敏度的相位图可同时获取,相位去包裹时高精度光栅相位不确定性由粗光栅对应相位修正.最后,进行了实验测试.结果表明,新方法具有速度快、精度高、测试范围广等特点.     

基于单目结构光的大物体三维测量关键方法的研究

在单目结构光的三维测量系统中,由于投影仪倾斜投影, 参考平面上的条纹周期展宽, 给测量带来误差,降低了测量精度。同时受大物体自身几何和形貌等因素的影响,以及相交轴测量系统的限制,其单幅面测量范围受限,很难一次测量大物体完整的三维形貌,而且在测量大物体时,摄像机镜头非线性畸变也影响测量精度。根据参考平面上光栅条纹的周期变化规律,提出了一种适用性好、方便快捷的条纹周期校正的理论模型, 在此基础上, 提出了基于条纹周期校正的四步相移法的理论模型,进而提出了基于条纹周期校正的时间相位展开法的理论模型。采用摄像机镜头非线性畸变校正模型,提高测量精度。在被测物表面粘贴标志点,获取其三维坐标,利用SVD分解和L-M优化算法求取转换矩阵,并在设定的全局坐标系下实现三维图像拼接,采用线性加权算法,对重叠区域进行图像融合。实验结果表明,X轴的拼接误差为0.14 mm,Y轴的拼接误差为0.16 mm,Z轴的拼接误差为0.19 mm,其拼接误差均在测量误差允许范围之内。     

双频光栅轮廓术的研究

在投影栅相位法轮廓检测中,当物体含突变部分时,包裹相位很难准确恢复,对此可用双频变精度技术来解决。如果用两种不同频率光栅分两次进行测量,无疑增加了测量负担,也无法满足实时检测的要求。提出用软件生成两种不同频率成分的复合正弦光栅,用液晶投影仪投影,针对不同物体具体突变部分的情况,可灵活生成各种不同灵敏度的复合光栅。只采一次图像就可以达到以往双频技术中多次采集的效果,该法具有快速和去包裹精度高的特点。最后,进行了实验测试,结果非常满意。     

On-line beam diagnostics based on single-shot beam splitting phase retrieval

We propose a novel on-line beam diagnostic method based on single-shot beam splitting phase retrieval. The incident beam to be measured is diffracted into many replicas by a Dammann grating and then propagates through a weakly scattering phase plate with a known structure; the exiting beams propagate along their original direction and form an array of diffraction patterns on the detector plane. By applying the intensity of diffraction patterns into an iterative algorithm and calculating between the grating plane, weakly scattering plane, and detector plane, the complex field of the incident beam can be reconstructed rapidly; the feasibility of this method is verified experimentally with wavelengths of 1053 and 632.8 nm.     

光栅成像反射莫尔干涉术

利用光栅成像效应可构成一种光栅成像反射干涉仪。配合莫尔技术,在自成像平面可获得表征镜状表面试件离面位移一阶偏导等值线的反射莫尔条纹。并给出了这种干涉术的理论分析及实验例证。     

Shifted-phase calibration for a 3-D shape measurement system based on orthogonal composite grating projection

This paper proposes a novel method for reducing measurement error caused by spectrum overlapping in orthogonal-composite-grating-based 3-D measurement method. For 3-D measurement systems based on orthogonal composite grating projection, spectrum overlapping causes phase of each deformed phase-shifting fringe changed differently, which violates the principle that the shifted phases between adjacent deformed fringes must be equivalent to 2π/3, and therefore results in phase measurement error. The proposed shifted-phase calibration method is based on that phase variation of each deformed fringe is independent of height and reflectivity of the measured object. Three composite gratings are projected on the reference plane, and each carrier channel includes three phase-shifting gratings needed in phase measuring profilometry (PMP). Because the adjacent phase-shifting fringes demodulated from the same carrier channel have the phase difference of 2π/3, we can respectively calculate the reference plane's phases of three carrier channels by the phase algorithm of PMP method, and the shifted phases between them are obtained. When an object is measured, the shifted phases between deformed phase-shifting fringes can be calibrated. A new 3-D measurement mathematical model is set to reconstruct object. Our experiments prove that the proposed method can effectively restrain the effect of spectrum overlapping and improve measurement accuracy almost one times.