二值条纹高速离焦投影的旋转风扇面形测量

傅里叶变化轮廓术将结构光投影与傅里叶条纹分析相结合,只需一帧变形条纹就可以重建被测物体三维面形,是动态三维面形测量中的首选。选择最适用于傅里叶变换轮廓术测量系统的二值条纹编码方法,对二值化后的正弦条纹进行离焦投影,既克服了普通商用数字投影仪的刷新频率限制和非线性响应影响,又能充分利用光学成像系统的低通滤波特性获得很好的高速正弦光场。设计搭建了一套高速离焦投影条纹并同步采集的三维面形测量系统,利用该测量系统对高速旋转的散热器风扇进行测量,得到任意采样时刻风扇扇叶的三维面形信息,重建完整的风扇转动过程。能进一步分析散热器风扇扇叶在高速转动过程中的形变,为散热器风扇材料选择以及改善其性能提供可靠的测量技术方案与原始数据,有效地拓展了动态三维面形测量的应用。     

应用神经网络的复杂物体三维测量

将神经网络引入基于结构光投影的复杂物体三维面形测量。在测量过程中,利用神经网络强大的函数逼近能力,得到离散条纹图的连续逼近函数,从中解出物体的相位分布信息,获得物体的三维面形分布。应用神经网络方法,在结构光投影条件下,只需要获取一幅条纹图,便可以完成复杂物体的三维面形测量。该方法相比传统的傅里叶变换轮廓术,不存在滤波操作,不会在测量过程中丢失被测物体的高频分量,具有更高的空间带宽积和灵敏度,能准确测量出复杂物体的细节,更加适用于恢复复杂物体的三维面形。并且该方法在条纹图存在阴影的情况下与傅里叶变换轮廓术相比,能更好地提取出物体的相位信息,恢复物体的三维面形。模拟及实验均验证了该方法的可行性。     

利用频闪结构光测量旋转叶片的三维面形

在对快速甚至高速运动物体进行研究时,需要对运动物体各个时刻的三维面形和形变量进行数字化描述。提出了一种利用频闪光作为结构照明光源,基于傅里叶变换轮廓术对旋转叶片每个时刻的三维面形和变形量进行动态测量的光学方法。使用自行设计的同步控制单元对风扇叶片旋转位置进行检测,用该检测信号同步驱动频闪结构光源的发光和图像采集系统“冻结”记录下旋转叶片表面变形条纹的瞬时图像,再运用傅里叶变换轮廓术计算出每一瞬间时刻旋转叶片的三维面形,分析这些三维面形数字化结果可以进一步得到旋转叶片的变形量。通过对家用电风扇的实验,验证了该方法的合理性和可行性。该方法可望在高速运动物体的面形和变形研究上有广泛运用。     

高速旋转物体频闪在线相位测量轮廓术

为了实现高速旋转工件的在线三维面形检测,提出一种高速旋转物体频闪在线相位测量轮廓术(PMP)三维测量方法。利用圆形正弦光栅替代线形正弦光栅,采用高密度二元编码光栅替代灰度编码光栅,设计专用频闪同步控制单元同时触发投影系统频闪投射相移光栅和图像采集单元同步获取图像,获得物体在同一"冻结"位置下的相移变形条纹后,采用静态PMP相移算法重建物体的三维面形信息。实验结果表明,该方法具备可行性和实用性,可有效避免工件离线检测时多次装夹不一致引入的加工误差,能够提高工件的检测效率和加工效率,可用于其他高速旋转物体的三维面形重建。     

傅立叶变换用于全息三维物体面形测量

介绍了将傅立叶变换用于全息三维面形测量的基本原理和实验装置。首先用全息干涉条纹替代投影条纹投影到待测物体上 ,在相位解调中 ,结合Gerchberg迭代算法对变形条纹进行处理 ,然后用汉宁窗口进行数字加权滤波。结果表明 ,该测量系统实验装置简单 ,测量精度高 ,速度快 ,适用于复杂大物体三维面形测量     

基于格雷码和相移算法的动态三维测量技术

格雷码辅助实现的相位测量轮廓术具有较好的鲁棒性和抗噪能力,是三维测量领域的一个研究热点。在已有测量方法的基础上,提出了一种把格雷码嵌入相移条纹进行复合图案投影的三维面形测量方法,通过将传统的3幅格雷码图案整体向右移动半个条纹周期,共得到6幅格雷码图,将其交替嵌入三组相同的四步相移条纹中并结合二值离焦技术依次进行投影。通过拍摄得到一系列变形复合条纹图案后,沿时序综合前后三组变形复合图案信息并进行解码,从而获得两组错位的条纹级次,这可从源头上避免格雷码级次边沿的错误;同时采用传统相移算法计算得到对应的截断相位分布,时序上的综合解码结果可用于指导截断相位产生并重建被测物体的三维面形信息。静态和动态场景的三维测量实验结果验证了该方法的可靠性、高效性和鲁棒性。该方法每多记录5幅图案就可以对应新重建出一个三维面形,在高速动态三维测量中具有较好的实用性。     

基于椭圆形光强分布光栅投影的三维面形测量方法

基于椭圆形光强分布光栅投影测量物体三维面形的方法,将椭圆形光强分布光栅投影到被测物体表面,用摄像机获取变形条纹图,通过系统参量和条纹图携带的相位信息求解出物体的三维面形.推导出通过椭圆形光强分布光栅条纹求解相位的计算公式并对提出方法作了计算机仿真.实验结果表明该方法可以比较准确地测量物体的三维面形,在噪音较大的情况下测量结果仍具有较高准确度.     

基于椭圆形光强分布光栅投影的三维面形测量方法

基于椭圆形光强分布光栅投影测量物体三维面形的方法,将椭圆形光强分布光栅投影到被测物体表面,用摄像机获取变形条纹图,通过系统参量和条纹图携带的相位信息求解出物体的三维面形.推导出通过椭圆形光强分布光栅条纹求解相位的计算公式并对提出方法作了计算机仿真.实验结果表明该方法可以比较准确地测量物体的三维面形,在噪音较大的情况下测量结果仍具有较高准确度.     

Gerchberg迭代法在三维面形测量中的应用

在基于结构光照明的三维面形测量中,针对有孤立区域物体的条纹图像存在不规则缺陷的问题,提出先对其进行Gerchberg迭代,消除或减少条纹缺陷,获取较完善的迭代条纹,然后再利用傅里叶变换轮廓术(FTP)重建面形。设计了迭代流程,并分析了影响迭代精度的因素,解决了光学加工用具磨盘表面不完善条纹Gerchberg迭代过程中存在的问题,成功地重建了磨盘的三维面形。该工作为表面存在孤立区域的被测物体三维面形测量提供了可供参考的技术方案,也给可实时形变的应力盘三维面形动态测量奠定了基础。     

基于双色条纹投影的快速傅里叶变换轮廓术

在实际傅里叶变换轮廓术测量中，获取的条纹图扩展的零频分量对傅里叶变换轮廓术的测量精度和测量范围有很大影响，甚至妨碍正确三维面形的恢复。π相移技术常被用来消除零频分量对测量的影响，但需要在测量系统中安装精密相移装置，并需要采集两帧具有π相位差的条纹图。传统傅里叶变换轮廓术中，完成精密相移需要较长的时间，影响了傅里叶变换轮廓术测量方法的实时性。提出了采用双色正弦光栅投影来实现从一帧条纹图中消除零频对傅里叶变换轮廓术测量的影响。该方法同传统的π相移方法相比，不需要相移装置，测量系统简单，并且能真正实现高速测量。     

洛埃镜干涉微小尺度测量系统的研究

设计了一款利用洛埃镜干涉进行微小尺度测量的系统。该系统利用机械的杠杆原理,将微小尺度的改变反映在镜面与光源的垂直距离上,相当于改变洛埃镜干涉系统中光源与虚光源之间的间距,从而干涉条纹的宽度将相应的发生变化。利用光电池将光信号转化为电信号,并通过信号的放大和模数转化,最终在计算机上显示干涉条纹。通过相应的测量公式就可以得知待测物体的微小尺度。对标准塞尺的测量结果显示,该系统具有精度高,操作简便,测量迅速等优点。     

真空低温环境反射镜光谱反射率原位测量技术

为了研究真空低温环境下定标光学系统光谱反射率测量技术,搭建了小型离轴抛物面反射镜的光谱反射率原位测量试验系统。系统由太阳模拟器、准直镜、折叠镜、离轴抛物面反射镜、光谱仪、数采系统等组成。分别在常温常压和真空低温环境下进行测量,得到350 nm～950 nm谱段光谱反射率及变化规律,常温常压、真空低温、恢复常温常压下系统测量平均值分别为0.882、0.863和0.883,测量重复性1.1％,不确定度优于2.4％。结果表明,反射镜光谱反射率在真空低温环境下有较明显的下降,环境恢复后,反射率随之恢复。     

一种微米级高度台阶镜面条纹反射的三维测量系统

提出了一种检测微米级高度衍射台阶结构的条纹反射三维检测方法.对条纹反射光路的理论分析表明,合理选择入射光线角度和液晶屏放置角度以及液晶屏像素尺寸等系统参数,条纹反射系统能够分辨微米乃至亚微米级的镜面台阶.实际构建了一套微米级台阶镜面条纹反射测量实验装置;采用四步相移法进行条纹相位解算,运用移动屏幕方法确定反射光线方程,结合三角交汇原理,对待测台阶镜面进行三维重构.实际测量了名义值为5μm和10μm的台阶镜面,测量结果不确定度在0.5μm内,和商业仪器测量结果的偏差<0.5μm,证明了设计方法的可行性.本文结果对于包含衍射台阶结构的光学元件三维测量研究具有一定的借鉴意义.     

激光回馈效应及其传感应用研究的进展

对基于激光回馈效应的传感应用研究进展进行了综述。由于激光回馈引起激光器功率波动一个条纹对应外部反射镜移动半个光波波长,功率波动深度与传统双光束干涉系统相当,基于该现象的激光回馈干涉仪与传统的干涉仪相比具有相同的相位灵敏度。但其结构简单、紧凑、易准直的特点,引起了国内外科研者浓厚的兴趣,开发了很多全新概念、经济实用的精密测量仪器。对激光回馈效应在位移测量、速度测量、振动测量、距离测量、角度测量和形貌测量中的原理进行了介绍,同时对各传感应用系统进行了评述。     

基于线阵CCD的扫描镜角位置测量技术

扫描转镜是现代光电系统中广泛应用的装置。扫描转镜的位置需要精确控制,线阵CCD探测器具有像素高,响应频率高等特点。介绍了以TCD1501C作为光学传感器,利用可编程逻辑器件作为处理单元的角位置测量设计,包括驱动时序、视频输出差分电路、CCD信号检测处理等设计。实现了精度可达到0.02mrad的小角度测量。     

A time-of-scan laser triangulation technique for distance measurements

This paper reports the development of an electro-optic device for relative distance measurement. The time-of-scan triangulation technique has been used as measurement principle and a rotating mirror employed as beam deflection system. A calibration technique is needed to calculate the geometrical parameters of the system. The device has an accuracy of 100 μm, a working distance of 20 cm and a range of 10 mm. The accuracy obtained depends on the instability of the rotation speed of the mechanical scanner that affects the measurement of the scanning time.     

Sinusoidal fringe projection system based on compact and non-mechanical scanning low-coherence Michelson interferometer for three-dimensional shape measurement

We report a sinusoidal fringe projection system based on superluminiscent diode (SLD) as a broad-band light source in conjunction with an acousto-optic tunable filter (AOTF) as frequency tuning device for three-dimensional shape measurement. The present system is based on a compact low-coherence Michelson interferometer system. The conventional interferometric system was modified in which one side of the beam splitter was coated with aluminum oxide which is used as reference mirror. With this modified version, interference fringes can easily be obtained by simply placing the external mirror in contact on the other side of beam splitter. Sinusoidal fringes with multiple spatial-carrier frequency can be generated in real-time using the present system by means of changing the radio-frequency signal to AOTF electronically without mechanically moving any component in the system. The present system was tested by projecting the sinusoidal fringes on a step-like object and 3D shape of the object was reconstructed using Fourier transform fringe analysis technique. The main advantages of the proposed system are completely non-mechanical scanning, easy to align, high stability because of its nearly common-path geometry and compactness.     

Fast full-field out-of-plane deformation measurement using fringe reflectometry

Full-field out-of-plane deformation measurement of specular surfaces can be implemented quickly and conveniently using fringe reflectometry. The system configuration is simple and processing is fast. With the assistance of an advanced fringe pattern processing technique, the windowed Fourier ridges method, only a single two-directional fringe pattern is necessary for determination of the deformed surface profile. Thus, the whole measurement only requires a single image with the potential for high speed or even real time measurement.     

A flexible new three-dimensional measurement technique by projected fringe pattern

Aimed at the problems of inferior precision and bad maneuverability for three-dimensional (3D) measurement by projected fringe pattern, a flexible new 3D technique for performing system calibration and measuring was proposed. First, we analyzed the principle of conventional 3D measurement with projected fringe pattern, and pointed out the shortcoming of measurement system. Then, the CCD camera calibration technique is analyzed and we set up the perspective projection model which transforms the computer image coordinate to 3D world coordinate, and we get the coordinate of the CCD camera image lens. Third, the position of projection lens optical center can be obtained using the above model. At last, some experiment results presented show that this technique is more simple and robust in engineering than conventional measurement method.     

镜像光衍射技术及其在测量中的应用

对光衍射技术提出了一种新方法,即在衍射缝后引入反射形成镜像,用以改变衍射条纹的光强分布,这种方法可提高测量精度,加大动态范围,改善因缝不理想所形成的场分布,还对参数的选取进行了讨论。