基于声光栅的变频条纹投射系统

针对三维形貌测量中结构光照明系统投影速度慢、结构复杂、在线集成困难的问题,提出了一种基于声光栅的变频条纹投射系统。该系统利用拍频信号驱动声光偏转器,在声光晶体中形成两个重叠的光栅,光源发出的激光以布拉格角入射,形成两束一级衍射光,经透镜聚焦形成光强按正弦规律分布的结构光条纹。建立了数学模型,同时提出了一种新的相位凝固技术,使条纹空间频率和相位的变化规律得到了很好的解释。该系统结构紧凑、体积小,全电控可调,无任何机械移动部件,具有条纹投影速度快、精度高、动态可编程的特点。应用该系统对石膏像形貌进行测量,获得了用于三维成像的相位图。该投射系统对于解决复杂几何形状物体的三维测量问题具有较高的工程应用价值。     

采用剪切干涉和虚拟光栅的三维形貌检测

本文提出一种新型三维形貌测量方法,该方法通过投影装置将剪切干涉条纹投射到物体表面,以获取调制光栅图。采用相位法,由计算机生成虚拟接收光栅,从一幅调制光栅图重建物体形貌。文中给出了实验结果和性能分析。     

基于双声光偏转器的变频三维数字成像

提出了一种基于双声光偏转器的时序变频三维数字成像系统.此系统可以实时产生并投射具有不同空间频率的条纹结构光序列照明被测物体,可以以视频速率完成任意形状物体的三维传感.整体系统采用全固态结构,无任何机械运动部件,具有高精度、全场测量、动态可编程、普适性好等特点.给出了该三维数字成像系统对一个台阶状物体形貌测量的应用实例.结果证明DAOP对于解决具有复杂几何形状或拓扑结构物体的三维形貌测量问题是一种有效技术.     

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。     

声光栅正弦结构光投射器的光学系统设计

针对一种新型的声光波干涉测量技术,对声光栅正弦结构光投射器的三维测量工作原理进行了系统的分析,讨论了影响投射器光学系统结构的因素和影响接收屏上的光照度的因素,并进行了光学系统设计。在优化设计过程中,采用了限制光线最大入射角的方法,达到控制投射系统的球差和保证接收屏上照明均匀的要求。所设计的声光栅正弦光投射器具有很好的成像质量。应用该系统对在500mm处的石膏像上投射干涉条纹,可以得到能量比较均匀、变形量很小的干涉条纹图,利用该条纹图和相关的算法可以对具有复杂几何形状的物体进行有效的三维测量。     

基于高重复频率飞秒激光直写技术制作衍射光栅的研究

基于由光子晶体光纤飞秒激光器产生的高重复频率飞秒激光搭建了飞秒激光微加工系统,利用LabVIEW编写程序精密控制三维移动平台的移动路径和高速快门,在加工功率为1.5W、移动速率为1mm/s时,利用直写技术在无胶铬版上得到了微米量级的任意形状的平面衍射光栅。利用CCD相机对光栅制备过程进行实时监视,保证了光栅的加工质量。制备的光栅在显微镜下观察,条纹边缘清晰、线纹粗细均匀。使用He-Ne激光照射加工的光栅,可以获得清晰、稳定、与理论符合很好的夫琅和费(Frauhofer)衍射图样,显示了所加工的光栅具有良好的光学性能。实验结果也表明了光子晶体光纤飞秒激光在光栅制作过程中所具备的良好的加工性能。     

基于衍射光栅的干涉式精密位移测量系统

介绍了基于几何莫尔条纹原理和衍射干涉原理的两种光栅精密位移测量系统及各自的特点。综述了国内外对光栅干涉式精密位移测量系统的研究进展,总结了系统存在的关键问题及发展趋势。光栅干涉式精密位移测量系统的优点是对环境要求小,测量分辨率和精度较高,结构紧凑,成本低。该系统需要解决的问题包括提高光栅以及光学元器件制造和安装精度;寻求一种更高精度的检测手段对光栅位移测量系统进行标定等。光栅干涉式精密位移测量系统的发展方向为更高测量分辨率和精度,大量程、多维度测量以及尺寸小巧。该系统在现代工业加工精密制造领域将具有更广阔的应用前景。     

从变形光栅条纹提取基准光栅信息

基于傅里叶变换轮廓术,提出一种直接从变形光栅条纹中提取基准光栅条纹信息并重建基准光栅的测量方法.分析了基准光栅条纹和参考平面的功能,揭示变形光栅条纹和基准光栅条纹的关系;应用窗口傅里叶变换对变形光栅条纹中的各个微小区域进行频谱分析,从中识别并提取基准光栅的频率和相位信息;重构出一幅完整的基准光栅条纹,实现三维物体形貌测量.实验结果表明该方法是可行的,为三维形貌测量提供一种新手段.     

一种新型单帧彩色复合光栅投影的实时三维测量方法

提出了一种新型单帧彩色复合光栅投影的实时三维测量方法。采用三帧具有π2的相移正弦条纹分别编码到红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)三个颜色通道中,组合成单帧彩色复合光栅,当该彩色复合光栅投影到待测物体上,仅需获取单帧彩色变形条纹并从中分离出相应的具有π2相移的三帧单色相移变形条纹,由于不同颜色通道之间存在颜色串扰以及色度不均衡问题,采用最小二乘法对分离出的三帧单色相移变形条纹直流项进行背景一致性校正,从而获得三帧校正后的单色相移变形条纹,运用所建立的三维重构物理模型,即可恢复物体的三维形貌。实验验证了该方法的可行性和实用性。进一步的实验表明,该方法的测量精度优于传统单帧彩色PMP。因为所提方法仅需一帧彩色复合光栅即可恢复物体的三维形貌,在实时三维测量中具有很好的应用前景。     

采用二维载频条纹的二维伽博小波变换轮廓术

为解决三维形貌测量中非连续相位解包问题并提高测量精度,提出了采用二维网格光栅作为空间载频条纹的二维伽博小波变换轮廓术。与采用一维单一频率载频条纹轮廓术比较,该方法可以获得两倍的测量信息,并且可以达到相同的测量精度。提取二维网格条纹中的两个调制相位时,该方法不必设计带通滤波器来分离两个一维条纹,而是直接应用二维伽博小波变换。通过检测小波脊,从一幅变形网格光栅图像中直接提取两个方向光栅条纹各自所对应的包裹相位分布,结合查表法进行解包从而得到确定的调制相位分布。给出了详细的理论推导,实验结果证实了该方法的可行性。     

基于自适应条纹投影的彩色物体三维形貌测量

针对三维形貌测量技术中彩色物体表面反射率的非均匀性影响测量结果的问题,提出一种基于自适应条纹投影的三维形貌测量技术,该方法可避免彩色物体表面反射率非均匀的影响,提高系统的测量精度。彩色相机采集RGB光强图像,并根据物体表面颜色的反射特性计算每个像素点的最优投射光强和颜色;采集水平和垂直的正弦条纹序列,利用计算所得绝对相位值将相机图像坐标系中每一个像素点的最优投射光强和颜色映射到投影仪像素坐标系;投射自适应条纹序列进而测量彩色物体的三维形貌。实验结果表明,该方法能够有效测量彩色物体三维形貌,具有很高的测量精度。     

数字式高精度动态测微系统

本文介绍一种能用于动态测量的高精度数字式测微系统。该系统采用电荷耦合线型象感器件(CCLID)作为尺度,并利用了计量光栅莫尔条纹的位移放大作用,理论测量精度可达10~(-2)微米数量级。测量结果可实时地用数字显示。     

一种基于激光调制的高精度位移测量方法

激光准直技术在位移测量及相关应用中具有重要作用,其核心器件是位置敏感探测器,环境杂散光、电源波动、光电信号处理电路噪声等是影响测量精度的主要因素。针对以上问题,提出一种基于激光调制的高精度位移测量方法。将激光器由直流驱动的连续输出模式改为交流驱动的调制模式输出,优化设计光电探测器微弱光电信号的调理与采集系统,通过编写Labview软件对信号进行频谱分析、带通滤波、均值处理等,对激光连续输出和激光调制输出2种情况分别进行了实验测试与分析,并对比了位移测量的稳定性。实验结果表明:其测量值波动范围从7 μm减少到了2.6 μm,验证了基于激光调制方法的有效性,可以通过滤波更加有效地消除噪声,测量精度提高至3 μm以内。     

光学测试 光学系统测试与设备

TH7032006010675光学三维测量中结构光栅投影系统的开发=Developmentof structure fringe projection system for optical three-di-mensional measurement[刊,中]/樊强(上海交通大学计算机集成制造研究所.上海(200030)),姜涛…∥光电工程.—2005,32(10).—66-69为解决结构光三维测量系统中的光栅投影质量问题,提出并实现了以物理光栅为核心的结构光栅投影系统。该系统以现代光栅制造技术制造的精密光栅元件为核心,基于幻灯投影原理实现高质量的光栅条纹投影,利用步进电机带动高精度滚轴丝杆进行平移实现投影光栅的切换。实验结果表明,基…     

叠栅条纹和CCD用于位移和角度的测量

将叠栅条纹测量技术和CCD器件结合应用于角度和位移的智能测量系统,该系统利用光栅的衍射自成像现象产生虚拟光栅,与另一光栅形成叠栅条纹,并用CCD光电转换系统,测量叠栅条纹的距离,可得到两光栅间的夹角.当任意一片光栅沿垂直于栅线方向移动时,通过数出移过叠栅条纹数目,即可得到相应光栅移动的位移.本文还分析和讨论了误差来源及给实验带来的影响.     

基于莫尔信号的精密位移测量与控制的研究

应用光衍射理论分析了一种纳米级位移分辨率的双级衍射光栅测量系统,建立了衍射莫尔信号与对应位移的数学模型,并通过计算机仿真对莫尔信号的位移特性进行了研究。在此基础上构建了一套精密位移测量与控制装置,取差动零次激光莫尔信号为控制信号,由微机控制实现高精度位移检测及全自动精密定位。实验结果表明,基于激光莫尔信号的精密检测与控制装置可获得得5nm的位移分辨率及±0.4μm的定位精度。     

基于正弦和三角波条纹投影的三维测量方法

在现有的针对复杂物体表面形貌的三维测量方法中, 为了完成绝对相位的测量, 通常需要处理至少6幅条纹图像, 限制了测量速度。提出了采用2幅正弦条纹和2幅三角波条纹图来获得物体三维形貌的方法。利用两步相移正弦条纹和两步相移三角条纹得到截断相位, 再利用两步相移三角波条纹得到条纹级次, 减少了投影条纹幅数, 提高测量速度。在得到条纹级次时, 计算三角波条纹强度调制和强度对比度, 与计算相位相比, 可以减少数据处理的时间, 进一步提高测量速度, 同时能减小物体表面反射率的影响, 提高了测量精度。测量最大高度为39 mm的阶梯状标准块, 得到的最大绝对误差和最大的RMS误差分别为0.045 mm和0.041 mm。验证了该方法的有效性和实用性, 在高速实时的复杂形貌三维测量中有广泛的应用前景。     

应用时域相位解包方法的三维形貌测量系统

设计一套基于时域相位解包方法的三维形貌测量系统 ,克服了传统解包方法中的误差传播效应 ,可以应用于复杂物体表面及复杂环境下的三维形貌测量。由计算机生成光栅并通过液晶投影仪投射到待测物体表面 ,用CCD摄像机采集图像并通过图像采集卡存贮到计算机中进行处理 ,实现了测量的自动化 ,完成一次高精度的测量仅需几秒钟时间。用两个特殊的人头像完成的实验证明了系统的优越性     

台阶状面形的投影栅线法测量技术

采用光栅投影式三维轮廓术测量物体三维形貌时，当物体是台阶状物体时，物体表面的光栅条纹有阴影，导致后面的叠相还原过程无法进行。为了解决这一问题，将被测物体放在精密的旋转平台上。通过2次成像后，对2幅图像进行图像拼接，得到清晰的被光栅调制的物体图像。在图像拼接时，引入区域黑白对比度概念，区域的黑白对比度最大位置就是黑白区域的分界线。从而精确确定中间块2个边界的位置,然后进行图像拼接。最后采用双频光栅的傅里叶变换轮廓术来实现物体的三维形貌重建。结果表明：本方法简单、精度高，可以成功解决投影时具有阴影物体的三维形貌重建问题。     

一种新的基于条纹投影的三维轮廓测量系统模型

提出一种新的光栅条纹投影轮廓测量术系统模型,新模型不要求测量系统满足光心连线平行于参考面、成像系统光轴垂直于参考面以及两光轴相交于参考面上等约束条件,只需投射至参考平面的正弦光栅条纹之间相互平行,简化了系统校准过程,有利于现场测量。得到的高度相位映射关系式中,待标定的系数与像点的坐标无关,不需要对每一个像点进行采样,能够减少系统标定所需的时间。实验表明:所提方法使投影装置和成像系统的位置校准过程简单,提高了系统标定的速度,且具有较高的测量精度,能够测量复杂面形的物体,增强了光栅投影三维测量系统的实用性。