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。     

一种制作投影灰度正弦光栅的新方法

针对传统方法难以制作结构光三维投影测量设备的灰度正弦光栅元件,并以Ronchi光栅代替从而影响测量准确度,提出了一种制作灰度按正弦分布的光栅模板的新方法.通过对银盐全息干板透过率特性曲线的理论分析,指出在对比度为一的正弦干涉条纹下曝光不能得到线性记录和变换的原因,并提出了采用均匀非相干光预曝光提供偏置点来实现线性记录的新方法.实验表明,采用空间滤波法能够获得对称双光束正弦干涉条纹记录,并准确控制正弦干涉条纹曝光在干板的线性区域,可以达到线性记录并获得尽可能高的反衬度.     

一种制作投影灰度正弦光栅的新方法

针对传统方法难以制作结构光三维投影测量设备的灰度正弦光栅元件,并以Ronchi光栅代替从而影响测量准确度,提出了一种制作灰度按正弦分布的光栅模板的新方法.通过对银盐全息干板透过率特性曲线的理论分析,指出在对比度为一的正弦干涉条纹下曝光不能得到线性记录和变换的原因,并提出了采用均匀非相干光预曝光提供偏置点来实现线性记录的新方法.实验表明,采用空间滤波法能够获得对称双光束正弦干涉条纹记录,并准确控制正弦干涉条纹曝光在干板的线性区域,可以达到线性记录并获得尽可能高的反衬度.     

用于面形测量的光纤投影器相移和频移特性

提出了一种光纤投影器产生相移和频移的方法,给出了光纤投影器相移和频移特性的理论与实验相一致的结果。光纤投影器利用双光束干涉产生正弦调制的结构光场,通过在一路光中引入压电陶瓷PZT,调节PZT的驱动电压来改变双光纤中光波的光程差,从而使干涉条纹产生相移,得到相移随驱动电压的变化曲线;频移是采用移动光纤投影器到接收屏距离的方法来改变干涉光场的空间频率,给出了变频条纹的傅里叶频谱,得到干涉光场的相对空间频率,将其与理论值相比较,给出二者之间的线性关系曲线,从而证明了干涉光场相对空间频率与投影器到接收屏距离成反比的关系。     

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。     

基于条纹对比度和背景光校准的正交复合光三维测量方法

提出了一种对条纹对比度和背景光进行校准的正交复合光三维测量方法。从参考平面的复合光栅像中解调获得各帧相移正弦条纹,通过频域滤波的方法获取条纹的零频和基频分量,计算出各帧相移正弦条纹相对第一帧正弦条纹的对比度和背景光比例系数,并以此系数对实物测量时解调出来的各帧变形条纹对比度和背景光进行校准,建立了新的三维测量数学模型。实验证明该方法能降低传统正交复合光三维测量方法中的解相误差,提高系统的测量精度。     

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.     

基于结构光的光线追迹与波前重建方法

提出一种基于结构光条纹成像的光线追迹和波前重建方法.以结构光条纹相位为信息载体,采用相移技术精确地测量结构光条纹成像过程中相位的变化,实现高分辨的光线追迹,得到点列图.由于光线传播方向与波前垂直,凶此可以实现波前重建.将一个液晶显示器(LCD)置于点光源后,显示正弦灰度调制光栅图样以产生标准条纹光束.条纹光束通过被测光学元件后,发生变形.CCD记录下变形条纹图样,根据相移技术进行处理,计算后完成测量.由于调制光栅图样是由计算机产生的,所以光栅的周期和方向可以灵活设置,并可以实现精确的相移.实验验证了该方法的可行性.     

模板法测量图像传感器调制传递函数方法研究

在干涉条纹投射法测量的基础上，提出了利用正弦模板法测量图像传感器调制传递函数的新方法.通过将一定空间频率的正弦模板直接投射在图像传感器上，获得了同频率光强呈正弦分布的图像，通过计算求出图像传感器的调制传递函数.讨论了其具体实现方法，并用空间频率为50l/mm的计量光栅做了近似实验，采用了相应的数据处理方法，获得了较为满意的调制传递系数.     

An optimisation design of adaptive illumination for a multi-reflective 3D scene

An illumination optimisation technique applied to multi-reflective 3-D machine vision based on a projector-camera system is introduced, in which the projector plays a key role to compensate for surface reflectance at each pixel to be inversely proportional to the brightness of the pixel under ambient light. The adaptive illumination technology was achieved by iterations emphasising different illumination intensities according to different surface orientations and requiring an accurate correspondence between the projector pixels and the camera pixels. In order to establish the most effective correspondence to prepare for subsequent adaptive illumination, 4 kinds of grating patterns, including sinusoidal, rectangular, triangular, and dual-frequency sinusoidal grating patterns, were projected and compared. The iterations were halted when an optimally lit scene was obtained; the further experiments under weak and strong light searched for the best method of illumination optimisation and confirmed the reliability of the adaptive illumination. The proposed optimisation design could run in real time and became a viable solution for industry.     

中波红外景象投影光学系统消热差设计

针对红外成像系统性能测试与评估的应用需求,设计了一套基于数字微镜器件的消热差的中波红外景象投影光学系统.探讨了红外视景仿真用投影光学系统的像差特性和设计方法,并对投影系统的无热化进行了分析.采用分光板和补偿板方案,解决了大相对孔径条件下投影系统的远心照明分光和像差平衡问题,提高了分辨率和均匀性,增大了视场.系统由远心投...     

Research on DMD infrared scene projector with a high contrast ratio infrared prism design

In this paper a single-DMD infrared scene projector with a high contrast ratio prism design of the illumination optical system is presented. By using the innovative infrared three-element TIR prism group, the off-state and flat-state light that reflected by the DMD could be all steered away from the projection lens. The contrast ratio and optical efficiency has been improved with this three-element TIR prism as the light-separator. This DMD infrared scene projector also features low-profile and compact structure. The illumination and projection optical systems are proved to be of great efficient light utilization. In this letter we analyze the impacts of optical efficiency on temperature simulation. This architecture with three-element TIR prism added could be used in IRSP based single-DMD to improve contrast and optical efficiency.     

一种实现大功率LED均匀照明的投射器设计

以特定区域的均匀照明为目标,设计一种以单粒LED为光源的均匀投射系统。根据LED的发光特性以及能量守恒定律选择采用折射 全反射(TIR)光学系统,通过建立TIR折射面及全反射面轮廓曲线上的点所满足的常微分方程,利用Runge Kutta求解常微分方程得到轮廓曲线上点的坐标,再在UG中对坐标点进行曲线拟合得到轮廓曲线,进而得到TIR模型及适合数控加工的面形数据。将TIR模型导入Tracepro并对投射系统追迹光线。模拟结果表明：目标平面的光照均匀度达到92.6%,系统的效率达到91.8%。     

一种基于同步多曲面方法的LED定向照明设计

提出了一种对大功率LED出射光实现定向控制的投射器设计方法。根据LED的出射光分布以及预定的光分布范围选用折射-全反射(TIR)光学系统。首先利用光学扩展量守恒以及同步多曲面方法求得TIR各折射面和全反射面轮廓曲线上点的坐标,然后再在UG中对坐标点进行曲线拟合得到轮廓曲线,进而得到TIR模型及适合数控加工的面形数据。结果表明:用该种方法设计的投射系统结构紧凑、光能传输效率高;能有效地实现对LED出射光的收集和定向控制;有助于LED的应用和照明系统的后续设计。     

激光显示照明光路中复眼透镜的设计

设计激光投影机光学系统需要从如何减小光学系统的体积和提高激光光源的光效两个方面考虑。研究了激光显示照明系统中的复眼透镜,并对设计的复眼小透镜矩形单元进行了优化,发现在复眼透镜整体尺寸和单颗复眼小透镜焦距一定的情况下,整个复眼透镜上的阵列越多,即复眼透镜上蜂窝的数量越多,其匀光效果就越好,且此时投影机系统的体积也较小。为了提高激光光源的光效,设计中对复眼透镜在不同数值孔径照明光束下的匀光效果进行了讨论。并对优化设计后的复眼透镜进行40 000条光线追迹,实验显示其光线透过率可以达到92.5%,且几乎无杂散光。     

结构光三维成像系统的计算机仿真

基于相位测量轮廓术和摄像机模型,提出一种结构照明三维成像系统的高精度计算机仿真算法。对于给定的物体三维模型,首先根据系统结构,采用Z缓冲技术消除遮挡和阴影部分,得到与摄像机像素点对应的物体表面采样点三维坐标,再使用统一的数学模型和方法处理投影过程。根据摄像机及投影仪的内、外参数,最终得到了摄像机像素点、物体表面采样点和投影仪像素坐标三者之间的对应关系,从而实现了结构照明三维成像系统仿真。为实际系统的结构设计、调整和参数校正提供了参考。     

激光显示照明光路中复眼透镜的设计

设计激光投影机光学系统需要从如何减小光学系统的体积和提高激光光源的光效两个方面考虑。研究了激光显示照明系统中的复眼透镜,并对设计的复眼小透镜矩形单元进行了优化,发现在复眼透镜整体尺寸和单颗复眼小透镜焦距一定的情况下,整个复眼透镜上的阵列越多,即复眼透镜上蜂窝的数量越多,其匀光效果就越好,且此时投影机系统的体积也较小。为了提高激光光源的光效,设计中对复眼透镜在不同数值孔径照明光束下的匀光效果进行了讨论。并对优化设计后的复眼透镜进行40 000条光线追迹,实验显示其光线透过率可以达到92.5%,且几乎无杂散光。     

复眼透镜提高液晶投影照明系统的能量利用率

照明系统是液晶投影仪的重要组成部分．它将直接影响到投影仪的光能利用率以及色彩等系统性能。对于复眼照明系统,复眼透镜的良好设计可以大人提高系统的能量利用率。在对液晶投影照明系统的原理进行分析的基础上,提出了两种复眼透镜的设计方案。两种方案均采用矩形子复眼,便于设计和加工。通过对复眼透镜中每个子复眼进行偏心以及改变其形状大小来提高系统能量利用率。计算机模拟结果表明,两种设计方案与传统设汁相比,在光能利用率上分别提高了16．5％和26．3%,并且具有较高的均匀性。最后,还对两种复眼透镜的设计方案进行了分析和比较。     

便携式投影仪投影物镜设计

针对当前投影仪光源功耗大,光投影稳定性差,系统结构大的缺点,利用Zemax软件,设计出了一款大视场,短焦距,结构紧凑,适用于便携式投影仪的投影物镜系统。经过优化处理,最终获得的结构具有良好的成像质量,在空间频率为80 lp/mm处中心视场MTF≥0.7,0.8视场MTF≥0.6,边缘视场处MTF≥0.48,畸变小于3%,满足给出的设计指标。并且在规定和要求的像元尺寸范围内能量集中度大于85%,照度曲线0.8倍视场以内整体高于90%,能量集中度高,照度均匀性好,与便携式投影仪能很好地搭配使用。