多频光栅物体高精度廓形三维测量及重建研究

针对目前实际系统中,由于噪声的存在,单频光栅逐点解相时无法获得全场相位值,导致对廓形复杂、体积小物体的重建精度低,提出多频结构光栅投影实现体积较小、形貌复杂物体的高精度重建。系统算法基于随时间序列变化改进的四步相移法对多频光栅进行解相,多频光栅解相是对每种频率的光栅单独展开相位,每种频率的光栅解相是逐点进行的,单频光栅中因噪声得到不连续的相位可通过其他频率光栅拟合修补,得到一个全场范围内连续的相位。经实验单频结构光测量体积小、形貌复杂物体的误差范围为0.1 mm～0.5 mm,而文中所提出方法精度达到了0.03 mm～0.05 mm,该方法精度提高了10倍左右。     

基于四步相移光栅投影的三维形貌测量系统

为了实现对具有明显跳变面物体的轮廓测量,建立了四步相移光栅投影的三维形貌测量系统,并对所采用的四步相移测量算法进行研究。在介绍四步相移原理的基础上以有明显跳变面的三棱锥橡皮块为例,建立针对明显跳变面的测量算法。通过对4幅相移图算术求和并除以4得到平均灰度图;将平均灰度图二值化处理定位明显跳变面或阴影部分;将二值化图像与包裹相位图卷积,而后对包裹相位图进行解包裹,从而得到正确的连续相位,最终获取物体三维形貌。根据上述算法测量三棱锥的三维形貌并计算其体积,测量实验表明:被测物的体积平均相对精度为0.47%。     

平行光波阵面调制下的双频干涉条纹形貌测量

传统形貌测量多采用光栅投影,其投影条纹的非正弦性及条纹密度的限制将影响形貌测量的精度,为了实现高密度正弦条纹投影的可调性,采用平行光干涉投影形成明亮且对比度高的正弦条纹,避免条纹的正弦畸变。在平行光波阵面调制下,通过相控阵调节两光束交会角度得到所需的条纹频率,实现条纹投影的可调性,再将调制后双频应用到解包裹中提高解相精度。对比分析了单频和双频解包裹条件下,一个最大高度为35.80 mm物体形貌的恢复,其最高点恢复相对误差分别为2.7%、1.6%。实验结果表明该方法具有有效性与可行性,具有较高的精度。     

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。     

基于条纹调制的透明物体表面缺陷检测方法

针对透明物体后表面的寄生反射对单视角下表面缺陷光学检测的干扰问题，提出了基于条纹调制的透明物体表面缺陷检测方法，以消除后表面的寄生反射。为分析透明物体对入射光通量的影响，建立了基于条纹投影的透明物体光学成像模型。该模型揭示了透明物体双表面的形貌变化可以由双形貌参数来表征，且双参数共同构成余弦分布的平均强度和对比强度。提出了一种多频时域迭代策略以估计表面的双形貌参数，通过投影多频条纹序列到待测透明物体表面，并通过数值拟合投影条纹频率和调制强度之间的余弦分布，从振幅中提取表面的双形貌参数。实验结果证明所提出的检测方法能够在消除后表面寄生反射干扰的同时准确识别和定位出透明物体的表面缺陷。     

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。     

基于同心圆光栅的远心三维测量系统

针对条纹投影术对简化系统模型、降低运算量并有效抑制误差扩散等要求,提出并构造了一种基于同心圆光栅的广义远心三维测量系统。该系统利用菲涅尔透镜与投影仪产生平行光线建立线性投影模型,降低运算复杂度,利用傅里叶变换得到经物体高度调制的初始相位信息,同时结合同心圆光栅标定技术的并行运算,通过逐点计算获取真实相位。全过程只需对一个系统参数进行标定,并且摆脱解相过程,有效抑制了误差扩散。对最大高度20 mm的物体进行形貌测量,最大误差0.23 mm,相对误差仅为1.15%。     

利用莫尔条纹测量物体三维形貌新方法研究

提出了以计算机控制光栅产生莫尔条纹来测量物体三维形貌的新方法.利用计算机控制空间光调制器（Space Light Modulator,SLM）产生可控制幅度及位相的理想光栅,将平行光波投影到待测物体上,其反射光通过参考光栅形成莫尔条纹,利用CCD接收并进行数字图像处理,恢复出待测物体的三维形貌.对此方法进行了理论分析,推导了变形莫尔条纹与待测物形貌变化的关系式.利用MATLAB对此关系式进行仿真计算,其准确度可达0.011 μm.     

基于光栅投影的轮廓测量改进方法

传统傅里叶变换轮廓方法(FTP)在测量表面突变的物体时,受物体高度变化所引起的非截断相位变化的影响,相位难以正确展开。利用双频光栅投影可以解决这一问题。在总结了传统测量方法与双频光栅测量方法的基础上,提出采用彩色复合光栅投影的测量方法。该方法只需一次采集,就能消除图像背景分量与高次分量对测量的影响,在扩大测量范围的同时可达到双频技术测量突变效果。最后,对3种方法的实际测量结果作了对比分析,证明彩色复合光栅投影方法得到的测量精度最高。     

基于多视方程的高反光物体表面三维形貌测量

双目结构光三维形貌测量技术在测量高反光物体的过程中,左右图像中对应物体表面的不同位置处出现过度曝光的现象,致使对应区域的相位数据无效.首先将投影系统作为反向相机并与双目系统共同组成多视系统,然后对物体表面的每一点进行多视系统匹配,接着通过调制度来判断每一像素对应相位的有效性,舍弃过曝光图像区域的像素以获得双视共线方程,最后由整体多视方程同时实现三维点云重建.该方法能够有效解决坐标系转换、多系统重建结果的数据冗余和融合误差等问题.实验结果表明,所提方法在500 mm×700 mm大小的视场范围内能够很好地对高反光物体进行完整的三维形貌测量.     

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.     

两步相移实现投影栅相位测量轮廓术

提出一种新的投影栅相位测量方法--两步相移法。该方法只需两幅相移条纹图，因此计算量小，速度快。给出了实验及计算结果，并同四步相移法进行了比较，证明了该方法具有较高的精度。     

免受温度影响的光纤光栅位移传感器

将一定长度、均匀周期的光纤光栅沿轴向刚性粘贴于厚度呈阶跃分布的等腰三角状悬臂梁界线附近的表面上 ,通过观测该光栅反射谱中两个峰值的间距来监测梁自由端在垂直于表面方向上的位移。实验表明该无源温漂位移线性传感装置的传感灵敏度达 9.2 4× 10 -2 nm/ mm,与理论值 9.4× 10 -2 nm/ mm非常接近。     

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.     

小波变换轮廓术在双频光栅条纹中的应用

为了解决非连续物体三维面形测量中所存在的非连续相位解包问题,采用计算机生成的两频率之比为一无理数的电子光栅作为空间载频光栅条纹投影到待测物体表面。另外结合伽博小波变换分析的相位解调原理,在一幅变形双频光栅图像中分析得到两个频率各自所对应的包络相位分布,并且应用钟金钢等所提出的双频条纹查表法进行解包得到确定的调制相位分布。提出的双频光栅-小波变换-查表相位解包法很好地解决了傅里叶变换轮廓术,以及连续相位解包法在非连续物体三维面形测量中所存在的问题。给出了详细完整的理论推导过程、计算机模拟以及实验验证,证实了该方法的可行性。     

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.     

基于自由曲面的裸眼3D显示柱透镜光栅设计

设计了一种用于裸眼3D显示屏的低串扰新型双面柱透镜光栅板,光栅板的入射面为等间距排列的与显示器子像素数量相同的凹形自由曲面光栅结构,出射面为斜置的凸形自由曲面光栅结构.根据裸眼3D显示原理和几何光学原理推导了双面光栅板的光栅单元自由曲面设计公式和光栅参数计算公式.通过MATLAB编程计算和SolidWorks软件建模得到光栅板模型.用TracePro软件对所设计的光栅板模型进行光线追迹仿真,结果表明:参数优化后的6视点斜置柱透镜双面光栅3D显示在最佳视角的图像串扰度为0.068%,与传统6视点斜置柱透镜光栅的最佳视角图像串扰度相比降低了2个数量级,并且在观看距离2 000mm~3 000mm范围内图像串扰度基本不变.     

光栅卡卷尺测长技术

本文在光栅卡尺技术和力矩电机技术的基础上，把卡尺量程扩大到２０ｍ作成卡卷尺。利用力矩电机作为卡卷尺的卷紧机构和利用力矩电机作为保证光栅编码器标尺光栅平直度的施力元件，在此基础上，发展了光栅卡卷尺测长技术。基于莫尔条纹技术的光栅卡尺测长技术与其它现有长度测量技术相比成本较低、性能可靠，其测量精度可达０．０５ｍｍ甚至更高。为克服实际应用中卡卷尺的平直度对测量精度的影响，在系统设计中使力矩电机工作在堵转状态作为保证光栅卡卷尺标尺光栅平直的施力元件，并设计了线性调节的力距电机电源。对系统的检测表明，在２０ｍ测程内测量精度为０．１ｍｍ。     

基于数字显微全息技术的相位光栅结构测量

以相位光栅为实验对象,开展了基于数字显微全息技术的相位物体三维显微结构信息的再现研究.在Mach-Zender透射式实验系统的基础上,分别采用显微物镜和无透镜放大方式,对相位光栅进行放大,以提高系统横向分辨率.在显微物镜放大系统中,菲涅耳近似数值再现算法与双波长技术相结合,抑制主要系统噪音,获得相位光栅的显微结构三维分布.在无透镜放大数字显微全息系统中,分别利用菲涅耳近似法和卷积方法再现原始物波前,并提出相减法消除系统主要球面误差,获得相位光栅的深度信息.实验结果与Veeco干涉仪测试结果比对表明,光栅周期和深度结构与干涉仪测试数据相符.     

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.