基于校正多相位快速傅里叶变换算法的叠栅条纹相位差测量

叠栅条纹相位差测量是光栅位移测量中的关键技术,在两块光栅相对运动过程中,叠栅条纹信号的频率会因光栅夹角误差的存在而发生偏移,采用传统多相位快速傅里叶变换(MPFFT)算法计算任意时刻叠栅条纹相位值会产生测量误差,导致相位差测量不准确。为了减少频偏所产生的相位测量误差,提出了一种校正MPFFT相位测量算法,推导出了基于相位差校正法的MPFFT谱校正模型。仿真结果表明,在无噪声情况下,当光栅夹角误差为0.1°时,信号的最大频率偏移量约为4.19kHz,传统MPFFT相位测量误差大于100°,经相位校正后,相位测量误差小于0.2°,相位差测量误差小于0.004°;在高斯噪声和谐波干扰情况下,相位差测量误差小于0.2°,当取栅距为20μm时,相位差测量误差所产生的位移测量误差小于0.0111μm,为光栅位移纳米级测量提供了参考。     

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。     

基于压电陶瓷的光相位调制器的调制系数测量及验证

实现了一种快速简单有效的测量基于压电陶瓷(PZT)的光相位调制器相位调制系数的方法。利用光纤马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪输出光强度与两臂相位差的函数关系,通过3×3解调算法可以计算基于PZT的光相位调制器的相位调制系数。实验中在M-Z干涉仪另一臂加上一个基于PZT的相位调制器以减小系统噪声的影响,并在相位生成载波(PGC)解调实验中作为干扰源。最后通过PGC解调方案解调出了3×3耦合器的第一路输出信号中的干扰信号,实验验证了所测量的结果,表明该方法是行之有效的。     

二帧变换光源阴影莫尔技术研究

为了快速测量物体表面三维轮廓,提出一种变换光源位置的相移阴影莫尔技术.该方法通过控制两个光源的亮灭,将相移引入测量视场.使用二维经验模式分解法对条纹图进行正则化,结合螺旋相位变换方法和二帧相移算法对测量高度进行估计,利用发展的迭代自调算法提取精确测量相位.计算机仿真和光学实验结果表明,该方法的解调准确度优于现有的二帧相移解调算法,同时,由于消除了测量过程中必要的机械运动,只需要二帧条纹图进行相位解调,节约了测量时间.     

基于并行小波变换的快速三维面形测量技术

为了提高小波变换三维面形测量技术中相位信息的解调速度,依据不同的并行计算原理,提出两种基于并行一维连续小波变换的光学条纹图快速解调方法。利用多核CPU运算平台进行了计算机模拟和实验,结果表明并行一维连续小波变换光学条纹图相位解调方法相比于串行一维连续小波变换光学条纹图相位解调方法,在精度不变的同时计算速度显著提高:对850pixel×1000pixel大小实测条纹图像解调速度提高了7.5倍。并行一维连续小波变换相位解调方法为小波变换三维面形测量技术在实时/瞬态过程三维面形测量中的应用奠定了基础。     

嵌入式三维数字成像系统

提出一种基于数字信号处理器(DSP)的嵌入式三维数字成像系统设计方案。该方案的硬件平台由条纹投影模块、数据采集模块、条纹自动分析模块及储存器等其他辅助电路组成。条纹投影模块将DSP输出的正弦光栅条纹, 经视频编码后用DLP投射到物体表面; 数据采集模块通过CCD相机采集被物体表面三维信息调制后的变形条纹图, 并进行视频解码; 条纹自动分析模块中利用相移算法计算折叠相位, 再结合相位展开算法求绝对相位分布。系统软件采用多线程技术并行控制三个模块。在相位解调过程中以软件流水线为主综合运用了循环展开、数据预取和内联函数等多种方法优化解调程序。实验结果表明, 该系统可以高速、准确地实现三维轮廓测量,优化后相位展开程序速度是优化前的7倍。     

相移阴影莫尔条纹正交化解调技术

提出一种基于克莱姆正则化分析法的三帧自标定相移阴影莫尔三维轮廓技术.该技术首先采用移动光栅的方法获得相移条纹图,然后通过不同帧相移条纹图相减去除条纹图背景,进而结合克莱姆正交化法和最小二乘法,发展了一种相位解调方法,提取了测量相位.以五步Harlharan算法为参考,用不同算法对同一物体表面进行测量.结果表明,相对于典型的三步相移法和主量分析方法,提出的方法测量得到的相位误差最小(0.5rad),且简化了测量过程.     

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.     

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。     

一种新的单幅条纹图的相位解调方法

基于非载波条纹图的条纹灰度分布的极值准确定位,提出了一种新的由单幅条纹图解调相位方法.该方法首先准确定位每个条纹灰度的极值包括最大和最小,再基于极值图将条纹的强度值分布线性地变换到-1和1之间,最后利用arcos反余弦取代传统的atan2反正切算法求出相位,结合极值图就能快速准确地解调出含有封闭条纹的条纹图相位.本方法仅用一幅条纹图,不需要传统的条纹定级和对分数级条纹插值与拟合,自动判别条纹相位变化的波谷,准确获得条纹相位分布.这一方法使光测法研究动态和瞬态问题成为可能,而不需引入载波法调制条纹.文中通过实例说明了本方法的处理过程.     

High-speed fringe analysis by using stair-shaped virtual grating demodulation

This article describes a novel fringe analysis technique using stair-shaped virtual grating demodulation algorithm for extracting the phase information from a single fringe pattern. In contrast to the Fourier transform technique and quadrature multiplicative moire method, the new method processes a fringe pattern in the integer signal domain instead of the frequency domain and real-signal domain. The spatial carrier of fringe image is not limited to any particular frequency as long as it fulfills the sampling theorem. The errors analysis of this technique is conducted by computer simulation and experiments.     

双计算机光栅莫尔拓扑术

提出了利用双计算机光栅实现莫尔拓扑检测的方法.理论分析表明,投影光栅核的横向偏导数为常数是实现灵敏度均匀性检测的必要条件.适当设计光栅核,就可用等间距直条纹来表征标准面形.被测实物面形的缺陷就可通过莫尔条纹相对于背景直条纹的偏移而定量且直观地反应出来.最后,以轮胎镜为例进行了计算机模拟和实验验证.     

应用于增量式光电编码器的相关自适应滤波方法

为了改善增量式光电编码器的莫尔条纹光电信号质量,降低主计数信号中高次谐频的影响,提高信噪比达到输出稳定的正弦波形,本文深入地研究了莫尔条纹光电信号中的高频信号和噪音信号产生的原因及其相关自适应滤除方法,从宏观和微观两个方案分析光栅副的屏函数,研究莫尔条纹光电信号输出波形的不确定原因,并且提出采用相关自适应滤波方法将高频...     

光栅计量装置中离焦误差的控制

探讨光栅成像式莫尔条纹计量装置中离焦误差的影响，提出用莫尔条纹方向的稳定性来提高光栅定位精度的方法。     

用阴影莫尔条纹偏折术测量反射表面角位移

介绍一种阴影莫尔条纹偏折术。利用光栅自成象面的倾斜引起莫尔条纹方向变化来测量反射表面的角位移。     

用人字形光栅检验校正光束准直性

分析人字形光栅副莫尔条纹的特点，研究了一种用莫尔偏折术检校光束准直性的改进方法，利用双场莫尔条纹方向平行性进行判定，此法使用方便且精度可提高一倍以上。     

应用于增量式光电编码器的相关自适应滤波方法

为了改善增量式光电编码器的莫尔条纹光电信号质量,降低主计数信号中高次谐频的影响,提高信噪比达到输出稳定的正弦波形,本文深入地研究了莫尔条纹光电信号中的高频信号和噪音信号产生的原因及其相关自适应滤除方法.从宏观和微观两个方案分析光栅副的屏函数,研究莫尔条纹光电信号输出波形的不确定原因,并且提出采用相关自适应滤波方法将高频信号滤除保留原有基频信号.从相关自适应滤波的数学模型论证和推导该相关自适应滤波过程并讨论其自适应性.指出在设计该自适应滤波电路时需要重视的几个关键指标及其影响效果,完成相关自适应滤波的有效性分析.相关自适应滤波效果等价于一个中心频率为基频的窄带带通滤波器,当基频随机变化时其通带也会随之改变.通过相关自适应滤波技术较好地滤除计数信号中除基频外所有高频分量和放大电路所引入的加性高斯白噪音.实验证明：莫尔条纹光电信号的失真度被降低8倍相关自适应滤波方法能使莫尔条纹光电输出波形趋近于标准正弦波,获得更高的信噪比.     

纵向莫尔条纹在自准直仪中的应用

为了提高自准直仪的分辨力,将纵向莫尔条纹引入到光路中,用长光栅代替传统单狭缝,将长光栅成像在CCD检测器上,CCD作为标尺光栅,通过两个光栅叠加形成的莫尔条纹的变化可以将成像位移分辨率提高到亚像元,进而将自准直仪的角度分辨率提高到毫秒级.实验结果表明,相对于直接检测狭缝边缘的方法,莫尔条纹法的分辨力提高了25倍.     

Smoothing of speckle and moire fringes by computer processing

Moire and speckle pattern fringes are usually readily identifiable by eye: when the intensity of such a pattern is digitised and fed into a computer, it is by no means easy to identify the fringe positions because of the presence of optical noise in the fringe patterns. Three techniques for digital smoothing of such fringe patterns are discussed here.     

基于莫尔条纹的测距实验装置设计

设计了以莫尔条纹为基础的距离测量实验装置;分别做了莫尔条纹栅距B与两光栅夹角口的关系实验和两光栅相对移动距离d与莫尔条纹明暗变化次数N的关系实验,并将实验中的数据与理论值相比较,从而确定该实验装置的可行性。