基于光栅相位法三维重构技术研究

投影光栅相位法（PMP）是一种基于光栅投影和相位测量的光学三维轮廓测量技术,可实现物体表面三维轮廓的自动测量。提出了结合投影仪移轴技术的平行光轴系统,利用计算机编程生成具有高对比度和高亮度、有相差的正弦光栅,用数字投影仪LCD将这些条纹依次投射到被测物体表面,由CCD摄像机获取受物体表面面形调制的变形光栅像,根据数字相移算法计算出相位分布再通过相位展开恢复出连续相位分布,由相位．高度关系最终求出物体轮廓的三维数据信息。针对该原理进行了阐述,并给出了详尽的算法及实验结果。通过MATLAB实验仿真,对条纹图像进行处理和轮廓重构。模拟实验证明,这种测量方法快速高效、分辨率高,且易于实现。     

基于调制度的光学三维测量的研究

为了能够测量复杂的面形物体,在基于调制度的光学三维测量研究中,提出利用改变光栅投影系统的物距,实现光栅图像对物体的纵向扫描,从而获取所测物体表面各点调制度的极大值,恢复物体的高度信息。运用此方法便于实现三维测量仪器的小型化,减少误差,可避免在相位测量中需要去包裹的问题。     

动态三维测量中图像同步高速投影与采集的原理及实现

基于结构光的动态物体三维面形测量对航空航天、能源和汽车等领域的科学研究与工程应用具有重要作用。然而现有测量设备单次测量时间过长,难以实现对动态物体三维面形的测量,其中主要的难点在于图像高速同步投影与采集。提出了一种图像精确同步高速投影与采集的方法,该方法通过实验测定出数字微镜翻转延时和触发曝光延时,设计了帧触发信号、数字微镜翻转、LED光源点亮和相机曝光之间耦合工作的精确时序,从而实现了220帧/秒图像的精确投影与采集,为动态物体三维面形测量设备的开发提供了良好的技术基础。     

基于RGB三基色的实时相位测量轮廓术

提出一种基于彩色三步相移算法和DLP Light Crafter 4500的实时相位测量轮廓术。在测量系统中,DLP Light Crafter 4500快速有序地投影MATLAB生成的三帧相移量为2π/3的R、G、B调制正弦相移光栅条纹到被测物体表面,一台与DLP Light Crafter 4500投影光栅条纹信号同步的高速黑白CMOS相机拍摄受被测物体面形调制的变形条纹。由于捕获的变形条纹间存在颜色失衡,需要采用校正算法进行校正。基于传统的三步相移技术,利用校正后的三帧变形条纹图像可以实时重建被测物体的三维形貌。     

基于双频彩色光栅投影测量不连续物体三维形貌

为减少多频条纹相移法进行三维形貌测量时的投影条纹数量,提高测量速度, 提出了采用双频四步相移彩色条纹投影技术来准确测量具有台阶状不连续或孤立物体表面三维形貌的方法。利用计算机将高低两种不同频率的正弦条纹分别输入彩色图像的红色和蓝色通道合成为彩色条纹,由数字视频投影仪将四步相移彩色条纹投影到被测物体,然后利用彩色CCD或CMOS相机采集4幅彩色条纹图并存储于计算机中。基于色彩分离技术得到8幅两种不同频率的四步相移条纹图并由图像灰度算法获得1幅反映背景的灰度图像;由低频条纹确定台阶状的物体边缘,高频条纹计算物体的形貌,并通过背景图像的二值化定位阴影和不连续区域。提出的方法仅用4幅彩色图像完成了台阶状不连续或孤立物体三维形貌的准确测量。与现有的多频4步相移条纹投影形貌测量技术需要8~12幅图像相比,该方法有效地减少了条纹投影与图像采集的数量。     

采用光栅相位法的三维人体测量系统设计

依据相移法开发出便携式三维人体扫描仪,用于实现快速三维人体重建.阐述了光栅相位法测量三维物体的工作机理.设计出光学投影系统、相移装置及图像采集与处理模块实现人体三维测量功能.利用单片机C8051 F340搭建硬件控制平台并开发了相应的控制软件,利用VC++编制上位机程序控制三维测量系统,完成三维人体光栅图像获取及图像处理.人体模型测量实验表明:所设计的三维人体测量仪可在100ms内获取4幅变形光栅图像,经解相处理生成三维点云,通过曲面重构获取完整人体模型.测量仪具有接口方便、体积小、操作方便、测量速度快、精度高的优点,满足快速获取三维人体信息及模型重建的要求.     

机械零件三维形貌的光栅投影测量系统

建立了一种基于虚拟复合光栅的三维形貌测量系统 ,利用两种频率光栅的合成投影 ,实现物体表面突变部分的测量。测量系统适用于机械零件的三维形貌检测 ,并且得到令人满意的测量结果。     

近景摄影测量在三维数据采集中的应用

工业产品的三维数据检测常常使用光栅投影扫描设备获得被测物体精确的表面尺寸.由于其照片拼合依据非编码点三点定位原理,因而在测量大尺寸物体表面时,具有较大的累计误差.通过近景摄影测量方法构建三维测量的非编码点群,是提高三维测量精度的一种有效手段.阐述了近景摄影测量的原理及方法,提出了利用多摄站近景摄影测量结合光栅投影扫描的方法实现大尺寸物体精确测量.以汽车外表面测量为例,通过采用单独使用光栅投影扫描设备与近景摄影测量结合光栅投影扫描两种不同的方法,对大尺寸物体表面测量的结果进行对比,其结果表明,使用近景摄影测量方法不仅提高了扫描效率,而且大幅度提高了大尺寸物体的扫描精度.     

采用准正弦投影光场的三维面形测量系统

本文提出一种直接由罗奇光栅离焦产生准正弦投影光场,进而采用离散相移技术对观察光场解调,实现三维面形测量的方法。研究了准正弦光场随离焦量的变化规律,离散相移次数与测量精度的关系,建立了一个微型计算机三维面形测量系统,给出了该系统对实物模型的测量结果。     

获取物体三维形状的一种方法

本文提出了利用M系列编码光栅投影获取物体的三维形状的新方法。通过实验证明了本方法的有效性。本方法只需要两张图像,能够快速地获取物体形状。     

双目CCD结构光三维测量系统中的立体匹配

在立体视觉中,比较了几种常见立体匹配方法,并针对存在的问题,提出了多种方法融于一体的高效立体匹配方法.首先将计算机构造的用于解相的光栅由投影仪投射到物体上,再将计算机构造的一系列黑白相间的编码光栅也由投影仪投射到物体上;然后将畸变栅线图像由摄像机采集到计算机中,用解相光栅进行解相得到折叠在[-π,π]区间内的相主值,用所述结构光编码方法进行相展开得到相位的周期,二者相加得到真实相位值.利用插值算法将具有相同相位的点拟合成连续曲线,从而实现了两幅CCD图像相同相位曲线的匹配,再根据外极约束条件,得到两幅图像点的匹配.在反向工程中,用该方法对电话接线筒进行三维测量,实验验证了该方法进行立体匹配的高效性和准确性.     

余弦变换三维物体轮廓术的改进

利用余弦变换获取三维物体面形的技术已得到了应用。但该技术在测量高度梯度 (垂直光栅方向 )变化率较大的物体时会产生误差 ,高度梯度变化率大到某一值时 ,将不再合适。为此采用余弦光栅能较好地解决这一问题 ,它可将测量范围扩大到原来的 3倍。从理论上证明了将物体高度变化率大的一面朝光栅放置 ,可以进一步拓宽余弦变换法的测量范围 ,以文中的系统为例 ,其扩大倍数可达到原来的 5 7倍 ,远大于 3倍     

Hard x-ray phase contrast imaging using single absorption grating and hybrid semiconductor pixel detector

A method for x-ray phase contrast imaging is introduced in which only one absorption grating and a microfocus x-ray source in a tabletop setup are used. The method is based on precise subpixel position determination of the x-ray pattern projected by the grating directly from the pattern image. For retrieval of the phase gradient and absorption image (both images obtained from one exposure), it is necessary to measure only one projection of the investigated object. Thus, our method is greatly simplified compared with the phase-stepping method and our method can significantly reduce the time-consuming scanning and possibly the unnecessary dose. Furthermore, the technique works with a fully polychromatic spectrum and gives ample variability in object magnification. Consequently, the approach can open the way to further widespread application of phase contrast imaging, e.g., into clinical practice. The experimental results on a simple testing object as well as on complex biological samples are presented.     

基于空间编码投影法测量三维大物体面形

三维图像拼接技术是实现大型物体形貌测量的关键技术。本文在图像控制点约束的基础上,提出了一种实现三维图像拼接的新方法,即将一伪随机空间编码投射到一大型物体表面,然后用CCD在不同视角拍摄不同视场中的物体,利用重叠区域相同的某一窗口特征点进行配准,采用四元组法求取坐标转换矩阵,从而实现大范围自由曲面三维形貌的测量。实验结果表明：基于空间编码的图像拼接新方法,可以实现大尺度三维面形的测量。     

微机电系统静动态测试技术研究

在中国国家863高技术发展计划MEMS重大专项课题《MEMS动态特性频闪干涉视觉三维测量技术及系统》资助下，研发微机电系统(Micro Electro Mechanical System , MEMS)动态特性三维测量技术与系统。对已有的微几何量、微材料力学性能和MEMS动态参数测试方法进行研讨。 几何尺寸和表面形貌轮廓的测量是MEMS测量的基础。二维微几何量检测采用普通光学显微镜和扫描电子显微镜。表面形貌测量大致可分为接触式测量和非接触式测量，机械触针式轮廓仪是典型的接触式测量仪器，非接触式测量大多采用光学技术，主要有光针式轮廓仪，采用光切、干涉、投影光栅和微视觉等测量方法。     

消像差光栅的理论及实验研究

对消像差光栅进行了理论和实验研究。用光程函数和费马原理研究光栅的成像,用刻槽分布函数表示光栅的刻槽曲率及间距变化。对成像的理论分析表明光栅刻槽分布函数比刻槽间距更容易表达像差,给出了消像差光栅的表达形式。比较了SD、WFA、LPF等光栅的参数优化方法。探讨了消像差光栅密度的干涉测量法,设计了光路,对光栅密度进行了测量。     

基于DLP数字微镜的结构光三维扫描系统

为了提高现代化生产中的效率和满足三维扫描的需求,设计了一种能够准确提取物件表面三维轮廓信息的扫描系统。系统采用结构光三维成像方法,先通过普通白光将光栅投影到被测物体表面,利用工业相机采集变形光栅图,再根据变形光栅图像中的灰度值变化,用傅里叶变换轮廓法解调出三维坐标信息。实验结果表明,使用傅里叶变换轮廓法重构可获得效果理想的三维点云,其为三维轮廓扫描提供了实验方法,同时也为提高点云精度提供参考。     

用于1 m Seya-Namioka单色仪的 1 200 lp/mm Laminar光栅

针对国家同步辐射实验室燃烧与火焰实验站中1 m Seya-Namioka 单色仪对光栅的需求,采用全息离子束刻蚀工艺制作了1 200 lp/mm Laminar光栅。首先,通过光刻胶灰化技术调节光刻胶光栅掩模占空比,在理论设计的误差允许范围内,对此光栅掩模进行扫描离子束刻蚀;然后,将光栅图形转移到光栅基底中去除残余光刻胶;最后,采用离子束溅射法镀制厚约40 nm的金反射膜,采用热蒸发法镀制厚约60 nm的铝反射膜。用原子力显微镜分析光栅微结构,结果显示光栅槽深为40 nm,占空比为0.45。同步辐射在线波长扫描测试结果表明,镀铝光栅效率明显高于镀金光栅,获得的实验结果与理论计算结果基本符合。镀金光栅已替代进口光栅在线使用3 年,其寿命大大超过复制光栅,基本满足了燃烧实验站的实验研究需求。     

真空紫外闪耀硅光栅的制作

摘 要：本文基于单晶硅在KOH溶液中的各向异性刻蚀的特性,在相对于Si（111）面偏向切割5度的单晶片上制作1200线/毫米的闪耀光栅。工艺上结合全息干涉以及光刻胶灰化技术,得到小占宽比、平滑且干净的光刻胶掩模,用湿法刻蚀将光栅图形转移到硅单晶表面的天然氧化层上,并将其作为硅各向异性刻蚀的掩模,成功获得接近于理想槽形的锯齿形闪耀光栅。经过原子力显微镜对闪耀面进行分析,表面均方根粗糙度约为0.2nm,这对光栅在短波光学上的应用显得尤为重要。经过真空紫外波段的效率测量,发现光栅在135nm波长处显示出良好的闪耀特性。此方法可以应用于极紫外和软X射线波段的光栅制作上,在获得较高的槽形效率的同时,可以大大减少其制作难度及成本。