全视场外差干涉三维测量系统

结构光三维测量技术具有快速、无损接触、重复性好等特点,被广泛应用在模具检测及工程制造中,但传统投影式结构具有离焦模糊的缺点。本文采用全视场外差干涉的原理,使用高精度声光移频外差干涉条纹代替传统光栅投影中的编码条纹,与传统工业相机结合使用便可获取快速的全视场三维数据。根据对系统参数的建模计算,设计加工了外差干涉三维测量仪,联合使用电动平台及棋盘格标定板来获取该系统的相位高度映射模型,最后对标准陶瓷台阶进行了测量。实验结果复现了原物体的三维形貌及高度信息,在30°的观测角下系统的高度分辨率为22μm,视场内的空间分辨率优于58μm,测量标准陶瓷平板,高度误差为75μm。该方法具有检测速度快、体积紧凑、抗环境干扰性强等特点。     

混频对全视场外差动态干涉仪测量精度的影响

全视场外差动态干涉仪在面形测量方面具有测量精度高、抗干扰能力强等优点,适合用于长焦距面形的动态干涉测量以及大口径光学元件的测量。但是干涉仪系统内部光学元件性能不理想以及元件装配存在误差等,会在干涉光路中引入频率混叠,影响干涉仪的测量精度。为了分析混频对全视场外差动态干涉仪测量精度的影响,从混频产生的原因出发,建立了由混频引入的测量误差的理论模型,分析了混频程度对测量精度的影响,分析结果表明,测量误差与混频程度呈非线性正相关,混频会造成测量面形结果上叠加一个和干涉条纹相同频率的周期性误差。搭建了全视场外差动态干涉测量实验系统,验证了不同混频程度对面形测量精度的影响,当混频程度为0.029时,面形测量误差为0.053λ;当混频程度为0.120时,面形测量误差为0.110λ,与仿真分析结果吻合。本文的研究对研制高精度全视场外差动态干涉仪具有实际意义。     

变间隔法实现三维形貌测量

随着生产的发展,对许多工件提出了测量三维形貌的要求。本文提出了在较大光点间隔下实现小采样间隔三维形貌测量的方法。该方法可不改变测量系统光学结构,通过外加简单的装置改变光点间隔,从而实现小采样间隔的三维形貌测量。论文给出了相应的数学模型、测量步骤,并进行了误差分析。     

基于多频外差原理的三维测量技术

提出了一种基于外差原理的三维测量技术,该技术由相位移法、外差原理和双目立体视觉3部分组成。相位移法和外差原理相结合能够自动完成相位展开,同时保持相移法原有的相位求解精度;然后根据相位展开后的相位图,使用双目立体视觉原理自动完成左、右对应点的立体匹配和被测物体的点云重构。利用基于多频外差原理的三维测量技术建立了一套三维测量系统,该系统由2个CCD摄像机和1个DLP投影仪组成。利用上述系统对人脸模型进行测量试验,测量结果表明该系统能够完成复杂自由曲面的测量,测量数据完整可靠。     

外视场拼接测量技术及其实现

由于单台高速摄像机无法满足高速测量领域对大视场、高帧频、高分辨力和高数据量处理的要求,本文对通过外视场拼接来实现大视场角目标测量的技术进行了研究。在分析和比较各种拼接方式的基础上,提出了由4个测量相机的外视场拼接实现大视场测量的系统方案。4台测量相机以"田"字型配置在跟踪架水平轴两端,拼接后在视场上实现了"一"字型大视场测量。采用提出的方案,设计和研制了外视场拼接测量系统样机。采用视场角为10°的镜头进行视场拼接,实际拼接后最大视场为40°(方位)×10°(高低);视差为360mm时,目标距摄像机大于247m无盲区,可以拍摄到完整的图像。     

光学相干层析技术在光学表面间距测量中的应用

搭建了适于镜头中光学表面间距测量的实验装置,用于非接触高精度测量镜面间距.该装置以光纤型时域光学相干层析系统为基础,通过光学表面的层析成像精确测量其相对位置.对样品扫描装置进行了改进,利用高精度导轨移动光纤准直器来移动成像范围,实现对不同深度光学表面的层析成像.利用实验测量系统完成了对空气间隙样品及已装调好镜头的光学表面间距的测量,其中空气间隙样品的测量值为6.026mm,用游标卡尺得到的对比测量值为6.02mm;对镜头关键参数空气间隙的测量值为10.750mm,其设计值为(10.7±0.03)mm.实验系统误差为3.871μm,测量灵敏度为10.5μm.结果显示该方法具有非接触、高精度、高灵敏度的特点.     

用激光外差技术高精度测量目标速度

搭建了外差探测实验平台,分别选用漫反射目标及类简谐运动模型作匀转速运动及变速运动的测量目标,应用激光外差探测技术实现了对匀转速运动及变速运动物体的速度测量.在匀转速测量过程中,同时采用外差探测法和振幅调制法测量了漫反射目标正负两个方向转动的速度,共得到133组不同的转速结果.通过调整实验系统,亦实现了对类简谐运动目标的...     

非接触式表面微观形貌光学测量技术的进展

本文简述非接触表面微观形貌测量技术的发展概况,并对几种新型干涉测量仪器的工作原理和作了简单介绍。     

曲面小构件变形状态的全场检测问题研究

针对传统方法难以测量曲面小构件非均匀变形的问题,比如受力时发生变形失稳的镍钛形状记忆合金微管,提出了显微成像法和三维形扫描法.它们以非接触和全场的方式追踪构件在不同变形状态下表面标记点的位置,从而获取位移数据,并通过固体力学中经典的几何方程计算得到应变结果.实验证明了所提出方法的易操作性和可靠性,还得到了对于相变材料的力学问题的研究具有重要意义的结果.     

基于外差检测原理的绝对测距性能理论研究

基于双光学频率梳外差原理测距将长模糊距离、高精度和高更新率3个关键测距特性完美结合,使测量性能能够满足航空航天、科学研究和工业生产等众多领域的需求。然而所使用的双光学频率梳的脉冲时域宽度、重复频率及相对差值、脉冲的固有时间抖动等特性都将会影响测距的性能。对基于双光学频率梳外差原理测距进行了全面的理论分析,并数值模拟了数据脉冲宽度、双光学频率梳重复频率差、啁啾参量、定时噪声、脉冲类型等各因素对测距性能的影响。模拟结果在数值上验证了奈奎斯特采样定律对测距精度的显著影响,表明实验中数据脉冲宽度和重频差的选择应严格满足奈奎斯特采样定律;当飞秒脉冲序列存在一定的时间抖动时,重频差越小,测距性能越差;而脉冲的啁啾特性可转化为脉冲宽度的影响,随着啁啾的增大脉冲宽度被压窄,奈奎斯特采样频率对应的重频差临界值也会变小。通过上述数值分析,为研究人员在特定实验条件下优化测距性能提供了重要指导。     

基于多频外差相移结构光的三维测量系统

基于相位投影和双目视觉的三维光学测量系统已经广泛应用于各领域。系统通过平板标定技术得到摄像机的内参和外参;针对格雷码与相移结合技术在测量物体边缘位置解相位误差大的问题,采用多频外差原理的测量方式,使用拟合负指数求解像素点的绝对相位,使用对极几何进行亚像素立体匹配。实验证明:该系统可以完成复杂面型测量并且获得高精度点云数据,测量标准偏差为0.03 mm。     

四自由度同步外差干涉测量系统设计

针对多自由度测量技术中存在的测量范围有限、精度低和阿贝误差等问题,设计了一种大行程、高精度、可溯源、四自由度同时测量的外差干涉测量系统。采用碘稳频532 nm固体激光器作为测量仪光源,结合光纤耦合技术对双频光进行空间分离。使用差分波前传感技术实现位移、俯仰角和偏转角的同步检测,并采用楔面棱镜测量直线度的变化。该测量系统可以抑制双频光混叠引起的非线性误差,行程范围为6 m,位移分辨率为0.13 nm,俯仰角和偏转角分辨率为0.026 μrad,直线度分辨率为14.88 nm,测量结果具有可溯源性。     

超精密外差利特罗式光栅干涉仪位移测量系统

开展了扫描干涉光刻机工作台超精密位移测量的实验研究,以提高扫描干涉光刻机的环境鲁棒性。针对扫描干涉光刻机工作台位移测量精度,提出了新型高环境鲁棒性外差利特罗式光栅干涉仪测量系统。介绍了系统测量原理,设计了测量系统,提出了基于Elden公式的系统死程误差建模方法。设计制造了尺寸仅为48mm×48mm×18mm的光栅干涉仪。基于误差模型计算了死程误差,计算结果表明:对于1.52mm死程的光栅干涉仪,宽松的环境波动指标(温度波动为0.01℃、压力梯度为±7.5Pa、相对湿度波动为1.5%、CO2含量波动为±50×10-6)仅引起±0.05nm的死程误差。最后,设计了基于商用双频激光平面镜干涉仪的测量比对系统,开展了光栅干涉仪原理验证实验和测并量稳定性实验。原理验证实验表明:光栅干涉仪原理正确且系统分辨率达0.41nm。测量稳定性实验表明:常规实验室环境下,环境波动引起的死程误差为7.59nm(3σ)@0.9Hz1~10Hz,优于同等环境条件下平面镜干涉仪的31.11nm(3σ)@0.9Hz1~10Hz。实验结果显示系统具有很高的环境鲁棒性。     

激光器线宽对空间相干光通信系统性能的影响

空间相干光通信系统的信噪比受激光器线宽的影响很大。对比分析了两光束到达平衡探测器光敏面的时间差τ_d和探测器特性参数不同时,激光器线宽对外差探测输出信噪比的影响。理论分析和实验结果表明,激光器线宽展宽引起差频信号带宽增大与τ_d无关。当差频信号带宽增大2.673倍时,输出信噪比减小0.369 2倍,约等于1/2.673。增大探测器的内增益、响应度和响应带宽,可以减缓信噪比随激光器线宽增大而减小的速度,但内增益和响应带宽过大,相应的噪声信号也越强,反而不利于信噪比的提高。     

结构光投影三维测量控制系统开发

为解决结构光投影三维测量中控制问题,开发了基于PLC的测量控制系统.此系统采用Visual C 6.0提供的串行通信控件MSComm完成PLC与PC机之间的通信,实现了对测量过程中光源投影、光栅切换、CCD拍摄,以及测距激光器、散热风扇、限位开关等部件动作的协调控制.实验表明,采用该控制系统的三维测量设备性能良好、稳定性强、可靠性高,满足工业应用的要求.     

无线光相干通信智能信道均衡技术实验研究

宽带无线光相干通信通过信道均衡来抑制大气湍流产生的码间串扰。以湍流环境下的中频信号作为样本,分别采用反向传播(BP)神经网络和长短期记忆(LSTM)神经网络进行训练,将训练达到稳定的网络模型作为信道均衡器,以均衡器输出的中频信号作为系统性能评价指标并与自适应光学波前畸变校正算法进行比较。仿真结果表明,智能信道均衡算法对于系统误码率的改善优于自适应光学波前畸变校正算法。实验结果表明：采用BP神经网络信道均衡技术、LSTM神经网络信道均衡技术,以及波前畸变校正技术后,中频信号直方图的峰值分别位于0.49、0.38、0.38 V,相应的系统误码率分别为3.79×10^-5、1.64×10^-4和8.48×10^-2。智能信道均衡技术相比于波前畸变校正技术对于中频信号幅值随机起伏和误码率都有明显改善。     

基于结构光辅助的网格候选点三维测量方法

光学三维测量技术是计算机视觉领域中最为活跃的研究主题之一.针对双目立体视觉三维测量方法中无纹理物体表面测量误差较大的问题,提出一种基于结构光投影辅助的网格候选点三维测量方法.设计灰度单调变化的锯齿波图案投射在被测场景中,有助于使三维网格候选点投影像点间的灰度差异最大化,依此提高系统的测量精度,实现了主动测量方法和被动测量方法的有效结合.通过3DS MAX和MATLAB软件平台下的仿真实验,验证了结构光辅助的网格候选点测量方法在计算精度上具有明显优势,且不会增加系统的复杂度,扩展了网格候选点三维测量方法的适用范围.