单幅干涉条纹图的高精度波面重建技术

结合莫尔条纹、傅里叶变换和数字相移技术实现了对单幅干涉条纹图的高精度相位计算和波面重建.首先,用计算机生成与被处理干涉条纹频率相近的数字相移条纹图,与实际干涉条纹图叠加得到相移莫尔条纹图;然后,利用傅里叶变换、双频滤波、傅里叶反变换和相移技术得到干涉条纹图的相位数据;最后利用波面拟合技术重构原干涉条纹图对应的波面形状.研究结果表明,该技术不仅消除了干涉仪硬件相移产生的非线性误差和滤波时的频谱移中误差,高精度获得了单幅干涉条纹图对应的波前,而且简化了系统的机械结构.同时,对环境的要求明显降低,特别适用于生产现场的检测.     

条纹图像相位提取方法研究

条纹图像的相位提取在现代干涉测量中起着十分重要的作用。从算法原理、研究现状和适用范围等几个方面对比分析了现有的几种条纹图像的相位提取方法,包括相移法、载波法和基于经典算法的相位提取方法。经分析发现,相移法理论上具有较高的解调相位精度,但需获得多幅不同相位的条纹图和保持机械稳定性,这使得其只适用于静态或准静态干涉测量;而在瞬态或动态干涉测量中,载波法能从单幅图像中获得相位,自动化程度高,且对外界环境要求低,适用于开放条纹;基于经典算法的相位提取方法通过评价函数的设计及参数优化来获得相位,但处理时间相对过长,适用于封闭条纹。综合分析,载波法具有更广泛的应用前景。     

基于时域傅里叶变换的广义相移相位恢复方法

提出了一种基于时域傅里叶变换的广义相移相位恢复方法。该方法不需要对相移量进行特殊标定,就可从一系列相移量单调变化的干涉条纹图中快速地恢复出物体的相位。由于所提方法是运用傅里叶变换逐点从频域提取物体的相位,所以该方法不仅具有良好的抗干扰性能,而且对干涉图中的条纹数目没有要求,可以从条纹数少于1的相移干涉图中精确地恢复相位。数值模拟与实验结果均表明所提方法具有操作简单、方便、快速、精度高等优点。     

基于主元分析的随机相移散斑图分析算法

剪切散斑相移干涉术需要提取物体加载后的动态相位变化,因此提出一种基于主元分析的随机相移散斑图分析算法。该算法采用相关计算法从随机相移散斑图中获得随机相移条纹图,然后利用主元分析算法(PCA)从一组随机相移条纹图中提取动态相位分布。实验结果表明,相关计算法处理散斑图所得的随机相移条纹图具有较高信噪比,PCA提取的相位具有较高的精度和效率。该算法无需迭代计算,对随机相移条纹图的空间载波频率没有严格的要求,适合动态剪切散斑干涉测量。     

双波长同步干涉检测中基于莫尔条纹加乘变换的合成波长载频交叠干涉术

双波长同步干涉测量(ＳＤＷＩ)能够以更高的效率扩展传统单波长干涉测量的测量范围, 但是难以直接从双波长同步干涉测量中生成的加性莫尔条纹包络线中解耦提取所需波长较长的拍频合成波长(λｓ )信息? 本文提出了一种从加性莫尔条纹图中提取相位分布信息的合成波长载频交叠干涉术。通过莫尔条纹加乘转换,在得到乘性莫尔条纹图中,合成波长的干涉信息以叠加形式独立于其他波长的干涉信息。随后,从 ４ 帧乘性莫尔条纹图的频谱滤波提取出相移为 π/ ２ 的合成波长移相干涉图。最 后,对提取的 ４ 帧合成波长移相干涉图进行重新排列合成单一时空条纹图(ＳＴＦ)。 通过将时域相移转换为空域载频,利用频谱 滤波和傅里叶逆变换提取出合成波长的测试相位。与传统的双波长空域傅里叶变换解调理论相比,本论文方法在不消除背景分 量的情况下,所需空域线性载频仅为前者的 ０.１２７ 倍左右。 仿真和实验结果验证了本文方法的可行性和适用性。     

二维虚光栅移相莫尔条纹相位提取算法

目前二维干涉图所采用的相位提取算法大多以傅里叶变换法为主,而傅里叶变换法对噪声比较敏感。虚光栅移相莫尔条纹法具有较高的提取精度,而且抗噪性较好。在一维干涉图的基础上,提出了一种适用于二维干涉图相位提取的二维虚光栅移相莫尔条纹法,该方法通过构造一定相移量的二维虚光栅实现相位提取。与傅里叶变换法对比研究的仿真结果表明:对于同一幅二维干涉图,在干涉图不含噪声的情况下,傅里叶变换法与该方法的相对重构误差分别是5.52%和3.46%;在干涉图含噪声的情况下,随着噪声的增加,该方法在抗噪性方面的优势越来越明显。对二维横向剪切干涉仪零位校准装置所采集到的二维干涉图进行处理,实验结果表明,傅里叶变换法和该方法所得到的测量结果均方根值分别为0.0053λ和0.0037λ(λ=632.8 nm)。     

一种基于主成分分析的多波长相移干涉测量方法

提出一种基于主成分分析(PCA)的多波长同轴共路同时相移干涉测量方法。所提方法可以通过从单色CCD记录的一系列相移量未知的多波长同时相移干涉条纹图,利用主成分分析提取出单个波长下的包裹相位分布,继而通过多波长的方法进行相位解包和降噪处理得到合成波长的相位。数值模拟和实验结果表明,所提方法不仅测量过程简单,而且运算速度快,测量精度高。     

基于二维连续小波变换的干涉条纹图相位的提取

在光学测量领域中,干涉法具有极其重要的意义。针对干涉条纹图相位的提取,提出了一种基于二维连续小波变换的干涉条纹图相位提取的新方法。在文中提出的算法中,为了降低计算时间,在计算过程中引入快速傅里叶变换,并提出将传统二维连续小波变换中的连续的尺度因子和旋转角用离散的尺度因子和旋转角代替,这样就解决了二维连续小波变换算法计算耗时的问题。通过仿真和实验发现,该方法可以快速准确的提取出干涉条纹图的相位,对于有缺陷的干涉条纹图,可以实现缺陷的修复并获得其相位图,并收到了比较不错的效果。     

基于五点法的单幅光学干涉条纹相位提取

针对单幅干涉条纹相位提取问题,构建了一种快速、高精度相位提取算法。该算法即中心五点法利用单幅线阵干涉条纹五点计算相位,即最大点、最大点两侧最近极小点以及上述三点间两中间点。数值模拟结果表明,无论有无噪声,相比FFT法和两次希尔伯特法,中心五点法结果与相移干涉法的一致性都更好。同两次希尔伯特相位提取算法比,中心五点法过程数据位数扩展少；同FFT法比,不涉及乘法器,无需存储大量数据。此外,算法无需去除干涉条纹直流分量,进一步简化了计算量。实验测试结果表明用中心五点法处理去直流分量前后单幅线阵干涉条纹,相位结果精度仅相差约9.55×10-5λ；相位解算结果同FFT法相对分辨率一致,同两次希尔伯特变换算法有约2.26 %的区别；利用FPGA技术实现了中心五点法、FFT法和希尔伯特变换法相位解算,前者资源消耗比后两者分别节省27 %和22 %,速度分别比后者快469 %和5 %。Abstract:关键词:Keywords:     

三维形貌测量中基于错位条纹的解相位方法

针对光栅投影法三维测量中的相位展开问题,提出一种用四步相移法求取折叠相位的解决方案.在相移图中,提取带有90°相移的4个单周期正弦条纹,对4个单周期正弦条纹进行编码组合,生成错位条纹.测量中,摄像机获取的错位条纹图像和相移图像按灰度值相减,得到4幅条纹差图,提取各差图中灰度值为零的条纹,依此确定错位条纹图像中各个单周期...     

径向剪切干涉测量激光光束波前的研究

详细论述了环路径向剪切干涉（cyclic raial shearing interferometry,CRSI）测量激光光束波前的原理,介绍了傅立叶变换空间载波条纹相位提取方法,以及畸变波前的重建算法,给出了数值仿真结果,并且进行了实验研究,验证了该方法的有效性.     

闭合条纹图的傅立叶分析方法

在基于条纹投影的傅里叶变换轮廓术(FTP)方法中,相位信息叠加在载波条纹中,即必须存在载波条纹.当干涉图中条纹以闭合形式存在,由于没有载频存在,不能直接采用傅立叶条纹分析方法恢复物光波的相位信息.本文采用极坐标的坐标变换方法,将封闭条纹展开,用传统傅立叶滤波方法进行处理,再将得到的信息反变换到原坐标中,得到测量物体的三维分布.文中用二维FFT的迭代算法对条纹进行解析延拓可明显减小由于坐标变换引入的条纹锐截止误差,从而提高测量精度.计算机模拟证实了所提方法的有效性.     

3-D Measurement of Solder Paste Using Two-Step Phase Shift Profilometry

A two-step phase shift profilometry method (2-step PSP) with prefiltering and postfiltering stages is proposed to reconstruct the 3-D profile of solder paste. Two sinusoidal patterns which are pi-out-of-phase are used in the 3-D reconstruction. The new method uses only two fringe patterns rather than four as the four-step phase shift profilometry (4-step PSP). In Fourier transform profilometry (FTP), a bandpass filter is required to extract the fundamental spectrum from the background and higher order harmonics due to camera noise and imperfectness of the pattern projector. By using two pi-out-of-phase sinusoidal fringe patterns, the background term can be eliminated directly by taking the average of the two fringe patterns. The fringe pattern which is close to its ideal form can also be recovered from the averaging process. Prefiltering is utilized in filtering raw images to remove noise causing higher order harmonics. Hilbert transform is then used to obtain the in-quadrature component of the processed fringe pattern. Postfiltering is applied for reconstructing an appropriate 3-D profile.     

基于空间载波条纹图的相位提取方法研究进展

介绍了几种基于空间载波条纹图的相位提取方法,包括正弦拟合法、卷积法、傅里叶变换法和小波变换法,并对这些方法进行了综合比较.重点讨论了对傅里叶变换法的精度限制因素,并总结了对其改进的各种途径.     

基于傅里叶变换去隔行图像的动态3维面形测量

为了解决动态面形测量中隔行扫描CCD相机记录动态物体表面变形条纹图像存在缺陷的问题,提出了傅里叶变换去隔行算法,即把隔行扫描CCD获取动态物体的错位模糊帧图像分成两个单场图像,分别对每一单场图像进行傅里叶变换去隔行处理,再利用条纹分析法重建对应时刻的3维面形。理论分析得出单场傅里叶变换去隔行图像与对应的准确满帧图像相同的结论。结果表明,该方法可以很好地恢复条纹和重建物体,且简单实用,可用于基于空间相位检测、相位测量轮廓术、傅里叶变换轮廓术等条纹分析方法的动态物体3维测量中。     

基于光谱干涉技术的玻璃厚度及折射率测量方法

基于光谱干涉技术提出了一种能够同时测量玻璃厚度及折射率的方法,该方法利用迈克尔逊光路,通过傅里叶变换算法对光谱仪接收的干涉信号进行解算,获取光谱干涉条纹的调制周期,根据待测玻璃样品放入测量臂前后,测量臂与参考臂所形成的光程差即可求出玻璃样品的几何厚度和折射率。该方法无需机械扫描延迟线并采用改进的傅里叶域下的相位提取算法,提高了测量系统抗干扰能力,探测速度快。实验结果表明:对玻璃样品的厚度测量精度优于±1μm,折射率测量精度±5×10^-4。     

Single-shot dense depth sensing with frequency-division multiplexing fringe projection

In structured light illumination (SLI) systems, multi-shot fringe patterns can reach higher precision than a single-shot fringe pattern. However, multi-shot methods are not suitable for dynamic scenes while single-shot ones are limited in the measurement accuracy. In this paper, a novel single-shot depth sensing method with frequency-division multiplexing (FDM) framework is proposed. To achieve a simultaneous casting, two fringe patterns with coprime periods are modulated into a single pattern. The method of fringe pattern extraction is similar to the demodulation in communication systems. The Gabor filter is adopted to get the phase information in the pattern, and the coprime theorem is used to solve the phase ambiguity. Quantitative and qualitative evaluations have proved that our method achieves higher accuracy in depth sensing compared with the Kinect v1 and ToF camera. In addition, benefiting from the single-shot pattern, our method is suitable for dynamic scenes.     

基于双时域傅里叶变换的相位测量算法

提出了一种双时域傅里叶变换相位提取算法。通过把一段具有两个干涉周期的时域光强信号分成多段一个周期的子段,通过两次使用傅里叶变换把相移器引入的相移频率和其他干扰频率分离出来,模拟和实验结果都证明了该算法在不提高系统复杂性和大幅度减少数据获取量的前提下显著提高了系统抗干扰能力,该方法从采集到待测物体相位的提取,完全无须人工干预,有利于实现自动化。     

傅里叶变换轮廓术中抑制零频的新方法

基于条纹投影的傅里叶变换轮廓术(FTP)是一种非接触、快速的光学三维面形测量方法.将短时傅里叶变换引入傅里叶变换轮廓术中,通过合适滑动窗口把变形条纹分成许多局部条纹段.计算每一个局部变形条纹的归一化傅里叶谱,提取零频分量,从中重构出变形条纹的零频分量.再计算原变形条纹的归一化傅里叶谱,并从中减去零频分量,以达到利用一帧变形条纹就可以抑制或消除零频分量对傅里叶变换轮廓术测量的影响,使得携带被测物体高度信息的基频分量的扩展几乎可以达到零频,而不发生混叠,相当于达到了π相移技术消除零频的效果.同采用π相移技术来消除背景光场的改进傅里叶变换轮廓术方法相比,此新方法仅需要对CCD获取的一帧条纹图进行处理,测量装置简单,随着计算机处理速度的提高,使傅里叶变换轮廓术能真正发挥其快速测量的优势.