相位测量轮廓术中投影光栅的快速自校正

针对数字光栅投影的相位测量轮廓术系统,提出了一种投影光栅快速自校正的新方法。在实际测量条件下,严格约束测量系统间的几何位置是不现实的。因此,参考平面上的光栅条纹常表现为梯形畸变和周期展宽畸变,传统的标定过程难以完全消除。针对这些问题,设计了一种基于空间变换的投影光栅快速自校正方法。校正过程发生在投影仪光栅输出之前,与现有的补偿校正算法相比无需计算单像素点相位误差且不局限于特定相位计算方法,简单快捷,可在数秒内完成校正。在光栅投影三维轮廓测量实验中证明了该方法的有效性。     

基于同心圆光栅和契形光栅的摄像机自标定方法

提出一种利用同心圆光栅和契形光栅作为标定模板,基于正交方向消失点摄像机自标定的新方法。新方法利用相移条纹相位提取精度高的特性来求零相位特征点,避免了传统标记点提取误差给标定结果带来的影响。要求摄像机至少从6个方位拍摄标靶,采用四步相移得到光栅的截断相位并求解零相位交点,计算消失点从而解算出摄像机的内参数。根据模拟实验得到影响消失点标定精度因素的分析结果,制作了含有7个周期的同心圆光栅和4个周期的契形光栅。实际测量实验中分别用光栅靶标和灰度同心圆靶标进行相机标定,对比重投影误差,结果证明新方法提高了基于消失点标定算法的精度和稳健性。     

绝对编码光栅的相位细分

针对位移精密测量中提高绝对编码光栅的分辨率,提出一种绝对编码的相位细分方法。由自然码或格雷码的多码道光栅组成编码光栅,其基元码道是高频率的罗奇光栅,解码采用傅里叶变换相位计算方法,通过傅里叶变换、空间频域滤波和逆傅里叶变换得到基元码道的相位分布,利用格雷码的级次信息得到展开的相位分布。利用相位分布的线性性质进行线性拟合,实现高分辨率的相位细分。分析了实验原理并进行了提高分辨率的相位细分实验研究,实验结果表明,采用相位细分的方法,经过标定后可大大提高绝对编码光栅的分辨率和测量精度。     

绝对相位展开方法研究

提出一种新光学三维传感方法。该方法通过投影多组周期不同的正弦光栅条纹到被测物体表面,通过相移算法,反解各组投影条纹的截断相位,并采用所提绝对相位展开方法,对截断相位进行了解调,实现了对物体表面的测量。与双频光栅投影测量方法及传统时间相位展开方法相比,该方法投影条纹组数灵活、测量效率高,实验证明该方法的适用性。     

基于虚拟参考面方法的高反射曲面三维形貌测量

针对常规光栅条纹反射三维形貌测量方法中对实际参考面的需求,提出了基于虚拟参考面方法。在系统标定阶段,通过向标定用平面镜投射一幅特殊标记的棋盘格图像,将其在平面镜另一侧成的虚拟像所在的平面定义为虚拟参考面。根据虚拟参考面上各点与编码光栅条纹相位间的对应关系,经计算可直接得到测量所需的两垂直方向的参考相位分布,从而无需在工件测量前首先对实际参考面进行相位提取操作。与常规光栅条纹反射三维形貌测量方法相比,由于避免了对参考平面测量的需求,本文方法获得的参考相位分布,在保证测量精度的同时提高了测量速度,降低了测量的复杂性,有利于系统的集成化。搭建了光栅条纹反射三维形貌测量系统,采用基于虚拟参考面的光栅条纹反射方法对超精密加工平面镜和组合台阶的表面形貌进行测量,建立相位偏移与被测工件表面梯度的对应关系,由梯度恢复工件表面高度,测量精度达到50μm左右。     

深度学习精确相位获取的离焦投影三维测量

数字光栅投影三维测量技术,通过离焦投影二值光栅条纹,生成三维测量所需正弦光栅条纹,能够实现超高投影速度,在快速三维测量领域具有极大潜力。但是,二值光栅条纹不可避免地包含高次谐波,导致计算所得相位包含相位误差,进而降低了快速三维测量精度。提出了一种基于深度学习精确相位获取的离焦投影三维测量方法,通过构建含噪声相位到精确相位的端到端深度卷积神经网络,降低高次谐波引入的相位误差,进而实现快速精确三维测量。首先,以理论分析证明所提方法的可行性,并以仿真和实验进一步验证了所提方法的有效性和精确性。与现有快速三维测量方法相比,所提方法在保证测量速度的同时保证测量精度。     

采用条形光栅相位图的液晶空间光调制器的标定

为了提高液晶空间光调制器（LC-SLM）的校准精度,采用条形光栅相位图对LC-SLM进行了标定。首先基于傅里叶光学模拟计算得出了条形光栅相位图对比度与零级衍射光斑光强之间的对应关系,然后搭建实验光路并在LC-SLM上加载了条形光栅相位图,测量LC-SLM控制程序中加载的灰度图所对应的零级衍射光斑光强值,经过分析计算得出计算机灰度信号与相位调制量之间的映射关系,并最终得到了针对488 nm激光的LC-SLM的标定文件LUT。经过标定之后,相位调制曲线的线性相关度可达0.996 4,校正误差仅为0.224 0 rad。结果表明,在LC-SLM上加载复杂的高阶相位,并结合LUT文件可以调制生成高质量的双螺旋光斑。此研究结果表明:针对特定波长,利用条形光栅相位图标定的LC-SLM得到的LUT文件可以使LC-SLM根据加载的相位对光束进行有效调制,且其方法更简单。     

一种基于共轴干涉的相位物体定量成像技术

为了实现生物组织及相位光栅等透明相位物体的快速定量相位测量与成像,基于共轴干涉及相衬干涉原理,构建了一套相位物体定量相位快速测量与成像系统。分析了定量成像原理,设计了相应的相位提取及恢复算法。通过拍摄单幅或两幅相衬图,实现了相位光栅、水滴等小相位变化的相位样品的定量相位测量与成像。设计了相应的分区差分相位解包裹算法,实现了相位值超过π的微透镜的定量相位测量与成像。结果表明,通过该系统测量所得到的全息相位光栅的相位分布以及不同超声驱动电压下弱超声驻波光栅的相位振幅变化关系与其它方法所得的测量结果基本一致;微透镜的实验测量厚度值与理论计算值相比,绝对误差约为0.03μm。本系统具有一定的可行性和适应性,在生物细胞和组织等透明相位物体的快速测量与成像方面有潜在的应用意义。     

相位型空间光调制器的自参考标定方法

相位型空间光调制器(SLM)是一种对光的相位信息进行定量调控的器件.由于制造和使用过程中的一些不确定因素,需要标定SLM的相位调制,即输入灰度和输出相位的响应(LUT).本文介绍了基于自参考光路的SLM相位调制标定方法.通过在SLM上产生光栅相位,光栅的衍射级次作为参考光,与标定区域的光干涉、形成干涉图.利用傅立叶频谱...     

复合双频光栅轮廓术研究

对于存在突变的不连续物体的测量,使用低频光栅时物体面形能够恢复,但测量精度不高;使用高频光栅时不连续部分的轮廓细节能够清晰的恢复,但存在相位包裹现象而出现截断相位.据此,提出将2种光栅的优点融和在一起的方法:首先设计适合的低频光栅在物体的突变部分产生一根条纹,使低频光栅产生的相位不需进行相位展开;然后由2种光栅的频率比值及高频的截断相位来确定高频光栅所产生的条纹的整数级数n2(x,y);最后求出高频的展开相位,从而高精度地恢复不连续物体的高度信息.计算机仿真结果表明了理论分析的正确性.     

分布式阵列雷达基线位置和相位误差的卫星标校方法

在采用相位干涉测角的分布式阵列雷达系统中,系统阵面相位中心位置误差和相位误差对测角精度影响很大,且阵面相位中心位置与物理中心位置通常不一致,因此需要对其进行精细标准补偿。传统的雷达系统误差校正方法通常采用远场辐射源来对雷达进行校正,但是对于单元间距很大的分布式阵列空间目标监视雷达而言,要实现远场辐射校准往往很难。该文提出一种利用多弧段的精轨卫星精密星历对阵面相位中心位置误差引起的相位误差进行白化,然后搜索相位中心坐标和相位差使匹配方差最小的校正方法,无需使用特定仪器测量,且能很好地标定误差;计算机仿真以及实测数据验证了使用该文校正方法后,测角精度得到了显著提升。     

基于经纬仪和测距仪的空间坐标测量

为了解决全站仪、激光跟踪仪等设备进行空间坐标测量时设备昂贵、存在测量盲点等问题,提出一种基于电子经纬仪和激光测距仪的空间坐标测量方式.用激光测距仪测得激光束所在直线上的几个点到激光测距仪的距离,同时用经纬仪观察这些点,得到各个点对应的水平角和天顶角;数据处理时,首先通过最小二乘法得到经纬仪原点和各个目标点所构成的多根射线所决定的公共平面,然后将这些射线投影到这个公共平面内,得到对应的投影射线;通过这些共面的投影射线和已知的各个目标点之间的距离用最小二乘法得到这些目标点的坐标解,然后拟合得到一条直线,即激光测距仪的光束所在的空间直线解.工作时,通过测距仪测得待测点到测距仪之间的距离,由这根空间直线的表达式方程,即可得到待测点在经纬仪坐标系中的坐标.结果表明,该测量方式可以在一定条件下实现全站仪、激光跟踪仪难以实现的多点动态非接触空间坐标测量.     

Double-theodolite measurement system used in the image calibration of space photographic instrument

Space photographic instrument has been widely usedin aerial andastronavigationsurvey.Image calibrationisa veryi mportantjobfor theinstrument beforeit was ap-plied to measurement .When the i mage surface can becalibrated correctly, the instrument will operate at agood status and obtain high qualityi mage.The purposeof characterizing the i mage of instrument is to gain theinterdependence of both coordinate systems in i magesurface and instrument . The two coordinate systemswill keepinthe same di…     

正交约束下的机器人线结构光手眼标定

为了将传感器局部坐标系下的测量数据转化为机器人坐标系下的全局三维数据,需要确定机器人法兰盘与传感器之间的关系,即手眼标定。为实现机器人与线结构光传感器的现场手眼标定,提出一种正交约束条件下的新方法,该方法标定过程无需人工参与,仅需一块具有空间正交约束关系的平面靶标。标定过程中任意变换机器人位置与姿态,控制激光线与靶标两直角边分别相交,并记录传感器测量坐标值以及对应的机器人姿态数据,再基于空间正交约束建立非线性优化模型,最后采用内点法迭代求得最优解。实验结果表明：该标定方法快速、稳定且精度较高,系统整体测量精度优于0.3 mm,可满足常规测量需求。     

激光测头的光束空间矢量标定方法

为了完成三维型面的高效扫描测量,将激光测头通过回转台安装在三坐标测量机Z轴的移动末端上,以搭建非接触式的光学坐标测量系统。在被测表面三维点云的创建过程中,需要将激光测头的一维距离值转化为测量点的三维坐标值,为此,提出了基于球面的光束空间矢量标定方法。在标定过程中,通过控制测量机X、Y和Z轴的运动实现测头的标定轨迹,使测头能够采集到球面上的若干测量点,同时记录下各轴的光栅尺读数和测头的输出。然后,应用这些数据和球面的约束方程来建立超定非线性方程组,并采用矩阵最小二乘法求解出测量光束所在直线的单位方向向量。最后,将一个直径已知的金属球作为被测对象,应用所搭建的测量系统在10个不同方位对其直径进行测量,所得结果的测量误差均小于0.05 mm,充分说明了所提出的标定方法的有效性,从而为实现空间自由曲面的精密高效测量奠定了基础。     

光纤光栅温度传感器增敏封装特性研究

通过利用聚酰亚胺涂覆裸光纤光栅的方法研制了一种增敏型光纤光栅温度传感器,其反射波长的温度敏感系数由曾敏前的10pm/℃提升至40pm/℃。在-40~200℃测试环境中,开展了传感器标定和温度精度测量试验。试验结果表明:利用光纤光栅增敏封装,在高低温环境中采用低精度光纤光栅解调仪,传感器的测温精度由±0.4℃提升至±0.1℃。上述结果显示,采用增敏封装结构能够提升光纤光栅温度传感器的测量精度,减低制作成本。     

基于正交柱面成像相机的大尺寸三维坐标测量

提出了一种基于正交柱面成像相机的大尺寸三维坐标测量方法。正交柱面成像相机由一个正交柱面成像光学系统和两个正交放置的线阵CCD组成,它们分别被用来检测被测点的水平角和垂直角。一个相机决定了两个角度,两个相机交汇,即可实现被测点的三维坐标测量。所提出的方法在精密坐标测量特别是动态位置跟踪方面具有突出的优势。一个灵活的内参标定方法被用来标定正交柱面成像相机,内参标定后相机在水平方向和垂直方向角度测量误差的均值分别为1.85和2.16。另外,双相机的外参标定也被介绍,外参标定后系统的坐标测量精度优于0.52 mm。实验结果表明:所提出的三维坐标测量方法有效,具有良好的测量精度。     

原子光刻制备铬原子纳米条纹的实验研究

原子光刻技术可以制备高重复性的铬原子纳米条纹光栅,这种光栅可以作为纳米节距标准,实现对高精度的扫描探针式显微镜、电子显微镜等高端仪器的校准。高真空腔体中的固态铬原子受高温喷发出气态原子束,运动的原子束在冷却激光场和激光驻波场的分别作用下,实现原子束的准直与汇聚,沉积在位于激光驻波场后面的InP基片上。经过3h的堆积,得到间距为212.78nm,高度为9nm 的铬原子纳米条纹光栅。针对条纹生长速率较慢的问题,分析了具体原因,为后续工作提供参考。