用于瞬态三维测量的点衍射干涉系统

针对基于PZT移相的点衍射干涉三维测量系统中存在采样时间间隔过长和易受外界扰动影响等问题,提出了用于瞬态三维测量的点衍射干涉系统。通过对点衍射干涉三维测量系统光束偏振态调制并引入偏振相机,实现了三维空间坐标的瞬态移相干涉测量。针对偏振相机存在的视场误差及其对三维测量精度的影响,研究了基于相位插值的视场误差校正方法。为了验证系统方案的可行性,分别进行了数值仿真与三维在线测量比对实验。实验结果表明,利用本系统可实现亚微米量级的三维空间瞬态测量,且测量重复性小于5%。所提出的瞬态点衍射干涉系统具有对外界扰动不敏感、重复性测量精度高和快速测量等特点,为无导轨三维位移和尺寸等瞬态测量提供了一种可行的方法。     

用于微米球形颗粒超分辨尺度测量的背向弹性散射光谱的获取

背向弹性散射光谱法可用于研究生物细胞内部颗粒的结构组成,本文探讨了背向弹性散射光谱测量获取光谱的不同实验方法及其优缺点。针对微米量级的球形颗粒测量,基于实验分析比较了目前普遍使用的光纤探头测量和透镜系统测量这两种背向散射光谱获取方法的优缺点。研究表明,由于透镜系统获取光谱所对应的散射角有更明确的定义,故透镜系统获取光谱与Mie散射计算的互相关拟合系数(0.96)高于光纤探头优化条件下获取光谱的结果(0.93)。因此,在提取颗粒尺度精度要求较高时,应该选用透镜测量方法,并且采用滤波去噪声信号处理的手段来提高颗粒尺寸提取精度;而提取颗粒尺度精度要求不高时,光纤探头光谱获取方法具有简单易行的优点。     

远距离三维坐标测量中双目视觉系统结构参数的优化

针对双目视觉系统对远距离大视场复杂地形环境下目标点三维坐标的测量,研究了优化系统结构,提高双目视觉系统坐标测量精度的方法。分析了系统结构参数对测量精度的影响,通过在监测区域内设置靶标对系统进行标定。测量时,将获取的目标点图像信息代入测量模型进行解算,从而获得目标点的空间三维坐标。仿真分析了系统结构参数中调平传感器精度以及系统布局方式对三维坐标测量精度的影响,得出了其误差影响趋势。在此基础上,提出系统调平传感器精度为±0.1°的要求以及系统合理的布局方式,为构建双目视觉测量系统的布局提供参考。对直径200m的区域进行了监测,结果显示目标点的相对定位误差均小于0.33%,满足系统的精度指标要求,同时使得系统现场架设更加方便快捷,避免了盲目性。     

冷弯空心型钢三维在线质量检测系统设计

冷弯空心型钢断面的长、宽和弯角外圆弧半径等参数是其产品质量参数,生产中产品质量参数检测常采用人工测量方式,存在检测参数实时性差、测量参数精度不高及受人为因素影响等问题。基于线结构光测量原理,采用计算机视觉测量技术和自动化技术,设计了冷弯空心型钢三维在线质量检测系统,实现了系统的硬件结构、标定流程以及检测算法。设计的内容包括:提出了一种基于亚像素的线结构光中心线提取和精准圆拟合算法;实现了相机的标定以及单目、多目系统的标定;针对品质参数中的弯角测量采用一种三维点云数据处理方法,可以满足测量要求。经系统运行测试,系统误差为+0.2 mm以内,能够满足系统在线测量的性能要求。     

应用灭点标定的立体视觉自由曲面三维重建

为了实现对自由曲面的三维空间数据的测量与重建,建立了立体视觉自动测量系统,并对该系统的非线性标定及立体图的匹配方法进行了研究.基于灭点理论法进行了系统的非线性标定,采用投射光斑法增加自由曲面的图像特征;提出了一种基于方向和距离约束的分片排列编码方法,对投影光斑进行排列编码.分别在左右图像上根据彩色点的位置关系自动确定一个初始匹配点和4个匹配方向,然后对其余点按照分片排列法进行自动排列编码.对石膏像的面部进行了三维测量和重构实验,实验结果表明:像物尺度比为0.08 mm/pixel时,空间点三维坐标测量的均方差为0.05 mm, 可以达到亚像素级测量精度;基于方向和距离约束的分片排列编码法,可以准确地进行投影点的编码, 并能够快速、有效地实现彩色图像特征点的全自动匹配.     

拼接镜主动光学共相实验

考虑拼接望远镜子镜之间保持共相位可使拼接镜达到衍射极限,本文建立了一套主动光学实验系统来测量和调整拼接镜子镜之间的相位差和精度以实现子镜之间的共相位。拼接镜由3块正六边形球面子镜组成,子镜对边长为300mm,曲率半径为2000mm。首先,使用Shack-Hartmann传感器和高精度微位移平移台使子镜之间精确共焦,使用球径仪调整子镜之间的高度差到微米量级;然后,运用白光斐索干涉原理对子镜高度差进行调整;最后,运用子孔径衍射原理测量子镜之间的高度差,并调整使其共相位。为了验证标定效果,对光纤光束进行了成像实验,受光纤直径的限制,拼接镜上用于成像的口径为100mm。实验结果显示,白光斐索干涉的测量精度优于100nm,子孔径衍射的测量精度优于16nm,共相位标定后,系统能够实现衍射极限成像,表明提出的方法适用于拼接望远镜的共相位标定。     

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.     

四路激光跟踪柔性坐标系统绝对零位标定

在激光跟踪干涉三维坐标测量系统中,系统的标定精度直接影响着系统最终测量精度。由于自标定方法的标定精度不高,为了提高系统标定精度,并给出系统的绝对零位值,提出了一种直线法标定思想,利用一个普通的激光干涉仪,测量出目标点沿直线运动的位移量,然后计算出坐标系统的基点坐标和绝对零位值。考虑到基点和目标点的位置布局对系统标定精度的影响,分析并确定了一种优化布局方案,并对其进行仿真。仿真结果表明,目标点对称分布的布局所标定出来的基点坐标和绝对零位值精度较高。     

大型衍射光栅刻划机拉杆结构的分析与改进

由于大型衍射光栅刻划机刻划系统的双拉杆结构不能使其满足精度指标要求,本文设计了一套单拉杆结构。讨论了石英导轨分度方向弯曲误差产生的原因及其减小该误差的方法,分析和比较了两种拉杆结构的鞍型滑块的受力情况。基于材料力学弯曲变形理论,建立了石英导轨分度方向弯曲误差模型。在该模型的基础上仿真了双、单拉杆结构下刻划系统的石英导轨在分度方向上的弯曲变形误差。最后,使用双频激光干涉仪对石英导轨上的两个特征测量点进行了测量。测量结果显示:改进后的拉杆结构使得石英导轨在两特征测量点处的位移误差由50.36nm降低到小于10nm,满足大型衍射光栅刻划机刻划系统在分度方向上5~10nm的精度指标要求。     

五点法测量机床主轴轴向及倾角的运动误差

提出了测量机床主轴的轴向及倾角运动误差的端面五点法。在轴端面绕轴心的某一圆周上,垂直于轴端面,按通过误差分析优化确定的位置,布置五个测头,在主轴回转一圈中同时测得主轴的轴向及倾角运动误差以及端面基准的形状误差,并将测头的读数及定位误差的影响降至最低程度。本方法可用于机床主轴回转精度的实时测量,试验表明其测量精度可达亚微米级。     

点阵全息防伪标识的衍射效率测量研究

提出了一种测量点阵全息图衍射效率的方法,搭建了光学系统。通过在系统光路中放置平面反射镜,巧妙地将正负一级衍射光与其他级次的衍射光分离开,使光电探测器只接收正负一级衍射光,并且这种测量方法不受被测点干涉条纹方向变化的影响;在激光器后面放置一个半透半反波片,用两个相同的光电探测器分别实时测量反射光和衍射光的功率,降低了由于激光器功率不稳定造成的测量误差,得到八种不同的点阵全息防伪标识的衍射效率的测量结果。     

On the complex three-dimensional amplitude point spread function of lenses and microscope objectives: theoretical aspects, simulations and measurements by digital holography

The point spread function is widely used to characterize the three‐dimensional imaging capabilities of an optical system. Usually, attention is paid only to the intensity point spread function, whereas the phase point spread function is most often neglected because the phase information is not retrieved in noninterferometric imaging systems. However, phase point spread functions are needed to evaluate phase‐sensitive imaging systems and we believe that phase data can play an essential role in the full aberrations' characterization. In this paper, standard diffraction models have been used for the computation of the complex amplitude point spread function. In particular, the Debye vectorial model has been used to compute the amplitude point spread function of ×63/0.85 and ×100/1.3 microscope objectives, exemplifying the phase point spread function specific for each polarization component of the electromagnetic field. The effect of aberrations on the phase point spread function is then analyzed for a microscope objective used under nondesigned conditions, by developing the Gibson model ( Gibson & Lanni, 1991 ), modified to compute the three‐dimensional amplitude point spread function in amplitude and phase. The results have revealed a novel anomalous phase behaviour in the presence of spherical aberration, providing access to the quantification of the aberrations. This work mainly proposes a method to measure the complex three‐dimensional amplitude point spread function of an optical imaging system. The approach consists in measuring and interpreting the amplitude point spread function by evaluating in amplitude and phase the image of a single emitting point, a 60‐nm‐diameter tip of a Near Field Scanning Optical Microscopy fibre, with an original digital holographic experimental setup. A single hologram gives access to the transverse amplitude point spread function. The three‐dimensional amplitude point spread function is obtained by performing an axial scan of the Near Field Scanning Optical Microscopy fibre. The phase measurements accuracy is equivalent to λ/60 when the measurement is performed in air. The method capability is demonstrated on an Achroplan ×20 microscope objective with 0.4 numerical aperture. A more complete study on a ×100 microscope objective with 1.3 numerical aperture is also presented, in which measurements performed with our setup are compared with the prediction of an analytical aberrations model.     

基于Overhauser效应的磁场梯度探测器

为提高单探头磁力仪在自然环境中的抗干扰能力,设计了一种基于Overhauser效应的双探头磁场梯度探测器。文中介绍了Overhauser效应的基本原理,对仪器的射频激发系统、信号调理系统和频率计做了详细的描述。论文分析了射频系统的不稳定因素,并给出解决方案。针对拉莫尔旋进信号,提出一种基于FPGA的多通道测频算法,并对比测试使用该算法前后的结果,分析了实验数据。同时对仪器双探头的数据一致性进行比对,给出了测试方法和测试结果。最后将该仪器和商用仪器进行室内、室外以及磁异常探测等对比试验,结果表明,其性能接近商用仪器水平,具有野外操作便捷、测量磁场精度高、抗干扰能力强等优点,证明了所研制的基于Overhauser效应的磁场梯度探测器在梯度测量中的有效性。     

超声检测中的路径受控仿形测量和曲面重构技术

提出一种利用超声波检测探头实现曲面形工件仿形测量的路径受控和曲面重构技术，对初始曲面建模，路径受控运动点位生成，曲面模型校正等问题做了详细阐述，将该技术运用于曲面工件的超声检测时，可以在不增加硬件的条件下实现曲面形工件的连接扫查检测，明显提高检测效率。     

方锥形渐进成形制件误差补偿工艺研究

成形精度低是制约金属板料渐进成形技术推广应用的重要因素。通过对方锥形渐进成形制件的精度测量发现,制件拐角处和高度方向尺寸精确,而侧壁处产生鼓凸,侧壁中心位置鼓凸高度最大。针对方锥形渐进成形制件的侧壁鼓凸问题,提出了一种变形求解方法,并将求解结果与实际测量结果进行对比,发现结果基本吻合。根据构建的侧壁形面模型,建立了方锥形渐进成形制件的补偿工艺,试验证明该工艺可以显著提高方锥形渐进成形制件的尺寸精度。     

基于旁瓣光束衍射反演的强激光远场焦斑测量方法

针对大型激光装置使用纹影法无法实现旁瓣光束弱信号区域光强分布精确测量的问题,提出了基于旁瓣光束衍射反演的纹影法强激光远场焦斑测量方法.采用逆向推演间接测量的研究方法,沿光路传播逆方向推导,以旁瓣光束衍射光强图像和相位图像作为输入,通过计算获得未遮挡前旁瓣光束远场焦斑分布.相比传统基于纹影的远场焦斑测量方法,本文的主要改...     

用于工业三维点测量的接触式光学探针

为了快速、准确地获得大尺寸工业产品或带有深槽孔工件的关键点三维坐标,本文基于工业近景摄影测量理论、立体视觉技术等,研究并实现了两种工业便携式、接触式光学探针测量系统。研究了测量系统涉及的探针设计、探针标定以及三维点解算等关键技术,设计了点阵式和手持相机式两种适用于不同工业场合的工业探针。针对点阵式探针的测量,提出了一种用于解算探针坐标系与世界坐标系相对关系的点云匹配方法。此外,采用拟合虚拟球的方法准确标定了两种探针的内部参数。最后,通过对比标准球与三坐标测量机的测量结果,得到系统的测量精度可达0.1 mm/m。该精度满足一般大、中型工件的三维点测量精度标准。     

A New Algorithm for CAD-Directed CMM Dimensional Inspection

The recent developments in computer integrated manufacturing (CIM) systems have made the traditional dimensional inspections bottlenecks in the production line. To overcome these bottlenecks, computer integrated dimensional inspection was proposed with the coordinate measuring machine (CMM) being the key device. In this investigation, a framework for integrating manufacturing (CAD/CAM) environment is developed to automate the process of design, manufacturing and inspection. An algorithm to generate an optimum collision-free CMM probe path is proposed. This algorithm uses the ray tracing technique to locate the collision of the possible paths with the workpiece to be inspected, between the initial probe point and the target point. If there is a collision, the algorithm walks through the topological structure of the part and selects the midpoint of the edge shared by the face with which the path collides and the adjacent face nearest to the target point, as the next probe point. This procedure is followed until the target point is reached. The first half of the proposed algorithm is implemented using Mechanical Desktop as the CAD system and AutoCAD Runtime Extension (ARX) as the application programming interface, running on a Windows NT 4.0 platform. The effectiveness of the proposed algorithm is verified by the results of the implementation which demonstrate optimum collision-free dimensional inspection path generation for three prismatic parts.     

一种改进型非交叉非对称 C-T 结构近红外 微型光谱仪设计

针对基于固定光栅和阵列探测器的常规微型近红外光谱仪成本高、光谱范围窄等问题,提出了一种基于集成扫描光栅微镜的双探测器微型近红外光谱仪。该系统采用自制的集成扫描光栅微镜作为核心分光部件,可同时实现扫描与分光功能,光学系统设计利用两个聚焦镜和两个InGaAs单管探测器的空间布局避免不同光路之间的相互干扰,可实现双通道同时、独立工作,此外双通道探测器前内置不同截止波长的带通滤色片消除光谱重叠。采用光线追迹法建立了理论模型计算光学系统的初始结构参数;利用ZEMAX完成了光学系统的优化设计并给出优化结构参数。测试结果表明,该仪器工作波长范围:800～2 532 nm,分辨率:小于12 nm(800～1 600 nm)、小于17 nm(1 600～2 532 nm),整体尺寸:145 mm×135 mm×75 mm,具有宽光谱、小体积、低成本等优势。     

扫描力显微镜中的点衍射干涉现象及其应用

本文论述了扫描力显微镜中的点衍射干涉现象,论证了硅微探针可以作为后向点衍射板并用于检测微探针变位的光学原理。根据这一原理设计了一种新型灵巧的扫描力显微镜,它具有更好的抗干扰能力,稳定优质的光电信号。理论分析及实测表明,该扫描力显微镜具有０．０１ｍｍ 的纵向分辩率、５ｎｍ 左右的横向分辨率。