基于时间相位解包裹的条纹投影三维测量方法研究

发布时间：2020-07-23 07:51

【摘要】：三维测量技术影响着生活方式、生产方式,其中具有非接触、快速、高精度、低成本、操作简单等优点的数字条纹投影三维形貌测量技术,更是成为了研究的热点,在快速测量、工业检测、质量控制、虚拟现实、反向工程、生物医学等领域被广泛应用。随着生活质量的提高、工业生产的发展,对数字条纹投影三维形貌测量技术的要求越来越高,期望能够更快速,更高精度的测量。在数字条纹投影三维形貌测量技术中具有较高的可靠性和测量精度的是基于时间相位解包裹方法的条纹投影测量技术。但是,该方法投影和采集的条纹图数量较多,处理的数据量大、测量时间较长,无法进行快速、实时和动态测量。本论文针对基于时间相位解包裹方法的条纹投影测量技术实现快速,高精度测量的关键问题展开研究。1.详细研究线性增长法、拟合指数法、拟合负指数法时间相位解包裹方法的原理,这些方法需要采集和处理大量的数据,测量速度慢。基于此,本文提出一种如何减少数据获取时间的方法。该方法在四步相移条纹的基础上增加了两幅条纹图,六幅条纹图可以得到一个包裹相位和一个辅助相位,利用两相位间的联系能够得到一个频率是包裹相位一半的新的包裹相位。也就是说,该方法的一套条纹可以得到两个不同频率的包裹相位。拟合指数法、拟合负指数法需要log_2 s(s为条纹的最大周期数)套条纹,在采用四步相移的情况下,则需要4log_2 s幅条纹图。而本方法需要3log_2 s,减少了log_2 s幅条纹图,可以缩短投影和采集时间、数据处理时间,一定程度上提高测量速度。通过实验证明了该方法的可行性。2.详细阐述了双频外差法和三频外差法的原理,并分析了每种方法的不足。双频外差方法中相位主值的误差限制了使用高频条纹进行高精度的测量,三频外差方法,虽然可以使用高频条纹,但是两次的外差操作会放大主值相位的误差,可能会造成外差相位不够准确,进而会使展开的连续相位出现跳跃性误差。结合现有的研究成果,提出了双频外差结合相位编码的相位解包裹方法。通过相位编码条纹展开外差后的相位,外差相位的周期不用覆盖整个视场,从而打破了相位主值误差对高频条纹的限制,而且只进行一次外差,不会出现放大主值相位的误差造成连续相位跳变的情况。通过对比实验,验证了方法的可行性和有效性。3.利用设计的条纹,提出一种新的时间相位展开方法。该方法只需要6幅条纹图,并且算法简单,方法的有效性和可行性通过实验得到了验证。
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;TH721
【图文】：

测头,精密仪器及机械,科技技术,三维形貌测量

3图 1-1 三维测量技术的分类触式式是最为早期的三维形貌测量形式，其发展历史相当悠久，经坐标测量机。标测量机简称 CMM，它是建立在精密仪器及机械这门学科上的础，综合了计算机技术、光电技术和数控技术等。自从六十年标测量机诞生以来，不断发展和进步的相关科技技术为测量机平台，使其测量精度逐渐提高、速度越来越快。三坐标测量机主体部分是具有 X、Y、Z 三轴的机械系统，为测头的移动提供息的是测头系统，通常的组成元件是测头和接触式探针，获取过探针与被测对象的表面轻微接触；以及为测头提供移动动力

三坐标测量机

学硕士论文第统和处理数据的软件系统。其工作机制是对空间坐标的采集和量对象接触时，控制系统采集此时三坐标轴相对于机床原点的，计算机系统处理这些数据信息来获取测量对象的三维坐标。，接触式的测量精度比非接触式的高，可以达到微米量级，但局限了它的发展。不足的地方有：测量对象的材质松软易变形数据时出现形变，则会使其测量精度受到影响；测量过程是逐较多；测量设备体积庞大移动困难，不利于现场测量。

示意图,干涉仪测量,示意图,分光镜

双波长法又称为双波干涉法，它的依据是叠加原理。当两束频率和振动且相位差不变的光叠加时，在干涉场中形成明暗相间的干涉条纹。干涉度取决于它们的相位差，相位相等时会产生强度增强的条纹，相反则会减弱的条纹，介于之间的则会产生中间强度的条纹。这些干涉条纹可以这两束波的相对相位关系，被测物体的三维形貌信息就包含在这些相对中[7]。在实际测量中，利用产生的干涉条纹确定物体表面的高度分布。图该方法测量镜面的原理示意图,测量需要的设备有激光器、分光镜、参考镜器。分光镜将激光器发射的光束一分为二：一束是经分光镜反射到参考透过分光镜的参考光束；另一束是穿过分光镜经测试镜面反射回的测试光光束中包含了被测元件的面形信息。通过分析和处理探测器采集的参考试光束产生的干涉图即可获得被测镜面的面形分布。该方法测量结构简有效的回避基于三角法测量中的阴影问题，同时有较高的精度（可达波0）。但是测量系统对外界环境非常敏感，容易受到温度、湿度、压强等响，同时测量对象很小，只能测量微观物体，难以测量宏观物体。

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