激光高速扫描频闪成像三维尺寸测量关键技术研究

发布时间：2017-08-11 17:24

  本文关键词：激光高速扫描频闪成像三维尺寸测量关键技术研究

  更多相关文章： 激光扫描 频闪投射成像 三维尺寸测量 条纹结构光 条纹分析

【摘要】：在三维尺寸测量中,常用的数字光处理技术(Digital Light Processing,DLP)难以投射出高空间分辨率、连续的正弦光栅条纹,刷新速率也受限;激光干涉原理产生的条纹对比度不理想,系统复杂,适应性较差。这些问题限制了其在高精度微小尺寸、具有复杂反光特性的表面器件(半导体、微电子器件等)的精密在线测量场合的应用。针对三维尺寸测量在测量速度、精度和适应性方面存在的问题,论文设计了一种高速扫描频闪成像激光光栅条纹投射器,研究了频闪成像三维测量原理。本文主要研究内容如下:1.提出了一种高速扫描频闪成像激光光栅条纹投射方案,方案综合了光栅条纹整体投射测量速度快和线结构激光测量精度高的优点。研究了频闪投射成像原理,完成了光学与机械系统、光电探测电路以及FPGA实时控制电路的设计。2.根据频闪投射成像的特点分析了投射的条纹特性。投射的高亮度激光光栅条纹精细且密度高,刷新频率快,并能实现条纹频率、脉宽、相位变化的实时控制。通过理论和实验分析了条纹的线宽、密度、相移以及正弦分布特性,既可以作为高密度的准正弦光栅条纹,也可以作为精密的多线结构光应用于三维尺寸精密测量中。3.设计并组建了针对微小尺寸、具有复杂反射率表面金属器件的频闪成像三维尺寸测量系统。研究了系统的三维测量原理,提出了空间角度约束测量模型,并根据条纹脉宽调制特性实例化为两种可方便实现的空间相位映射模型和多线结构光光平面约束模型。两种测量模型在数学关系和物理意义上实现了统一。4.研究了两种测量模型的条纹解析方法和标定方法。测量模型不需要额外参考平面约束,系统适应性好;标定过程简单可靠,适合现场实施。对标准块测量的均方根误差为6.7μm。对印制电路板锡膏测量的应用实验验证了本文所设计的光源投射器在条纹投影三维尺寸测量中的实用性。5.研究了频闪成像激光光栅条纹相位解析方法。结合频闪成像激光光栅条纹在三维测量中的实际情况,在典型的相移法和傅里叶变换方法的基础上进行改进,引入基于空间平滑约束的相移法、基于小波变换的时频分析法和基于经验模式分解的自适应条纹解析法,提升了系统的可靠性和适用性。
【关键词】：激光扫描 频闪投射成像 三维尺寸测量 条纹结构光 条纹分析
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-28
• 1.1 课题的背景与意义10-12
• 1.2 光学三维尺寸测量技术国内外研究现状12-19
• 1.2.1 便携式扫描尺寸测量技术12-13
• 1.2.2 复杂环境下三维测量技术13-14
• 1.2.3 快速、动态测量技术14-16
• 1.2.4 微小尺寸精密测量技术16-19
• 1.3 条纹投影三维测量关键技术和研究进展19-26
• 1.3.1 光源投射技术20-21
• 1.3.2 图像采集及处理技术21
• 1.3.3 条纹分析技术21-23
• 1.3.4 相位展开（解包裹）技术23-24
• 1.3.5 测量模型和标定技术24-26
• 1.4 论文的主要研究内容26-28
• 第二章 频闪成像激光光栅条纹投射原理及装置28-51
• 2.1 频闪成像激光光栅条纹投射原理28-37
• 2.1.1 频闪投射成像原理28-31
• 2.1.2 频闪成像激光光栅条纹特性理论分析31-37
• 2.2 频闪成像激光光栅条纹投射器设计37-42
• 2.2.1 光学与机械系统设计37-39
• 2.2.2 光电探测电路设计39-40
• 2.2.3 FPGA实时控制40-42
• 2.3 频闪成像激光光栅条纹特性实验分析42-50
• 2.3.1 频闪成像激光光栅条纹投射系统装置42-43
• 2.3.2 最细线宽和最小条纹周期43-44
• 2.3.3 频率、脉宽和相移特性44-47
• 2.3.4 光源的稳定性47-48
• 2.3.5 条纹分析48-49
• 2.3.6 讨论49-50
• 本章小结50-51
• 第三章 频闪成像三维测量原理51-64
• 3.1 三维测量模型51-60
• 3.1.1 相位高度映射模型52-53
• 3.1.2 空间角度约束模型53-56
• 3.1.3 空间相位（角度）映射模型56-57
• 3.1.4 多线结构光光平面约束模型57-60
• 3.2 条纹解算方法60-63
• 3.2.1 相位解算方法60-62
• 3.2.2 条纹中心提取和识别方法62-63
• 本章小结63-64
• 第四章 频闪成像三维测量系统标定方法64-84
• 4.1 标定方法64-69
• 4.1.1 物相标定方法64-65
• 4.1.2 多线结构光光平面标定方法65-69
• 4.2 标定过程69-75
• 4.2.1 空间点阵列获取与摄像机标定70-71
• 4.2.2 相位解算与物相标定71-73
• 4.2.3 条纹中心解算识别与光平面标定73-75
• 4.3 准确度验证实验75-78
• 4.4 印制电路板锡膏测量实验78-83
• 本章小结83-84
• 第五章 相位解析准确性提升方法研究84-98
• 5.1 相位解析误差分析84-86
• 5.2 基于空间平滑约束的相移法86-90
• 5.3 时频分析法90-94
• 5.4 自适应条纹解析法94-97
• 本章小结97-98
• 第六章 全文总结与展望98-101
• 6.1 全文总结98-99
• 6.1.1 具体研究内容98-99
• 6.1.2 创新性研究成果99
• 6.2 课题展望99-101
• 参考文献101-116
• 发表论文和参加科研情况说明116-117
• 附录117-121
• 致谢121-122

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