（机械设计及理论专业论文）光纤空间编码投影器设计及应用研究.pdf

光纤空间编码投影器设计及应用研究 摘要 光学三维非接触测量技术已经向人们显示了它在三维传感方面的巨大潜 力和优越性，它具有检测速度快、测量精度高、数据处理易自动化等优点， 具有广阔的应用前景。结合光纤干涉仪的优点，本文将光纤技术与光学测量 相结合，从光纤干涉理论出发，从光纤结构光投影器入手，设计研究了各种 光纤干涉空间编码投影器及双芯光纤投影器，可以在空间形成条形、方形、 六角形等多种干涉图样。利用光纤方便易行的各种编码方式，提出了光纤变 频、光纤混频、光纤频移、参考条纹相移等多种相位解调方法的实现方式， 并作了相应的计算机数值模拟和实验研究，研究结果证明了各种光纤干涉投 影器用于物体面形测量的有效性和可行性。结果表明，对于光纤变频和光纤 混频投影方法，只要投影器的结构参数选择合理，图像避免频谱重叠，便会 得到很好的测量结果。这种时域相位展开方法，有效地避免了误差传递，使 阶跃物体的高度测量成为可能，且只需要一幅图像就可以解调相位，完全满 足了动态与实时测量的要求，为进一步的实际应用研究奠定了基础；参考条 纹光纤干涉相移轮廓测量方法，只需一幅载频图像，它通过计算机产生参考 图像，实现准确相移，节省了相移器，提高了测量精度，满足了动态实时测 量的要求。另外，该方法使用了消直流技术，一定程度上避免了频谱混叠， 扩大了测量范围，同时也消除了直流噪声的污染，增加了对环境的抗干扰能 力。 本文设计的光纤空间编码投影器具有诸多优点。它可以利用激光二极管 作光源，使整个测量系统变得紧凑、方便；同时光纤投影系统的探头小巧、 灵活，易于改变条纹的空间周期和方向，这样可以根据实际测量条件，调整 测量范围，提高测量精度，方便信息融合；另外，在某些特定场合下具有明 哈；j ：滨t 程大学博十学位论文 显的优势，尤其适合小物体的测量、狭小区域内如孔内、管道内等恶劣测量 环境下的应用。该研究工作发展了结构光投影方法，对于光纤干涉投影三维 测量技术的深入研究与应用具有一定的指导意义。 关键词：三维传感；光纤空间编码投影器；变频：混频：频移；相移 光纤空间编码投影器设计及应用研究 a b s t r a c t o p t i c a l 3 一dn o n c o n t r a c tm e a s u r e m e n t t e c h n i q u e h a s p o t e n t i a l a n d a d v a n t a g e sf o r3 一ds e n s i n g i th a sb e e nw i d e l yu s e dd u et of a s to fe x a m i n a t i o n 1 1 i g ha c c u r a c yo fd e t e r m i n a t i o na n da u t o m a t i z a t i o no fd a t ap r o c e s s i n g i nt h i s i n v e s t i g a t i o n ，o p t i c a lf i b e ri n t e r f e r o m e t e rw a sa d o p t e dt ob u i l dt h es t r u c t u r e - l i g h t p r o j e c t o rb yu s i n gm u l t i - o p t i c a l f i b e rs p a c ec o d i n ga n dd u a l c o r e o p t i c a lf i b e r s e v e r a lk i n d so fi n t e r f e r o g r a ma r ep r o d u c e db yo p t i c a lf i b e ri n t e r f e r e n c e b a s e d o no p t i c a lf i b e rs p a c ec o d i n gp r o j e c t o r , o p t i c a lf i b e rf r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，m i x i n g f r e q u e n t 5f r e q u e n c ys h i f t ，r e f e r e n c ef r i n g ep h a s es h i f tm e t h o d sw e r ed e v e l o p e d ， a l s ot h en u m e r i cs i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n tr e s e a r c ha r eg i v e n s e v e r a l k i n d so fs t r u c t u r a lp a r a m e t e ro ft h ep r o je c t o ra r ed i s c u s s e di no r d e rt ou n d e r s t a n d t h ei n f l u e n c eo ft h es t r u c t u r a lp a r a m e t e ro nm e a s u r e m e n tr a n g ea n dp r e c i s i o n t h e r e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l m i o na n de x p e r i m e n tr e s e a r c hs h o wt h a to p t i c a lf i b e r i n t e r f e r e n c ep r o j e c t o ri sf e a s i b l ea n dv a l i df o ro b j e c t ss h a p e t h er e s e a r c hs h o w s t h a tt h eo b j e c t sp r o f i l ec a nb er e c o n s t r u c t e db yt h em e t h o d so fo p t i c a lf i b e r f r e q u e n c yc o n v e r s i o no rm i x i n gf r e q u e n c y , i ft h es t r u c t u r a lp a r a m e t e ro ft h e p r o j e c t o rw a ss e l e c t e dr e a s o n a b l ya n dt h eo v e r l a po ft h ef r e q u e n c ys p e c t r u mw a s a v e r t e d t h ee r r o rt r a n s m i s s i o nc a nb ea v e g e db yt h i st i m ed o m a i np h a s e u n w r a p p i n gm e t h o d t h u st h es u r f a c eo ft h eo b je c tw i t hs h a r pe d g e sm a yb e m e a s u r e d t h ep h a s ew a sd e t e c t e db yo n ef r i n g ep a t t e r n t h i sm e t h o dc a nm e e t t h en e e d so fd y n a m i cs t a t ea n dc u r r e n tt i m em e a s u r e m e n t t h e3 - dp r o f i l o m e t r y b a s e do nr e f e r e n c ef r i n g ep h a s es h i f tm e t h o d sn e e d so n l yac a r r i e rf r e q u e n c y i m a g et or e c o n s t r u c tt h ep r o f i l eo ft h et e s t e do b j e c t f o u rf r a m e sr e f e r e n c ei m a g e w i t ha c c u r a t ea n de q u a lp a c ep h a s es h if t i n gm a yb eo b t a i n e db yt h ec o m p u t e r 哈尔滨工程大学博十学位论文 t h e r e f o r ep h a s es h i f t e rw a ss a v e d t l l i sm e t h o dc a ni m p r o v em e a s u r e m e m a c c u r a c ya n db ef i tf o rc u r r e n tt i m em e a s u r e m e n t ，b u ta l s ot h ez e r o f r e q u e n c y c o m p o n e n to f t h ei m a g ew a sw i p e do u t t h em e a s u r e m e n tl i m i tw a se n l a r g e da n d t h ea b i l i t yi na n t i d i s t u r b a n c ew a si m p r o v e d t h em u l t i o p t i c a lf i b e rs p a c ec o d i n gp r o j e c t o rh a ss e v e r a la d v a n t a g e s ，f o r i n s t a n c e ，l a s e rd i o d e ( l d ) i su s e di nt h i ss y s t e m a n di ti sc o m p a c ta n ds t a b l e c o m p a r e dw i t ho t h e rl a s e ri n m f f e r o m e t e rs y s t e m s 。t h e s i z eo fo p t i c a lf i b e r p r o j e c t o ri s s m a l la n di ti s e a s y t o o p e r a t et oa d j u s tt h es p a c ep e r i o da n d o r i e n t a t i o n ，h e n c et h ed a t af u s i o nt e c h n i q u ei se a s i l yc a r r i e do u t e s p e c i a l l y ，t h i s p r o j e c t o ri ss u i t a b l ee x t r e m e se n v i r o n m e n ts u c ha sv e r yn a r r o wp l a c eo rs m a l l h o l e t h i ss t u d yw o r ke x p a n d ss t r u c t u r e l i g h tp r o j e c t i n gm e t h o d i th a sr e f e r e n t i a l m e a n i n go nd e p t hs t u d ya n da c t u a la p p l i c a t i o no fm u l t i o p t i c a lf i b e ri n t e r f e r e n c e 3 - dp r o f i l o m e t r y k e yw o r d s ：3 - ds e n s i n g ：o p t i c a l f i b e r s p a c ec o d i n gp r o j e c t o r ；f r e q u e n c y c o n v e r s i o n ；m i x i n gf r e q u e n c y ；f r e q u e n c ys h i f t ；p h a s es h i f t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：钟痉干邑 日期：炒多年岁月夕日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 物体的三维轮廓特征是物体最重要的特征之一，而物体的三维轮廓测量 技术就是利用各种测量媒体获得被测物体的三维形态。它是获取物体形态特 征的重要手段，是记录、比较、复制物体形态特征的基础。 随着光电子学、光学、计算机技术日趋成熟，特别是近代光学理论、微 电子技术和信息技术的飞速发展，如激光技术、全息技术、高性能微处理器、 大容量存储设备，精密图像传感器件、功能强大的应用软件等等，使光学三 维测量技术有了强劲发展的理论基础和物质基础。这些学科的交汇不仅为光 学测量领域的理论与技术创新提供了可能，还为其应用提供了广阔的空间。 光学信息处理技术的发展已经向人们显示了光学在三维传感方面的潜力和优 越性，这一技术已经成为国内外研究的热点和重点。它具有检测速度快、测 量精度高、数据处理易自动化等优点，在计算机视觉、机械零件的仿形加工、 医学诊断、工程设计、自动测量、机器视觉、遥感、逆向工程、c a d c a m ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n m a n u f a c t u r i n g ) 等许多领域具有广阔的应用前景“。 1 2 物体三维轮廓术的分类及研究概况 纵观物体三维轮廓测量技术的发展，它经历了由接触式测量方法到非接 触式测量方法的发展过程。 1 2 1 接触式测量方法 接触式测量方法的原理是利用采样探针接触待测物表面，采集一个轮廓 的数据，然后横向移动一个间距，采集相邻的轮廓数据，最后构筑整个表面 的线框模型。三维坐标测量仪就属于这一类晦。这类机械式接触测量方法要求 必须与实物接触，因而不适合柔软物体的测量，且对采样探针不能触及的表 哈尔滨j ：程大学博十学位论文 面无法测量；另外，它的扫描数字化速度受到机械限制，速度较慢，同时昂 贵的价格也限制了其应用范围。 1 2 2 非接触式测量方法 非接触式测量具有检测速度快，测量精度高、数据处理易自动化等优点， 又可以分为两大类：被动三维传感和主动三维传感。 被动式三维传感采用非结构光照明方式。从一个或多个摄像系统获取不 同视觉方向的二维图像，一般主要成强度像，然后通过某种相关或匹配等运 算，来确定距离信息，进而重建物体的三维轮廓。当从一个观察系统获取的 二维图像中确定距离信息时，人们必须依赖对于物体形态、光照条件等先验 知识，而且当被测物体表面反射率没有明显差异时，如何把这些二维图像高 精度地匹配起来，进行局部和全场的坐标变换以及克服透镜的扭曲和畸变都 十分困难。 主动三维传感采用结构光照明方式。它是根据三维物体对结构光照明的 光场，进行空间或时间调制，从携带物体信息的变形场中解调物体三维轮廓。 它不仅可以成强度像，还可以成距离像。 非接触式三维测量已成为三维测量技术的主流，其常用的方法有：双像 合成法、结构光扫描法、计算机断层扫描法等i “。 1 2 2 1 双像合成法 双摄像机三维成像系统就是采用双像合成法，也称双目汇聚法。人类的 视觉是由于左、右两只眼睛与观察物的成角略有差异，形成两个稍不同的影 像，再经过大脑的精细综合，形成有长、宽、高度的立体像。双像合成法就 是根据人体双目视觉的原理，用两个摄像机对同一目标，从两个不同的角度 同步摄取被测物，然后把拍摄的图像通过特定的坐标变换转换成三维图像。 双像合成法广泛应用于航空测量、机器人的视觉系统中。其优点是检测速度 快、精度高，缺点是结构复杂、数据处理繁琐“蚓。 2 第1 章绪论 1 2 2 2 结构光扫描法 结构光扫描法的原理是投影器发出结构照明光束，接收器接收由被测三 维表面返回的光信号，由于三维面形对结构照明光束产生时间或空间调制， 因此解调接收到的光信号就可以得到三维面形的数据。该方法对于各种漫散 射物体的轮廓测量具有巨大的发展潜力。 结构光三维测量是基于光学三角法测量原理。结构光测量系统主要由结 构光投影器、摄像机、图像采集及处理系统组成。 结构光类型主要有：点结构光源、线结构光源、面结构光源。点结构投影 法每次只能测量一个点，为了形成完整的三维面形，必须有附加的二维扫描。 由于激光具有高亮度和极好的方向性，通常是理想的点结构照明光源。线结 构投影法只需要附加一维扫描就可以形成完整的三维面形数据。例如传送带 上的工件，只需一个固定的线结构照明传感系统即可完成三维测量。面结构 投影法则无需扫描直接完成三维测量。 目前，面结构光照明投影器的种类有：罗奇光栅、正弦光栅、莫尔条纹、 空间编码模板、l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 及d l p ( d i g i t a ll i g h tp r o c e s s o r ) 投影器、光学干涉投影器以及本文着力研究的光纤干涉条纹投影器等“。 空间编码的光纤干涉投影器可以利用激光二极管l d 作光源，系统更加 紧凑。同时干涉条纹为正弦光场，且具有非定域性，因此对散焦不敏感，更 适于面形高度变化率较大的情况。且光纤探头具有小巧灵活、成本低、易实 现等优点，对于那些不便于直接测量，或位于狭小空间及恶劣环境下的复杂 物体的面形重构更具优势m 7 4 ，。因此，寻找和探索基于光纤投影器测量小物体 轮廓的有效方法成为本课题的主要研究工作。 通常根据三维面形对结构光场的调制方式不同，主动三维传感方法分为 飞行时间法、光切法、莫尔法、投影条纹法( 傅立叶变换法、相移法) 、基于 调制度测量的三维轮廓术、双频投影法、双波长投影法、正弦相位调制双栅 哈尔滨工程大学博七学位论文 干涉法等。 1 ) 飞行时间法 飞行时间法t o f ( t i m eo f f l i g h t ) 的原理是基于测量激光或其它光源脉冲光 束的飞行时间进行点位测量。在测量过程中，一个脉冲信号从发射器发出， 经物体表面漫反射后回到接收传感器，检测光脉冲从发出到接收之间的时间 延迟，就可以计算出距离。这种方法原理简单，测距速度快，又可避免阴影 和遮挡问题，可以用于比较大范围的测量。缺点是对信号处理系统的时间分 辨率有极高的要求。为了提高测量精度，往往采用单一频率调制的激光束， 然后比较发射光束和接收光束之间的相位，计算出距离【，。 2 ) 光切法 光切法l s m ( 1 i g h t s e c t i o nm e t h o d ) 是近年来在激光逐点扫描法基础上发 展起来的一种非接触测量方法。它用激光线光源，经柱面镜产生平面光照射在 被测物上，在被测物表面上产生一条明亮的光带，通过c c d 摄像机摄入，经数 字信号处理可获得光带的数字图像，再经计算机处理即得物体在该光切面上 的二维轮廓信息，若进一步沿第三维步进测量，就可得到物体的三维轮廓全 貌。该测量方法适用于测得被测物的3 6 0 。三维轮廓数据。罗晓晖等”3 1 运用该 方法实现了脚型三维曲面测量。 3 )莫尔法 具有某种分布规律的两组栅线( 条纹) 叠加会产生明暗相间的条纹，称为 莫尔条纹。人们很早就发现这一现象，但将其作为一种测量方法，应用于物 体形貌和位移的测量，却只有几十年的历史阻。例。将密栅结构光投射到被测物 表面，由于物体高度信息的调制而使栅线发生畸变，畸变的栅线与基族栅线 干涉得到莫尔条纹图，即被测物表面的等高线，对此莫尔图进行处理即可获 得被测物体的高度信息。 莫尔法m t ( m o i r 6t o p o g r a p h y ) 又可分为影像莫尔法和投影莫尔法等。 4 第1 章绪论 影像莫尔法的原理是：平行光照射到置于物体上的主基准光栅，其影像投在物 体上，然后通过同一栅板观察物体，会看到投影到物体表面的光栅和基准栅 叠加形成的干涉条纹图，能直接观察到物体表面的等高线分布，由等高线的 位置就可以知道被测物体表面的三维形貌信息，具有独特的优点。但被测物 体前必须放置基准光栅，这对测大物体时不现实，因为制作大面积的光栅很 困难。另外，为了提高测量精度，必须减小栅距，这时必须要求被测物面离 光栅很近，否则衍射效应不可忽略。所以影像莫尔法只适用于小范围的测量 1 3 ，。投影莫尔法将光栅投影到物体表面，然后在观察面用第二个光栅观察物 体表面的变形光栅，用来观察的栅线与投影的变形光栅进行叠加，产生干涉 莫尔条纹图，分析莫尔图就可以得到物体的深度信息，投影莫尔法可以用于 大视场、高精度的测量旧川。 4 ) 投影条纹法 投影条纹法是一种较先进的三维形貌测量方法，这种方法采用光学投射 器将光栅投影于物体表面，在表面上形成由被测物体表面形状所调制的光栅 条纹二维图像。该二维条纹图像由摄像机拍摄，从而获得光栅条纹的二维变 形条纹图像。条纹的变形程度取决于光学投射器与摄像机之间的相对位置以 及物体表面轮廓( 高度) 。当光学投射器与摄像机之间的相对位置一定时，由 变形的条纹图像便可以重现物体表面形廓，即可以进行三维表面形貌测量 陋删。 投影条纹法因其具有测量速度快、易自动化、全场测量的特点，成为国 内外三维形貌测量技术研究发展的重点。它利用了光源的信息，可以改变光 束( 或光面) 的几何( 或光学) 特性及投影角度，得到不同的图像，因而具有较 高的测量精度。同时，图像处理技术、计算机技术及c c d 等电子产品的发展 使得投影条纹法的实现更为容易，处理更为简便，也促进了投影条纹测量技 术的快速发展。 哈尔滨t 程大学博十学位论文 投影条纹法通常包括傅旱叶轮廓术( f t p ) 和相位测量轮廓术( p m p ) 。 傅里叶轮廓术( f t p ，f o u r i e rt r a n s f o r m a t i o np r o f i l o m e t r y ) 是比较常用的 一种方法，它只需一幅条纹图像就可以进行全域分析且具有较高的测量精度。 其基本原理是利用条纹的载频特性，把对空间信息的处理转化到频域进行。 在f t p 中，一个罗奇光栅或正弦光栅条纹投影于物体表面，物体的高度信息 被编码成为变形图像，c c d 摄像机摄取变形的条纹图，对条纹图进行傅里叶 变换、滤波、逆傅里叶变换等步骤，提取条纹相位信息，条纹的相位信息即 包含了物体的形貌信息。傅里叶变换轮廓术与莫尔法相比，具有全自动的特 点，它不需要确定条纹级数和中心位置，也不需要在条纹间插值。傅里叶变 换轮廓术与相位测量轮廓术和调制度测量轮廓术相比，只需要一或两幅变形 条纹图像就可以进行实时和动态数据处理。傅里叶变换轮廓术最早由日本学 者诎e d a 在1 9 8 2 年提出。他首先将傅里叶频谱分析技术运用到调制条纹的 解相处理上，1 9 8 3 年又将其应用到三维曲面形貌检测上。此后，该技术得到 迅速发展，各种相位处理方法不断涌现n ”，。其中，四川大学的苏显渝等人提 出了光栅的7 c 相移技术，使待测物体的高度变化梯度的测量范围扩大了三 倍，还提出了二维傅里叶变换和二维汉宁滤波技术用于解决非连续图像的问 题。另外双频技术的提出，解决了阶跃物体表面的三维测量问题1 7 7 ，。还针对 f t p 中的频谱重叠、漏频、复杂物体相位展开、采样、三维动态测量等方面 的技术问题进行了深入的研究。 相位测量轮廓术( p m p ，p h a s em e a s u r i n gp r o f i l o m e t r y ) 是以测量投影到物 体上的变形条纹的相位为基础，通过相位与高度的映射关系得到被测物体的 三维形貌。相位测量轮廓术中相位的测量常用相移法。相移法是条纹图像处 理研究领域中最重要的成果之一，采用正弦条纹投影和相移技术，可以直接 得到全场的相位分布，而且由于多幅相移图比单幅图提供更多的信息，因而 它能提供比其它方法更高精度的结果，作为一种重要的三维传感手段，这种 6 第1 章绪论 方法已在工业检测、实物仿型、医学诊断等领域广泛使用 “”。 相位测量轮廓术需要精密的相移装置和正弦型良好的条纹，相移不准和 投影条纹的非工f 弦型会对测量引入高次谐波误差。随着投影方式从早期的幻 灯机投影到现在的l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 及d l p ( d i g i t a ll i g h tp r o c e s s o r ) 投影的发展，相移的准确性已可以得到较好的保证。l c d 和d l p 一个显著优 点是可编程性，可以根据需要在计算机内产生有一定相差的若干帧相移条纹， 然后按照相移顺序由d l p 依次投影到物体上，实现相移。这种相移方法只要 算法合理旧1 ，可以实现零相移误差，避免由于相移不准引起的测量误差。另 外清华大学的王东生、惠梅等提出了对移相误差不敏感的四帧相位算法，有 效地抑制了移相误差对形貌测量的影响”。 5 ) 基于调制度测量的三维轮廓术 基于调制度测量的三维轮廓术( m m p ) ，它完全基于投影到待测物面上 的正弦条纹的调制度分布，利用横向相移技术计算物面上各点的调制度，然后 将物体在纵向范围内移动次，就可得到帧调制度图像，再找出每一个像 素点调制度最大值的位置，由此位置就可计算出此像素点的高度值。由于投影 方向和探测方向一致，所以可以实现对物体的垂直测量，不用解相位和相位展 开，亦即可以测量物体表面高度剧烈变化或不连续的区域。它对阴影、遮挡、 位相截断并无限制，且设备较为简单，易于实现。 另外双频投影法m 一、双波长投影法阻、正弦相位调制双栅干涉法1 0 6 - 9 7 等 等是属于时间相位展开方法，也都是基于傅里叶变换法解调相位。 1 2 2 3 计算机断层扫描法 计算机断层扫描( c t ) 技术于1 9 7 2 年由英国的gh h o u n s f i e l d 博士首次 提出，首先应用于医学诊断，后来推广应用于工业领域形成i c t ( i n d u s t r i a l c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ) 旧删，i c t 是目前最先进的非接触式检测方法之一， 它的基本思想是用能量波( x 射线等) 照射物体上的一系列截面，根据朗伯定 7 哈尔滨丁程大学博十学位论文 律，当能量波穿过任何物质时，它的能量由于与原子相互作用而减弱，减弱 的程度与物质的厚度和组成有关，其规律可用下式表示 j = l o e 一”( 。y ) 其中，为穿过物质的能量波的强度；i 。为初始的能量波强度；m ( x ，y ) 为物 质的吸收系数。由于一般被检物不是均匀体，其吸收系数m ( x ，y ) 将随着被测 物的某个截面在固定坐标系中的坐标值x 、y 不同而变化，因此，m ( x ，y ) 反 映了被测截面的内部结构信息。 当能量波对某物体作断层扫描时，一部分能量被吸收，未被吸收的部分 被物体另- n 的探测器所接收。探测器接收的大量信息经模数转换器转换成 数字信息并输入计算机，计算机根据获取的数字信息进行计算得到该层面的 解剖结构图像，并显示于屏幕上。 该技术不仅可以测量物体的表面形状，而且可以无损地对物体的内部形 状、壁厚等进行测量，但它存在空间分辨率低，数据获取速度慢，重建图像 时计算量大、造价高，只能获得一定厚度截面的轮廓等缺点。 1 3 三维轮廓测量的研究热点及未来发展趋势 随着计算机技术、光电器件、激光技术的快速发展，三维轮廓测量技术 己取得了很大的进展，许多测量系统己走出实验室，变成商业化的产品，在 众多领域得到广泛的应用，但是为了更好的适应工业化的需求，目前还有很 多方面有待发展和提高，如何更有效地进行三维测量是摆在我们面前的重要 课题，如何提高测量精度、测量速度及测量的实用性，是今后三维测量研究 工作的热点和发展趋势。其主要表现在以下两个方面： 1 投影方式 在三维轮廓测量中，人们一直希望研究出一台普遍适用的轮廓仪，使它 具有很好的“自适应性”。自适应性表现为轮廓仪根据被测物体的几何形状以 第1 章绪论 及测量参数( 距离、范围、角度) 自动调节其投影接收系统的能力，以及解调 算法随时跟上投影图像的变化能力，自适应最终表现为投影方式的自适应性。 现在很多都采用两个相干波前产生的干涉条纹投影到物体表面，目前干涉仪 技术已经在坐标测量和机器视觉工业上商业化了。这些干涉仪投影方式，系 统复杂，要求有良好的机械稳定性及精确的机械移动装置，且易受大气扰动 的影响，因此在实际应用上受到一定的限制。近年来，液晶投影器( l c d ) 得 到了很大的发展，这种可由计算机通过图像板控制的投影器可以产生由软件 设计的任意二维图形，因此l c d 已成为大有发展前途的自适应投影器件。另 外数字光投影仪( d l p ) 相对l c d 投影仪，由于通过镜面反射实现光线投射， 而不是经过液晶的衰减改变光强，所以亮度高、对比度大、响应时间短、稳 定性好，有着更好的应用前景。 投影器结构设计方法及投影方式的不同，直接导致相位解调方法和相位 展开方法的不同，它直接影响着系统的性能、适应范围、测量精度和是否具 有实时性等。因此，小巧、灵活、稳定且具有自适应性的投影器是未来的发 展方向。 2 相位展开算法 常用的相位解调算法，计算过程大都用到了正切函数。经过反正切求得 的相位都是分布在一刀至0 刀之间。而真f 的连续相位，就是对折叠相位加减2 7 7 o 目前多数相位展开算法是在空域内进行讨论，如截断线、扩展树法、调制度 排序法等等，这些算法对部分噪声有很好的抑制能力。但对于复杂物体，如 在几何量测量中常常出现的台阶、凹槽、凸台以及间断面等自由曲面，相位 跳变一旦超出了展开的基本要求，前述相位展开算法将无法完成测量任务。 与空域相位展开不同，时域展开可以记录不同分辨力的多幅条纹图像，通过 这些不同分辨力的条纹图达到最终测量目的。尽管时域测量出现较晚，但由 于它在实现间断面形测量时的优势突出，受到越来越多的重视。这种方法分 哈尔滨工程大学博十学位论文 别采用两个不同周期( 栅距) 的光栅投影，长周期是短周期的倍，利用长 周期光栅可以测出物面大致的形状，而短周期光栅可以得到精细的测量结果。 相对于空域测量方法，时域测量方法特别适合于间断物体的测量，因为每一 点的折叠相位都是沿时间轴展开，所以即使是某一点出现误差，这个误差也 不会传递到别的像素点去。以上分析看出，时域相位展开是复杂物体轮廓测 量中重要的相位展开技术。分析和开发基于时域相位展开的3 d 轮廓测量技 术，将对规则和不规则物体表面( 自由曲面) 的几何轮廓测量具有重要意义。 1 4 本论文研究的目的和意义 结构光投影系统被广泛用于各种物体的轮廓测量。目前这方面的研究工 作主要集中在三个方面。一是投影方式的设计与改进，它直接决定着相位解 调方式、测量范围及测量精度；二是相位展开方法的优劣直接影响着测量的 成败及测量精度的提高；三是相位到高度的系统标定问题。在投影方式上， 一般分为两大类，非相干投影系统和相干投影系统，两种投影系统的测量原 理是相似的，但成像过程是完全不同的。非相干投影测量方法对环境的干扰 不是很敏感，且适合对大物体的测量，但由于它对散焦比较敏感，所以在测 量高度或深度上会有一定的限制。相干投影测量方法具有较高的测量精度， 且干涉条纹具有非定域性。它适合于小物体的测量，或面形高度变化率较大 的情况。为了寻求对物体面形的有效测量方法，借助于光纤干涉仪的优点， 我们选择光纤干涉投影方式作为研究对象，这种投影方式可以利用激光二极 管作光源，会使整个测量系统变得紧凑、方便，同时光纤投影系统的探头小 巧、灵活，易于改变条纹的空间周期和方向，便于狭小空间内物体面形测量， 且适于恶劣环境和远距离测量。本论文中我们拟设计多功能光纤空间编码投 影器，它可以根据测量范围和测量精度的要求，调整结构参数和干涉方式以 满足多种测量需求。它利用多光纤干涉可以在空间形成条形、方形、六角形 等多种干涉图样。本课题在设计多种光纤干涉图像投影器的基础上，研究各 l o 第1 章绪论 种光纤投影器针对光纤变频、光纤混频、光纤频移、参考条纹相移等多种相 位解调方法的实现方式，并进行相应的计算机数值模拟和实验研究，以证明 各种光纤干涉投影器用于小物体测量的有效性和可行性。该研究工作发展了 结构光投影方法，对于光纤干涉投影三维测量技术的深入研究与应用具有一 定的指导意义。 另外，双芯光纤投影器的设计，节省了光纤耦合器，不需要光纤断面的 平直处理，且由于双芯集成于一根光纤之中，提高了对环境的抗干扰能力。 因此不仅增加了投影系统的小巧、紧凑性与稳定性，而且提高了性价比、制 作简单易行。 1 5 本论文的主要研究内容 本文在建立光纤干涉理论的基础上，从光纤干涉载频图像投影方法入手， 设计并研究了各种光纤干涉空间编码投影器，提出了满足多种相位解调方式 的光纤干涉投影轮廓测量方法，同时对各种方法进行了数值模拟和相应的实 验研究。本文的创新意义如下： 1 ) 提出了多功能光纤空间编码干涉光场投影器。它们分别是光纤变频投影 器、光纤混频投影器、光纤频移投影器、双芯光纤投影器。建立了相关 的传感测量实验装置； 2 ) 建立了光纤干涉远心系统理论模型，并进行了验证，简化了测量中相位 到高度的标定难度： 3 ) 提出了一种解调相位的新方法光纤频移法。并发展了基于参考条纹 的光纤干涉相移投影三维传感测量方法，它只需一幅图像就可以实现准 确相移，因此可以实现动态测量和实时测量的目的，同时不仅节省了各 种相移器，免去了相移器的标定工作，又节省了液晶投影仪。另外，由 于消除了直流分量，使得系统对背景噪声的干扰不敏感，增加了对环境 的抗干扰能力。该测量方法简便易行，更加实用化。 哈尔滨t 程大学博士学位论文 第2 章结构光轮廓测量的基本理论 结构光轮廓测量技术基本上可以分为两大类，即基于光学三角法的轮廓 术和基于相位测量的轮廓术。光学三角法轮廓术是通过被测物体对结构光产 生空间调制，改变了成像光束的角度，即改变了成像光点在检测器阵列上的 位置，通过测量成像光点的位移和系统光路的几何参数，就可以计算出物体 的高度。在光学三角法中，通常情况下，由于被测高度与光点位移量有非线 性关系，因此各点测量精度是不均匀的u ”。而基于相位测量的轮廓术，虽然 最终也归结于三角法，但物体高度的提取不是通过测量像点位移，而是从观 测场中提取相位变化信息来实现的，这使得它与光学三角法有着本质区别。 这种方法每一个像素点可以同时获得测量数据，快速实现全场测量。在基于 相位测量的现代轮廓术中，典型的相位解调方法是傅里叶变换法和相移法。 2 1 傅里叶变换轮廓术的基本理论 m t a k e d a 和k m u t o h 于1 9 8 3 年将傅里叶变换用于物体面形三维测量， 提出了傅里叶变换轮廓术( f o u r i e rt r a n s f o r mp r o f i l o m e t r y ，简称f t p ) m 1 。它的 基本思路是将条纹图像投影到三维物体表面，使待测物体载频，得到一幅变形 的载频条纹图，用数字图像采集系统c c d 采集该图像并传送到计算机中，对 它进行二维傅立叶变换，得到该变形条纹的频谱，在频率域中把高频噪声和 直流分量去掉，而保留基频分量( 携带有物体形貌信息) ，然后通过傅里叶逆 变换把该基频分量还原到空域，解出空域中的相位信息，再根据相位与物体 高度之间的映射关系，即可以得到物体各点的高度信息，最终获得物体的三 维面形分布。这种方法只需获取一幅图像，因此便于对动态物体的实时测量， 且测量精度较高，是很有发展前途的测量方法。 通常f t p 测量系统光路如图2 1 所示。它是典型的发散投射、汇聚接收 系统。图中p l 和p 2 分别是投影装置的入瞳和出瞳，i l 和1 2 分别是摄像装置的 第2 章结构光轮廓测帚的基本原理 入瞳和出瞳，d 是p 2 与1 2 间的距离，o 是1 2 到参考平面r 间的距离，a 和c 是参考平面r 上的两点，d 是物面上的点，光栅垂直于图平面。若采用x 方 向分布的正弦光栅投影，则得到的变形结构光场表示为 g ( x ，y ) = a ( x ，y ) + 6 ( x ，y ) c o s ( 2 矾x + 缈( x ，y ) ) ( 2 1 ) c c d p c ba o 图2 1f t p 测量系统光路 f i g 2 1t h eg e o m e t r i c a lo p t i c a lw a y o f f t pm e a s u r e m e n ts y s t e m 写成复数形式为 g ( 工，少) - - - a ( x ，y ) + 昙6 e x p i ( 2 z c f o x + 缈( x ，y ) 】+ e x p i ( 2 n f o x - i - 缈( x ，少) 】) ( 2 2 ) 其中，a ( x ，y ) 代表背景光强分布，b ( x ，y ) a ( x ，y ) 代表条纹反衬度，它与背景 光强、物体表面的非均匀反射率及图像调制深度有关，兀是投影光栅的基频， 9 ( z ，y ) 代表由物体高度分布h ( x ，y ) 引起的位相调制。当h ( x ，y ) = 0 ，即对参 考平面r 测量时，正弦光栅光场为 g o ( x ，y ) = a ( x ，y ) + b ( x ，y ) c o s ( 2 n f o x + ( x ，y ) ) ( 2 3 ) 伊。( x ，y ) 是由于投影系统的出瞳p 2 在有限远处所引入的附加相位。当投影系 哈尔滨工程大学博七学位论文 统的出瞳位于无穷远时，在参考平面上的相位分布是线性的，这时附加相位 调制( x ，y ) 等于零。 对( 2 2 ) 式进行傅罩叶变换，得到其频谱分布，在x 方向上的一维傅 里叶频谱表示为 g ( f ，y ) = 爿( 厂，y ) + q ( f f o ，y ) + q ( 厂+ f o ，y ) ( 2 4 ) 其中，q ( f ，y ) 为去6 ( x ，y ) e x “彻( x ，y ) 】的一维傅里叶变换，彳( ，j ，) 为a ( x ，y ) 的 z 一维傅里叶变换。从傅罩叶频谱中提取基频分量q ( f - f o ，y ) ，进行频移及反 傅里叶变换得到光场分布为 g ( x ，y ) = b ( x ，y ) e x p i a o ( x ，y ) 】 ( 2 5 ) 式中，妒( x ，y ) 为单纯由高度分布引起的相位变化。伊( x ，j ，) 的大小，可以由 式( 2 - 5 ) 求得 妒( x ，y ) = i m l n g ( x ，y ) ) ( 2 6 ) 式中，i m 表示取复数的虚部。由( 2 6 ) 式求出的伊( x ，y ) 被截断在( 一万，+ 万) 之间，称之为折叠相位。必须进行相位展开，将折叠相位恢复为连续相位 矽( x ，y ) 。 对于非发散照明系统，又有 矽( x ，y ) = 矽( x ，y ) 一o ( x ，y ) = 2 刁乞c a 由图2 1 中三角形相似关系，可以得到被测物体的高度矗( x ，y ) 为 f z ( 戈，y ) = 面l 两oa o 而( x , y ) 在实际的测量系统中，考虑到d c 4 ，上式可以简化为 1 4 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 第2 章结构光轮廓测量的基本原理 厅c x ，y ，= 兰旦全豸害2 尘 c2 9 ， 由于f t p 方法需要在频域中进行滤波，从中提取有效的基频分量，而当 物体为陡峭表面时，在频域中会有直流分量与基频分量的频谱混叠，从而产 生很大的测