（光学专业论文）基于数字微镜的位相轮廓测量术的光学系统的研究.pdf

摘要 采用结构照明的光学三维传感技术，包括位相测量轮廓术( p m p ) 、傅立叶变换轮廓 术( f t p ) 、调制度测量轮廓术( m m p ) 等近年来受到了极大的重视。数字微镜器件( d m d ) 及数字光处理技术( d l p ) 作为实时空间光调制器在光学信息处理和光学三维传感领域 具有广泛的应用前景。 由于l e d 具有发光效率高，单色性好，体积小，功耗低，寿命长等特点，在投影 显示系统的应用中有着传统光源无法替代的优点。但是由于l e d 的外形和发光特性等 与现有的投影仪难以匹配，使得l e d 无法应用于现有的照明系统，限制了投影系统小 型化的发展。 为了满足实际工业，科研中测量微小物体的需要，本文研究了以l e d 为照明光源， 以复眼透镜为均光元件，以数字微镜为空间光调制器，以相移技术为基础的三维轮廓 测量术的光学系统。所取得的主要研究结果包括： 1 将l e d 的应用扩展到一个新的领域一三维轮廓测量术，并对相关光学系统进行 了分析研究。 2 分析了基于数字光投影，三维测量光学系统的主要光学器件的特性，讨论了关 键参数对比度及其与照明角度的关系。 3 完成了以l e d 作为照明光源，复眼透镜作为均光器件，采用临界照明方式的照 明系统的设计。 4 设计、组装并调试了基于相移技术的小型三维测量系统。 关键词：复眼透镜数字微镜相移技术三维轮廓 a b s t r a c t n o n c o n t a c to p t i c a lt h r e e - d i m e n s i o n a l ( 3 d ) s e n s i n g sw i t hs t r u c t u r e di l l u m i n a t i o ns u c h a sp h a s e m e a s u r i n gp r o f i l o m e t r y ( p m 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 ( f t p ) ，a n d m o d u l a t i o nm e a s u r i n gp r o f i l o m e t r y ( m m p ) h a v er e c e i v e d g r e a ta t t e n t i o n i nr e c e n t y e a r s d i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c e ( d m d ) a n dd i g i t a ll i g h tp r o c e s s o r ( d l p ) u s e da san e w t y p eo fs p a t i a ll i g h tm o d u l a t o rh a v ep l a yaw i d ef o r e g r o u n di no p t i c a li n f o r m a t i o np r o c e s s i n g a n ds t r u c t u r e di l l u m i n a t i o nt h r e e d i m e n s i o n a ls e n s i n g c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a ls o u r c e s ，t h el e dh a st h ei r r e p l a c e a b l ea d v a n t a g e so fh i 曲 e f f i c i e n c y , n oi n f r a r e di r r a d i a t i o n ，s m a l ls i z e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dl o n gl i f e t i m e b u t t h el a y o u ta n dt h el u m i n a n c ed i s t r i b u t i o no ft h el e da r es od i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a l s o u r c e st h a tt h ec o n v e n t i o n a li l l u m i n a t i o ns y s t e m sa len o td i r e c t l ys u i t a b l ef o rt h el e d e s p e c i a l l yf o rt h em i n i a t u r es t y l e i no r d e rt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fm e a s u r i n gt h es m a l lo b j e c t si ni n d u s t r i a la n d r e s e a r c hf i e l d ，t h et h e s i sf o c u s e so nt h es t u d yo fd m d b a s e dp m pw h i c hi su s e db yl e da s i l l u m i n a t i o ns o u r c e ，f l y e y e a r r a ya su n i f o r l nd e v i c e n l em a i nr e s u l t so b t a i n e dc a nb e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h ea p p l i c a t i o no fl e di se x p a n d e dt oan e wf i e l d _ 3 dp r o f i l o m e t r y a n dt h eo p t i c a l s t r u c t u r eh a sb e e nd i s c u s s e di nt h i sf i e l d 2 t 1 1 em a i no p t i c a lc o m p o n e n t sa n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed m d - - b a s e dp m ph a v e b e e ns t u d i e d t h ec o n t r a s ta n dt h ei t sr e l a t i o nw i t hi l l u m i n a t i o na n g l eh a sb e e n p r e s e n t e d 3 an e wi l l u m i n a t i o no p t i c a ls t r u c t u r ei si n t r o d u c e d t 1 1 i ss t r u c t u r ei st h ec r i t i c a l i l l u m i n a t i o ns t r u c t u r ec o m p o s e do fl e da sl i g h ts o u r c e ，f l y e y ea r r a y sa su n i f o r md e v i c e a n d d m da ss l m 4 am i n i a t u r ep m p s y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d ，a s s e m b l e da n dt e s t e d k e yw o r d s ：f l y - e y el e n s d m d p h a s es h i f t 3 dp r o f i l o m e t r y 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，氧化锌声表面波与硅基光导波声光移频 器技术研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品 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。 作者签名：孥麴竺2 年月卫日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文 全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。 作者签名： 指导导师签 年土月卫日 年孕月盈日 第一章概述 三维轮廓测量技术广泛应用于工业、科研、国防等领域。汽车车身、飞机机身、 轮船船体和汽轮机叶片等加工制造中的在线检测，特别是大型工件的曲面检测一直是 生产中的关键技术难题。光学三维轮廓测量技术具有非接触、高精度和高效率的特点， 在机器视觉、自动加工、实物模型、工业检测及生物医学等领域有着重要的应用价值 和广阔的应用前景。 1 。1 三维轮廓测量技术 自2 0 世纪中期以来，随着激光器的发明、微电子技术( 如c c d 固体成像器件) 的不 断发展和完善，极大的改变了传统的光学计量技术，加之高性能的微型计算机和图像 处理系统使光学图像的计算机辅助分析技术得以快速发展，使光学测量在信息的获取 和处理技术上得到很大的进步，这给光学计量技术的革新及发展注以新的活力，尤其 在光学三维轮廓测量方面。近年来国内外都积极开展这方面的研究，新的三维传感和 计量方法不断涌现。为此，国际光学学会( s p i e ) 1 9 9 4 年在以信息光学的前沿为主题的 年会上，首次将光学三维传感列为信息光学前沿7 个主要领域和方向之一【1 1 。 物体的三维形态特征是物体重要特征之一，人们一直在研究用各种光学的方法对 物体三维表面轮廓术进行测量。在三维轮廓测量中获取物体三维轮廓信息的基本方法 可以分为两大类：被动三维轮廓测量和主动三维轮廓测量【2 1 。 被动三维轮廓测量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，然后通过某种相关或匹配等运算从不同视觉方向获取的二维图像中 确定三维( 距离) 信息来重建物体的三维轮廓，如图1 1 所示。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化以及克服透镜的扭曲和畸变，都是十分困难的。当被测物 体过分复杂时，计算就变的更加困难。因此，被动三维轮廓测量的方法常常用于对三 维目标的识别、理解以及位置形状分析。 图1 1 被动三维传感一双目视觉测量系统 一种更为适合计量目的的测量方法是采用主动三维轮廓测量，其照明采用结构光。 主动三维轮廓测量是根据三维物体对结构照明光场空间或时间的调制。从携带有三维 物体信息的变形光场中解调出三维轮廓数据的一种方法。根据三维轮廓对结构光场的 调制方式不同，主动三维轮廓测量可分为时间调制和空间调制两类。时间调制如：飞 行时间法吼空间调制如：激光逐点扫描法光切法h ，傅立叶变化轮廓术p l ，位相测量 轮廓术嘲，莫尔轮廓术 1 ，数字散斑照相技术( d s p p ，调制度测量轮廓术( m m p 妒，埘等。 1 时间调制：飞行时间法( t u n e o f - f l i g h t ，简称7 r o f ) 是基于三维轮廓对结构照明光 束产生的时间调制。即一个激光脉冲信号从发射器发出，经物体表面反射后，沿几乎 相同的路径反向传回到接受嚣，检验光脉冲从发出到接受之间的时b j 延迟，就可求出 距离z ，如图12 所示。用附加的扫描装置使光束扫描整个物面即可得到三维轮廓数据。 由于空间信息是靠光线的时间差得到的，所以对信号处理的对问分辨率有特别商的要 求。飞行时间法典型的测量精度约为1 毫米，若采用亚皮秒脉冲激光和高精度的电子 设备，其精度可达亚毫米的量级。根据晟近报道【1 l 】采用时间相关单光子计数的方法 ( t i m ec o r r e l a t e ds i n g l ep h o t o nc o u n t i n g m e t h o d ) 测量一米的距离，精度可达到3 0 微米，而 在飞光全息法【1 2 , 1 3 i ( 1 i g h t i n - f l i g l l th o l o g r a p h y ) q b ，采用时间相关的短波光或短波光脉冲 来产生传播光波前的移动像，结合数字重构和利特罗形体，精度可达到6 5 微米 2 空间调制：在空间调制中，一种常用的方法为三角法。它以传统的三角狈9 量为基 础，由于三维轮廓对结构照明光束产生的宅问调制，改变了成像光束的角度，印改变 成像光点在检测器列阵上的位置，通过出射点、投影点、成像光点二者之间的几何成 像关系和系统光路的几何参数，计算出距离，如图13 所示。激光逐点扫描法是采用的 一个光点( 点结构照明) 扫描物体，该方法虽然简单可靠，但测量耗时；光切法是采用一 维线形图样( 线结构照明) 扫描物体，速度比激光逐点扫描法快，确定测量点也比较容易， 故应用比较广，国际上己经商品化。 k 图12t 行时问法原理图幽13 三角测量法原理圈 实际上傅立叶变化轮廓术，位相测量轮廓术，莫尔轮廓术也属于三角法，只不过 在不同的测量技术中采用不同的方式来从观察光场中提取三角计算中所需要的几何参 数。 傅立叶变化轮廓术：傅立叶变化轮廓术是1 9 8 3 年由m t a k e d a 和km u l o h 将傅立 叶变换用于物体的三维测量，提出了傅立叶变化轮廓术( 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 ， 简称几h 。它只需要一幅条纹就可算出位相，但计算量较大，而且不具有识别条纹增 减的能力，只能分析单调变化的条纹罔，不宜进行实时测量。 j 号 ，o p 位相测量轮廓术：采用正弦光栅投影和位相技术相结合，具有并行处理的能力。 该方法运算速度快，而且具有识别条纹增减的能力，可以分析单调或非单调的条纹图， 特别对物体表面反射率的变化不敏感，具有较高的测量精度，易实现自动测量，其精 度可以达到几十分之一和几百分之一个条纹周期，因而被广泛地研究。 莫尔轮廓术( 又称莫尔等高线法) ：h t a k a s a k i 在1 9 7 0 年首次提出这种三维轮廓测 量方法。其原理是利用一个基准光栅与投影到三维物体表面上并受到表面高度调制的 变形光栅叠合形成莫尔条纹。为了克服环境的干扰，增加图像的采集速度，利用位相 的方法来分析图像，现己开发出多幅图像莫尔系统。利用多个摄像机采集不同的位相， 可同时获得多幅图像【l 孓r 7 1 。位相莫尔法典型的测量范围为l m m 到0 5 m m ，测量的精度 为1 1 0 到1 1 0 0 个条纹周期。 数字散斑照相技术( d s p ) ：将随机数字散斑投影到参考平面上，沿深度方向等间距 平移参考平面，用c c d 摄取时间序列散斑参考集r ( t ) ，然后用被测物体取代参考平面， 获取物体调制散斑图像o 。o 中的任意子图像o ( x ，”与参考平面簇中对应位置的时间 序列子图像之间的交叉相关曲线呈高斯分布，其峰值简单，测量精度高，不需复杂的 位相展开，特别适用于测量突变轮廓和空间离散轮廓。但该方法同样对三角方法中的 阴影问题没能得到很好的解决。 调制度测量轮廓术( m m p ) ：将正弦条纹投影到物体表面上，利用横向位相技术计 算物体面上各点的调制度，然后将物体在纵向范围内移动n 次，就可得到n 帧调制度 图，再找出每一个像素点调制度最大值的位置，由此位置即可计算出此像素点的高度。 该方法突出的优点是由于投影方向与观察方向一致，所以对阴影问题、遮挡问题有较 好的处理效果，在复杂物体测量方面有良好的发展前景。 综上所述，光学三维轮廓测量方法可归结为如图1 4 所示： 傅立叶变化轮廓术 相位测量轮廓术 莫尔轮廓术 数字敌斑照相技术 调制度测量轮廓术 1 2 三位轮廓测量技术的发展情况 近年来，随着对三维物体轮廓测量精度和产品质量要求的提高，光学三维传感技 术在工程设计、质量控制、智能机器人视觉、生物医学、计算机半自动设计和计算机 3 辅助制造等领域起着越来越重要的作用。尤其在工业方面：汽车制导的障碍物探测、 模具开发的尺寸测量、应力、振动的测量和高速工业在线检测( 如：车身喷漆缺陷的 检测) 方面起到其它方法无法取代的作用，并且由于高性能的微型计算、数字图像处 理设备和c c d 固体成像器件的不断发展，光学的三维轮廓测量的一些技术已经商品化， 并以分辨率高、非接触性、速度快、获取数据多等优点己成为三维传感的重要方法， 其中基于光学投影的位相测量方法更是近年来人们研究的热点之一。 为了更好的适应工业化的需求，目前还有一些方面有待发展和提高1 1 8 l 。 1 定向反射物体表面的测量：定向反射物体表面的测量一直是三维轮廓测量的难 点。随着工业的发展，对这方面的研究也就越来越急切。目前对于定向反射物体表面 测量主要采用喷漆的形式，但采用这种方法降低了系统的测量精度；目前e n c o l c n m a n a n de s o l o m o n 1 9 ，冽等人提出一种四灯源法；g h e a l e y 等人【2 1 】通过采用简化的 t o r r a n c e s p a r r o w 反射形式的方法来获取物体的轮廓，但该方法要依赖表面反射的先验 知识；s k n a y a 啦c 等人1 2 2 j 和a c s a n d e r s o n 等人f 2 4 】使用多点源来探测反射物体的轮 廓；ykr y u 等人1 2 5 j 提出一种共轴线性距离传感器，然而它是一种点扫描的方式，速 度达不到工业上轮廓测量的要求。 2 阴影问题：阴影是指当投影光场照射到物体表面时，由于物体表面的遮挡，孔， 洞，颜色等造成一些区域投影光照射不到或被吸收，形成阴影区，它是三维轮廓测量 的一个难点问题。目前人们提出一些解决方案：如采用类似于共焦显微镜原理的散焦 技术；t k d e w i t t 等人i 刈提出的衍射光栅技术；苏显渝等人提出基于调制度的测量方 法；由于上述测量系统的投影方向与探测方向一致，对于阴影问题有一定程度的改善。 还有双光栅法，就是在测量物体的上方放置两个光栅投影装置，从不同方向投影，对 阴影问题也有一定程度的改善。 3 大视场高精度的三维轮廓测量：现在大部分测量系统比较注重测量精度，而并不 太强调测量范围。然而，现代的工业技术越来越要求测量系统即有高精度又有大范围。 最近报道m l e h m a n n 等人瞄】采用条纹投影的方式，能测量4 米宽的砖墙；李万松等人 i z 提出采用坐标校正和基于洪水算法的图像拼接法，测量1 5 m x 9 m 的沙坑，每幅图的 测量范围为6 0 0 m m 8 0 0 m m 。每幅的高度均方根误差都小于0 5 m m 。 4 实时动态三维轮廓测量：实时三维轮廓测量是指集3 d 坐标显示、3 d 测量、工 业控制及在线质量检测等方面于一体的技术，其关键是对计算速度提出了更高的要求。 近年来随着对三维物体测量精度、产品质量的提高及降低成本等要求，在工程设计、 模具开发及其产品制造等实时监控方面对光学实时三维轮廓测量要求越来越迫切。如 h o b r o u g h t i 冽所说，“实时指的是每隔1 7 m s 获取c c d 传感器上每一个像素点的值。 最近，t c l a r k 等人通过采用p h o t o g r a m m e t r y ( 摄影测量) 技术，每4 0 m s 可获得1 0 0 多个 被测点的信息；任守强，方强利用编码光两个采样值实现了动态的测量；张启灿，苏 显渝采用f 1 限测量动态液面，采用范围为3 2 0 x 2 4 0 像素，一共拍摄l o 4 s ，共获得2 0 5 帧动态图像。 4 5 自适应性：在三维轮廓测量中，人们一直希望研究出一台适用性强的轮廓仪，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及测量 参数( 距离、范围和角度) 自动调节其投影一接收系统的能力，以及解调算法随时跟上投 影图像的变化，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；也有人采用剪切 干涉仪作为投影装置；还有人用光纤干涉投影，干涉仪已在坐标测量和机器视觉方面 商品化。这些机械移动装置，易受大气扰动的影响，因此其发展受到了一定的限制。 1 9 8 7 年由美国德州仪器公司首先发明的数字光处理技术( d i 西t a ll i g h tp r o c e s s i n g ，简 称d l p ) 使高速投影成为可能。数字光处理技术提供了一种基于d m d 的全新的数字 光显示技术，由于它具有高亮度、高对比、像质好、全数字等特点，迅速地在大屏幕 投影显示领域得到推广应用，并在高清晰度数字电视中发挥着重要作用。实际上，数 字微镜器件作为一种新型的空间光调制器，在光学信息处理和结构照明型三维传感中 也具有广泛的应用前景。 1 3 本文主要研究内容和创新点 本论文重点是以l e d 为照明光源，以复眼透镜为均光元件，以数字微镜为空间光 调制器，以相移技术为基础的三维轮廓测量术的光学系统设计。主要工作内容包括： 主要介绍了三维面形测量过程中常用的一些测量方法，详细叙述了非接触式光学 三维面形测量的发展情况。重点阐述了位相轮廓测量术的基本原理和相关技术。介绍 了数字微镜( d m d ) 的工作原理，从内容和主要特点两个方面讨论了数字光处理技术， 然后从本试验系统的要求出发，分析了本系统一l e d 作为投影光源，数字微镜作为光 调制器，复眼透镜作为均光器件，以相移技术为基础的三维测量系统的主要光学器件 及其特点。最后讨论了此光学系统的关键参数一对比度及其与照明角度的关系，并提 出可以提高对比度的方案。 以非成像光学系统和成像系统的基本理论为基础，完成了以下工作： 1 分析了本系统所需要的照明系统结构，提出了适合本三维测量系统的照明系统结 构方案一e d 作为照明光源，复眼透镜作为均光器件，采用临界照明结构作为照明系 统结构。 2 用z e m a x 软件序列模块设计出准直透镜、复眼透镜阵列和聚光透镜，然后用 z e m a x 软件的非序列模块追迹大量光线模拟和优化本系统，最后用光学扩展量观点分 析了此照明系统。 3 从实际出发，设计出适合1 2 度转角d m d 的分光棱镜，模拟了分光棱镜在dmd 三种状态时的分光情况。 4 从本三维测量系统的基本要求出发，设计适合本测量系统的投影物镜。 5 最后将整个设计综合分析，并与实际测量结果作对比分析。 6 在第二章介绍位相三维轮廓测量的基本理论和第三，四章试验器件准备的基础 5 上，对三维测量实验系统进行测试分析，比较传统四步算法和五步平均算法；在系统 生成高度数据后，与由c o n f o c a l 三维测量仪器测得的数据相比较，系统的精度大于 9 6 5 ，系统标准方差小于0 3 ；最后对本测量系统误差进行分析和讨论，并提出了解 决方案。 对本系统的设计和实验进行总结，指出新的工作方向。 本论文有三个具有创新意义的工作： 1 将l e d 的应用扩展到一个新的领域三维轮廓测量术，并对l e d 应用到该领域 的光学系统结构进行了分析研究。 2 分析了基于数字光投影的三维测量光学系统的主要光学器件和特性，讨论了关键 参数一对比度及其与照明角度的关系。 3 完成了以l e d 作为照明光源，复眼透镜作为均光器件，采用临界照明方式的照 明系统结构方案。 4 开发研制了一个小型的基于相移技术的三维测量系统。 6 第二章位相三维轮廓测量的基本原理 本章将介绍位相三维轮廓测量的基本原理及优点。位相轮廓测量术的测量系统原 理如图2 1 所示，系统由照明投影、成像和数据采集与处理三大部分组成。其测量工作 原理由面结构光的产生，相位移动，位相展开，高度计算等内容组成。 。2 t 呵燃i cba o雾巧驭中岫 图2 1 位相轮廓测量( p m p ) 系统原理光路 2 1 位相三维轮廓测量的优点 位相检测技术同传统的光学测量技术相比有许多的优点： 1 测量场中不需要形成明显的条纹结构，这就意味着可以测量整个被测区域上最大 光程差小于一个波长的条纹图，具有较高的测量精度。 2 因直接测量位相，整个区域上成等精度测量。 3 采用c c d 或t v 摄像机采集条纹图的光强信息，经数字图像处理技术，直接可 得到位相，具有较大的测量速度、较高的测量精度和自动化程度。 总之，正因为位相检测技术有其它测量方法无法比拟的优点，自问世以来即得到 广泛应用，而且这种趋势与日俱增。位相检测技术是在现代高科技成果，包括激光技 术、视频技术、电子技术、信息和图像处理技术、计算机技术、精密仪器及自动控制 技术的基础上发展起来的一种提高条纹测量精度的数字化新技术。正是由于位相检测 技术的引入，使三维轮廓测量飞速发展，它通过计算能准确地给出全场各像素点上的 位相值，从而大大简化了条纹图的处理和分析工作，实现了条纹图的自动分析。并使 全场的分辨率、测试灵敏度和精度至少提高了一个数量级，同时也解决了条纹数太少 时的高精度测量问题。所以位相检测技术因其高灵敏度、高精度及高自动化程度，前 景是十分乐观的。 7 2 2 面结构光的产生 为了获取三维物体的面形，需要在被测物体表面上投影一面结构光，在位相轮廓 测量术中，通常情况是将一个光强分布呈正弦变化的光栅图形作为面结构光。 当光栅直接投影到参考基平面上时，所探测的正弦光栅像为： 1 ( x ，y ) = a ( x ，y ) + b o ，y ) c o s 丸g ，y )( 2 1 ) 当光栅投影到三维漫反射物体表面时，所探测的正弦光栅受物体面调制的像可以 用下式表示： t ( x ，y ) = a ( x ，) ，) + b ( x ，y ) c o s 妒( x ，y )( 2 2 ) 式中a ( x ，y ) 为背景光强，曰x ，y ) a ( x ，y ) 为条纹的对比度。位相函数驴( z ，y ) 是由 物体三维面形z = h ( x ，y ) 所决定的条纹变形。驴( z ，y ) 与三维面形之间的关系取决与系统 的结构参数。 为了尽可能解出位相函数驴( x ，y ) ，要求探测的光强应与( x ，y ) 的余弦严格满足 ( 2 2 ) 式，尽可能避免妒( x ，y ) 的高次谐波而引入相位误差【2 9 - 3 4 。 由于( 2 2 ) 式存在三个未知数，直接获取妒 ，y ) 相当困难，为此需要采用相移技术。 2 3 相面移动 从( 2 2 ) 式中很难准确地得到位相分布( x ，y ) ，采用相移技术则可较容易地求出 妒( x ，y ) 。如果将正弦光栅安装在一个精密微移动数控装置上使光栅能在沿栅距方向来 回可程控移动，当投影的正弦光栅移动一个周期时，变形条纹图的位相被移动了h 。 如果通过编程使投影光栅移动已知位相嗔，则探测的变形条纹图的位相也移动了6 ， 这时产生一个新的光强值，( 2 2 ) 式可写成： t ( x ，y ；6 ，) = 彳o ，y ) + b o ，y ) c o s 驴o ，y ) + 6 j ) 】 ( 2 3 ) 式中a ( x ，y ) ，b ( x ，y ) ，o ，y ) 为三个未知量，显然只要使用三个以上不同的已知 相移值的变形条纹图，位相函数妒( x ，y ) 便可以独立( 2 3 ) 式中的其它参数而单独求出。 相移方法【3 5 3 9 1 有多种，最常用的方法是n 帧满周期等间距法，即使可控相位值魂在 0 纫等问距地变化，利用某一点在多次采样中探测到的强度值来拟合出该点的初位相 8 值。 将( 2 3 ) 式展开后改写成： ，g ，y ；6 ，) = 厂o ，y ) + g o ，y ) c o s ( 6 j ) + g o ，y ) s i n ( 6 j ) ( 2 4 ) 其中 ，o ，y ) 一a ( x ，y ) g ( x ，y ) = b ( x ，y ) c o s 妒( x ，y )( 2 5 ) q ( x ，y ) = - b o ，y ) s i n 驴 ，y ) ( 2 5 ) 式实际上是，o ，y ；6 ) 的f o u r i e r 级数表示，f ( x ，y ) 是直流成分的权重因子，g ( x ，y ) 和q ( x ，y ) 为一阶谐波量的权重因子。令可控相移值为 驴j 等小， ( 2 6 ) 式中n 为整数，表示在一个周期内的采样点数。在相移量为6 ，处探测到的强度值为 x ( x ，y ；6 ，) ，利用三角函数的正交性可以证明： 胞小专耋讹y 跏 g o ，y ) 。专善，o ，y ，) c o s 6 ， ( 2 7 ) q 。，y ) 2 专著， ，y 加， 显然，由( 2 6 ) ，( 2 7 ) 两式，可得到驴( x ，y ) 的正切为： l ( x ，y ，) s i n 6 f g 陟o ，y ) 】一一留o ，y ) g o ，y ) 一一专二一 ( 2 8 ) 芝，o ，y j ) c o s 6 j 在一般应用中，常见的情况是在一个周期内进行r , r ( n 苫3 ) 次采样，则相移的次数为 n 1 ，总相移量为h 因为从( 2 8 ) 式只能求得( x ，y ) 的正切值，妒( x ，y ) 的真实值可表示为 驴 ，y ) = 2 m 石+ 妒r 0 ，y ) 儿、荟似驴鸣 ( 2 9 ) 矿0 ，y ) = - a r c t g 岩l 一 、7 ，o ，y ，) c o s 6 ， 9 ( 2 9 ) 式中妒r ( x ，y ) 称为连续真实位相妒( x ，y ) 的截断位相，m 为一整数，需要进一步 求解，即通过位相展开技术确定m 值。 2 4 位相展开 p m p 在计算位相时使用了反三角函数，位相被截断在主值范围内，因此是不连续 的。为了从位相函数计算被测物体的高度分布，必须将由于反三角运算引起的截断位 相恢复成原有的真实位相分布，这一过程称为位相展开，或位相解截断( p h a s e u n w r a p ) t 1 0 4 1 。位相展开是利用物面高度分布特性来进行的。它基于这样一个事实：对 于一个连续物面，只要两个相邻被测点的距离足够小，两点之间的位相差将小于万。 也就是说必须满足抽样定理的要求，每个条纹至少有两个抽样点，即抽样频率大于最 高空间频率的两倍。 展开方法一般可表述为：在展开方向上比较相邻两个点的位相值，如果后点与前 点的差值小于a t ，则后点的位相值应该加上2 ；r ；如果差值大于石，则后点的位相值 应该减去2 ：r 。以一维情况为例，设有截断位相函数 ( j ) = 妒7 ( _ ) + 2 a n ， 刀f 一胛 【( 矿( 歹) 一驴1 ( ，- 1 ) 2 a - + 0 5 + ，l - 1 ( 2 1 0 ) n o 一0 式中i n t 为取整算符。通常的情况是截断的位相数据为一个二维的矩阵，这时应 先沿数据矩阵的某一行进行位相展开，然后以该行展开后的位相为基准，再沿每- - n 展 开，从而得到连续分布的二维位相函数。 在利用周期性结构光场投影的三维传感中，位相的自动展开方法是一个十分重要 又十分困难的问题。条纹断裂引起的位相不连续、较低的调制度、局部不满足抽样定 理，以及类散斑噪声等问题的存在都将增加位相展开的难度。如果上述问题同时存在， 则使展开过程变得非常复杂。 关于位相展开有了许多算法1 4 0 - 7 0 1 ，这些算法各有其优点，但它们并不能解决所有 位相展开的问题。因此针对不同的情况，可以采用不同的方法。 2 5 高度计算 从位相到高度的转换与系统的结构参数有关，采用远心光路的p m p 系统见图2 2 。 在参考平面上的投影f 弦条纹是等周期分布的，其周期为p 。，这时在参考平面上的位 相分布妒( 石，y ) 是坐标x 的线性函数，记为： 驴( x ，y ) ；戤。塾x p o 1 0 ( 2 1 1 ) d c lz 。 ea o 参考平面 图2 2 远心pmp c c d 探测器上d 点对应参考平面上c 点，其位相为： ( 2 1 2 ) d c 点与被测三维表面d 点在c c d 上的位置相同，同时其位相等于参考平面上a 点的位相。有： 九：九；o c( 2 1 3 ) p o 显然 a c = ( p o 劢) ( 2 1 4 ) 则d 点相对于参考平面的高度h 为： h 。熹 1 、2 1 5 ) = _) t g o + t 9 0 1 、7 当观察方向垂直于参考平面时，上式可表示为： 拈参= ( p o t g o ) ( 幼) ( 2 1 6 ) 定义系统参数丸为等效波长，有： 丸= p o t g o( 2 1 7 ) 一个等效波长正好等于引起2 a 位相变化量的高度差，是p m p 方法中一个重要的 参数。结构照明型条纹图可以等效为物体面形作为物波波面，而照明方向作为参考波 面传播。 常用的p m p 系统一般采用发散照明，如图2 1 所示。这时参考平面上的位相分布 已不再是线性分布的，情况比采用远心光路时更复杂一些。虽然驴( z ，y ) 不是x 的线性 函数，但参考平面上每一点相对于参考点o 的位相值是唯一和单调变化的。因此可以 根据系统结构参数建立参考平面坐标( x ，y ) 与位相分布谚( x ，y ) 之间的映射关系，并将这 一关系以查找表的形式存储在计算机中。c c d 探测器上d 点可以测量出物面上d 点的 位相，该点位相等于参考平面上a 点的位相。将该位相值放入查找表中，通过线性插 值的方法，就可以得到距离o a ；同时，啡点也对应着参考平面上的c 点，在查找表中 可直接得到距离o c 。这样c a = o c - o a ，由相似三角形鲋d c 和必肼：，可得d 点的 高度h 为： j i l ：掣( 2 1 8 ) 1 + a c | d 、 大多数情况下，a c “d ，因此( 2 2 1 ) 式可进一步简化为： j i i 。a c l _ 。a c d t g o ( 2 1 9 ) 需要指出的是，在所述两种情况下计算出的物体高度分布h ( x ，y ) 在( x ，y ) 坐标方向上 都必须进行几何校正。 1 2 第三章数字微镜的光处理技术及其光学系统 数字微镜器件是一种新型的微电子、微机械、微光学集成器件。1 9 8 7 年由美国德 州仪器公司首先发明。它采用微电子机械原理，使用半导体工艺制作数字开关阵列， 用二进制脉宽调制技术精密控制。美国德州仪器公司还研究开发了一套基于d m d 的 数字光处理技术( d i g i t a ll i g h tp r o c e s s i n g ，简称d i j p ) 软件。数字光处理技术提供了一种 基于d m d 的全新的数字光显示技术，由于它具有高亮度、高对比度、像质好、数字 化等特点，迅速地在掩模平板印刷术和投影显示等领域得到推广应用，并在高清晰度 数字电视中发挥重要作用。实际上，数字微镜器件作为一种新型的空间光调制器，在 光学信息处理和结构照明型三维传感中也具有广泛的应用前景。 本章将首先介绍数字微镜( d m d ) 的工作原理和数字光处理技术的内容和主要特 点，然后分析基于数字光投影的三维测量系统的主要光学器件及其特性。最后分析了 采用此光学系统的关键参数对比度及其与照明角度的关系。 3 1 数字微镜的工作原理 数字微镜即指数字微反射镜器件( d i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c e ，简称d m d ) 它是在变 形镜器件( d e f o r m a b l em i r r o rd e v i c e ，简称d m d ) ! 特别是变形镜光阀的基础上发展起来 的。它是大规模集成电路技术、微机电系统( m i c r o e l e c t r i c a l m i c r o m a c h a n i c s y s t e m s ， 简写m e m s ) 技术和微光学( m i c r o o p t i c s ) 技术三者结合的典型产物之一【7 1 2 1 。图3 1 是 d m d 单元结构示意图。采用大规模集成电路标准c m o s 工艺制作成静态r a m 存储器 阵列，每个单元中r a m 上都有两条寻址电极和“着陆平台”( 1 a n d i n gp a d s ) ，其上有立 柱支撑，并由铰链连接的可转动微反射镜覆盖。采用光刻一淀积一刻蚀等微电子磁机 械制作技术加工成二维阵列。d m d 几种典型的几何参数为：单个镜面的尺寸为 1 3 6 8 u r nx 1 3 6 8 u r n 或者1 6 u r nx 1 6 u m ，目前最新的有d m dd i s c o v e r y 蹦1 1 0 0 ，d m dt y p e 为o 7 ”x g a1 2 0d d r 和d m d d i s c o v e r y 1 m3 0 0 0 ，d m d t y p e 为0 7 ”x g a1 2 ul v d s ， o 9s x g a + 1 2 0l v d s 。d m d 器件工作时，在反射镜上加负偏压，一个寻址电极上力i + 5 v 电压( 数字”1 ”) ，另一寻址电极接地( 数字”o ”) 。这样就形成一个差动电压，产生一个力 矩，使反射镜绕扭臂梁旋转，直到接触“着陆台”为止。由于“着陆台”的限制，使 镜面的偏转角度0 保持一定值( 1 2o 或1 0 0 ) ，且在d m d 整个面积上有很好的一致性。 在扭矩的作用下，反射镜将一直锁定于该位置上，不管它下面的存储器的数据是否变 化，直到复位信号出现为止。这样，每一单元都有三个稳态o = 0 和0 = 1 2o 或1 0o 同 样原理。0 = 0 对应于无寻址信号( 两个寻址电极电压均为o ) 的情况。 1 3 圈31d m d 的结构示意图 “矮 幽32d 1 4 d 教罕成像系统原理 d m d 用于数字投影成像系统的工作原理如图3 2 所示。该图以1 0o 转角的d m d 为例。当该像素被寻址电极电压驱动，使反射镜偏转0 = 1 0o 时，它反射的光束刚好沿 光轴方向通过投影物镜成像在屏上，称此状态为“汗启r o n ”k 反之0 - - 1 0o 时， 称d m d 的状态为“关闭”c o f f ”1 。当无驱动电压时，为零状态( ”f l a t ，) 。 32 数字光处理技术 数字光处理技术是利用d m d 原理实现常舰视频信号转换为全数字光投影显示的 技术总称，即d m d 配上数字控制子系统、信号处理子系统和接几单元及光学子系统 从而构成数字光处理系统1 7 3 - 7 5 】。 啊 黼 3 2 1 数字光处理技术内容 数字光处理技术的主要内容包括以下五个方面： 1 图像源信号的处理：首先必须将原始图像信号转换成适当的数字信号或通过编程 直接生成相应的数字化图像信号，即将信号数字化。 2 信号编码：数字化后的图像信号要经过数字光处理系统中的数字信号处理( d s p ) 格式化板处理、编码，变成相应的d m d 数字比特流，然后送入d m d 控制子系统。 d m d 控制子系统安装在p c b 上，上面除了d m d 外还有周边电路，包括视频a d 存 储器、视频处理器和多片d s p 。a d 变换器可以将模拟视频信号转成数字信号，d s p 可将数据转成d m d 所要求的格雷码，用p w m 方式对光进行调制。 3 聚光于d m d ：来自光源的一束强光经过聚光镜、色轮、折射镜投射到d m d 上。 一块d m d 上有几十万到上百万只数字微镜单元，这些微镜按照图像信息、编码的指 令，每秒钟进行五千多次迅速的开、合操作。入射光经过d m d 的调制，从d m d 反射 出来，打在投影屏上形成了清晰的图像。由于微镜的迅速开、合，使数字图像变换极 为频繁，完全超过了人眼的感觉能力极限，即使图像画面很大，也看不到频闪现象， 图像依然稳定、清晰。 4 图像颜色信息的产生：由于目前出现的d l p 系统有单d m d 式、双d m d 式、三 d m d 式结构，所采用系统结构不同，图像颜色信息产生的方法也不同。 5 数字图像到达屏幕：通过一组透镜将经由d m d 反射出来的图像放大后，投影在 各种规格的屏幕上，产生清晰的图像。 由于本系统所采用的是单d m d 结构数字光处理器，本文主要针对这一结构的光 学系统进行研究。 3 2 2 数字光处理器的主要特点 由上面介绍可以知道，基于d m d 的数字光处理器实际上就是一个二维空间光振 幅型调制器，完全可以用于光信息处理，对光场进行调制或解调。本文就是利用它的 这一特性，在光学三维传感产生所需的面结构照明光场。 数字光处理器与传统的二维空间光调制器( 如c r t , l c d 等) 相比，具有以下几个显 著特点： 1 全数字式：传统的二维空间光调制器需要通过数模转换后产生模拟信号来进行控 制，不仅费时，而且转换的模拟控制信号精度直接影响光调制，影响图像再现精度； 而d l p 省去了这一环节，直接用数字化控制，同时提供了全数字式视讯结构，实现整 个系统的全数字式控制。 2 高亮度：传统的二维空间光调制器均采用透射式，经调制后的光场亮度衰减很大， 产生的亮度相对较弱，光效率为4 0 左右；而d m d 则是一种反射