本文關鍵詞：激光高速掃描頻閃成像三維尺寸測量關鍵技術研究

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【摘要】：在三維尺寸測量中,常用的數(shù)字光處理技術(Digital Light Processing,DLP)難以投射出高空間分辨率、連續(xù)的正弦光柵條紋,刷新速率也受限;激光干涉原理產(chǎn)生的條紋對比度不理想,系統(tǒng)復雜,適應性較差。這些問題限制了其在高精度微小尺寸、具有復雜反光特性的表面器件(半導體、微電子器件等)的精密在線測量場合的應用。針對三維尺寸測量在測量速度、精度和適應性方面存在的問題,論文設計了一種高速掃描頻閃成像激光光柵條紋投射器,研究了頻閃成像三維測量原理。本文主要研究內(nèi)容如下:1.提出了一種高速掃描頻閃成像激光光柵條紋投射方案,方案綜合了光柵條紋整體投射測量速度快和線結(jié)構激光測量精度高的優(yōu)點。研究了頻閃投射成像原理,完成了光學與機械系統(tǒng)、光電探測電路以及FPGA實時控制電路的設計。2.根據(jù)頻閃投射成像的特點分析了投射的條紋特性。投射的高亮度激光光柵條紋精細且密度高,刷新頻率快,并能實現(xiàn)條紋頻率、脈寬、相位變化的實時控制。通過理論和實驗分析了條紋的線寬、密度、相移以及正弦分布特性,既可以作為高密度的準正弦光柵條紋,也可以作為精密的多線結(jié)構光應用于三維尺寸精密測量中。3.設計并組建了針對微小尺寸、具有復雜反射率表面金屬器件的頻閃成像三維尺寸測量系統(tǒng)。研究了系統(tǒng)的三維測量原理,提出了空間角度約束測量模型,并根據(jù)條紋脈寬調(diào)制特性實例化為兩種可方便實現(xiàn)的空間相位映射模型和多線結(jié)構光光平面約束模型。兩種測量模型在數(shù)學關系和物理意義上實現(xiàn)了統(tǒng)一。4.研究了兩種測量模型的條紋解析方法和標定方法。測量模型不需要額外參考平面約束,系統(tǒng)適應性好;標定過程簡單可靠,適合現(xiàn)場實施。對標準塊測量的均方根誤差為6.7μm。對印制電路板錫膏測量的應用實驗驗證了本文所設計的光源投射器在條紋投影三維尺寸測量中的實用性。5.研究了頻閃成像激光光柵條紋相位解析方法。結(jié)合頻閃成像激光光柵條紋在三維測量中的實際情況,在典型的相移法和傅里葉變換方法的基礎上進行改進,引入基于空間平滑約束的相移法、基于小波變換的時頻分析法和基于經(jīng)驗模式分解的自適應條紋解析法,提升了系統(tǒng)的可靠性和適用性。
【關鍵詞】：激光掃描 頻閃投射成像 三維尺寸測量 條紋結(jié)構光 條紋分析
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TP391.41
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 緒論10-28
• 1.1 課題的背景與意義10-12
• 1.2 光學三維尺寸測量技術國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-19
• 1.2.1 便攜式掃描尺寸測量技術12-13
• 1.2.2 復雜環(huán)境下三維測量技術13-14
• 1.2.3 快速、動態(tài)測量技術14-16
• 1.2.4 微小尺寸精密測量技術16-19
• 1.3 條紋投影三維測量關鍵技術和研究進展19-26
• 1.3.1 光源投射技術20-21
• 1.3.2 圖像采集及處理技術21
• 1.3.3 條紋分析技術21-23
• 1.3.4 相位展開（解包裹）技術23-24
• 1.3.5 測量模型和標定技術24-26
• 1.4 論文的主要研究內(nèi)容26-28
• 第二章 頻閃成像激光光柵條紋投射原理及裝置28-51
• 2.1 頻閃成像激光光柵條紋投射原理28-37
• 2.1.1 頻閃投射成像原理28-31
• 2.1.2 頻閃成像激光光柵條紋特性理論分析31-37
• 2.2 頻閃成像激光光柵條紋投射器設計37-42
• 2.2.1 光學與機械系統(tǒng)設計37-39
• 2.2.2 光電探測電路設計39-40
• 2.2.3 FPGA實時控制40-42
• 2.3 頻閃成像激光光柵條紋特性實驗分析42-50
• 2.3.1 頻閃成像激光光柵條紋投射系統(tǒng)裝置42-43
• 2.3.2 最細線寬和最小條紋周期43-44
• 2.3.3 頻率、脈寬和相移特性44-47
• 2.3.4 光源的穩(wěn)定性47-48
• 2.3.5 條紋分析48-49
• 2.3.6 討論49-50
• 本章小結(jié)50-51
• 第三章 頻閃成像三維測量原理51-64
• 3.1 三維測量模型51-60
• 3.1.1 相位高度映射模型52-53
• 3.1.2 空間角度約束模型53-56
• 3.1.3 空間相位（角度）映射模型56-57
• 3.1.4 多線結(jié)構光光平面約束模型57-60
• 3.2 條紋解算方法60-63
• 3.2.1 相位解算方法60-62
• 3.2.2 條紋中心提取和識別方法62-63
• 本章小結(jié)63-64
• 第四章 頻閃成像三維測量系統(tǒng)標定方法64-84
• 4.1 標定方法64-69
• 4.1.1 物相標定方法64-65
• 4.1.2 多線結(jié)構光光平面標定方法65-69
• 4.2 標定過程69-75
• 4.2.1 空間點陣列獲取與攝像機標定70-71
• 4.2.2 相位解算與物相標定71-73
• 4.2.3 條紋中心解算識別與光平面標定73-75
• 4.3 準確度驗證實驗75-78
• 4.4 印制電路板錫膏測量實驗78-83
• 本章小結(jié)83-84
• 第五章 相位解析準確性提升方法研究84-98
• 5.1 相位解析誤差分析84-86
• 5.2 基于空間平滑約束的相移法86-90
• 5.3 時頻分析法90-94
• 5.4 自適應條紋解析法94-97
• 本章小結(jié)97-98
• 第六章 全文總結(jié)與展望98-101
• 6.1 全文總結(jié)98-99
• 6.1.1 具體研究內(nèi)容98-99
• 6.1.2 創(chuàng)新性研究成果99
• 6.2 課題展望99-101
• 參考文獻101-116
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明116-117
• 附錄117-121
• 致謝121-122

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