光纤空间编码投影器设计及应用研究

论文摘要

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。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 引言

1.2 物体三维轮廓术的分类及研究概况

1.2.1 接触式测量方法

1.2.2 非接触式测量方法

1.3 三维轮廓测量的研究热点及未来发展趋势

1.4 本论文研究的目的和意义

1.5 本论文的主要研究内容

第2章结构光轮廓测量的基本理论

2.1 傅里叶变换轮廓术的基本理论

2.2 相移轮廓术的基本理论

2.3 相位展开的基本方法

2.4 物体面形的高度计算方法

2.5 本章小结

第3章光纤干涉理论

3.1 双光纤干涉理论

3.2 多光纤干涉理论

3.3 双芯光纤干涉理论

3.4 本章小结

第4章多功能光纤空间编码投影器设计

4.1 多光纤直排的空间编码投影器

4.1.1 七根单模光纤直排的空间编码投影器

4.1.2 六根单模光纤直线密排的空间编码频移投影器

4.2 七根光纤花瓣形空间编码投影器

4.2.1 七根光纤花瓣形空间编码投影器结构

4.2.2 七根光纤花瓣形投影器投影光场及频谱

4.3 3×3方阵光纤空间编码投影器

4.3.1 3×3方阵空间编码投影器结构

4.3.2 正方格子结构光场图像及频谱

4.4 双芯光纤投影器

4.5 本章小结

第5章光纤干涉变频投影轮廓测量方法研究

5.1 双光纤干涉变频投影轮廓测量方法

5.1.1 理论模型的建立

5.1.2 双光纤干涉变频空间编码投影器

5.1.3 计算机数值模拟

5.1.4 原理性实验研究

5.1.5 讨论

5.2 双芯光纤干涉变频投影轮廓测量方法

5.2.1 双芯光纤干涉变频的实现

5.2.2 理论模型的建立

5.2.3 计算机数值模拟

5.2.4 原理性实验研究

5.2.5 讨论

5.3 本章小结

第6章光纤干涉混频投影轮廓测量方法研究

6.1 光纤混频空间编码投影器

6.2 理论模型的建立

6.3 计算机数值模拟

6.3.1 渐变物体轮廓提取的数值模拟

6.3.2 突变物体轮廓提取的数值模拟

6.4 原理性实验研究

6.4.1 光纤混频投影器的制作和实验系统的建立

6.4.2 实验测试及结果

6.5 本章小结

第7章光纤干涉频移投影轮廓测量方法研究

7.1 光纤干涉频移投影器的结构设计

7.2 理论模型的建立

7.3 计算机数值模拟

7.4 原理性实验研究

7.4.1 光纤频移投影器的制作和实验系统的建立

7.4.2 实验测试及结果

7.5 本章小结

第8章参考条纹法光纤干涉相移轮廓测量方法研究

8.1 参考条纹法光纤相移轮廓测量的理论模型

8.2 计算机数值模拟

8.3 实验测试及结果

8.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

个人简历

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