在基于条纹投影的三维测量方法中，圆形正弦条纹比线性条纹具有更高的相位灵敏度。提出一种基于发散投影光线几何关系的圆形条纹投影共轴三维测量方法。沿光轴方向移动投影仪使得物面上的条纹发生变化，利用电荷耦合器件（CCD）采集对应的条纹图，并从中解算出不同的相位场。利用投影仪位移带来的投影光线变化建立起相位信息和物体高度间的约束，不需要获取复杂的系统参数就能重建物面的高度信息，减少测量中存在的阴影和遮挡问题。仿真和实验结果均表明了所提方法的有效性和实用性。
测量 三维面形测量 圆形条纹投影 发散投影 共轴系统 光学学报
2022, 42(19): 1912004
成都信息工程大学光电工程学院，四川 成都 610225
提出一种基于相移与焦移法的三维面形垂直测量方法，当投影仪变焦扫描被测物体的深度信息时，将三步相移中的三帧条纹图依次连续循环投影到被测物体表面上，相机同步采集对应的条纹图。在计算投影仪每一焦距值对应的条纹图的调制度分布时，利用该焦距位置及其前后相邻焦距值位置处的三帧条纹图近似计算该焦距位置处的调制度分布，并根据调制度值最大值与深度信息的关系重建被测物体的三维形貌。实验结果表明，所提方法的条纹投影量和数据采集量仅占传统三步相移法的1/3，却可获得与传统三步相移法几乎相同的测量精度。在1100 μm测量深度范围内，相移与焦移法对任意位姿斜面的测量均方根误差平均值可达4.98 μm。
测量 光学微观三维面形测量 调制度测量轮廓术 垂直测量 相移方法 光学学报
2022, 42(15): 1512004
圆形正弦条纹在条纹圆心处具有恒定相位（常编码为零相位），其圆心可以作为相位展开的参考点，据此得到的绝对相位用于计算被测物体的高度信息。由于圆形条纹的载波相位为非线性函数，已有的圆形条纹投影傅里叶变换法需要求解一元二次方程，进行判根操作，再使用拟合来得到对应物面高度信息的像素位移量，鲁棒性差。提出并研究了一种基于傅里叶变换的改进圆形条纹投影轮廓术，该技术通过多投影一帧具有水平移动量的条纹，简化了圆形条纹投影方式的像素位移量的计算，将像素位移量的计算从解一元二次方程降维为解一元一次方程，提高了基于傅里叶变换圆形条纹投影轮廓术的鲁棒性和面形重建精度。计算机仿真和实验验证了所提方法重建物体三维面形的有效性，特别适合全平面离面测量。
测量 三维面形测量 圆形条纹投影 傅里叶变换轮廓术 坐标变换 Gerchberg迭代 光学学报
2022, 42(13): 1312003
四川大学电子信息学院光电系, 四川 成都 610065
编码的圆形正弦条纹在圆心具有零相位, 该点可以作为后续相位计算和展开的参考。但是圆形条纹提供的载频相位具有非线性特点, 当其用于三维面形测量时, 如果圆心在物面上, 获取物面高度信息的方法与投影单频直条纹的情况不同。研究基于圆形条纹投影的相移轮廓术, 讨论了物面高度引起的图像点坐标的位移量和绝对相位的计算方法, 并完成相应的误差分析。对3.5 mm平面测量误差的标准差为0.019 mm。计算机模拟和实验验证了该方法能直接得到离面物体的绝对相位, 用于重建物体的三维面形。
三维面形测量 圆形条纹投影 相移测量 相位展开 绝对相位计算 three dimensional surface measurement circular fringe projection phase shift measurement phase unwrapping absolute phase calculation
提出了一种时空结合的三频时间相位展开方法,提高了三频时间相位展开方法的抑噪能力和相位展开的可靠度。在所提方法中,用灵敏度大于1的条纹代替传统三频时间相位展开法中灵敏度为1的条纹。通过计算这些条纹的截断相位,对其进行空间相位展开,并利用这些展开相位来指导其他两帧高灵敏度截断相位图的展开。与传统三频时间相位展开方法相比,在最高灵敏度条纹空间频率相同的情况下,所提方法缩小了三套条纹之间的频率倍数差,进而减小了噪声对相位展开的影响,提高了三频时间相位展开的可靠度和精度。
测量 三维面形测量 相位测量轮廓术 三频相位展开 时空相位展开
1 四川大学电子信息学院, 四川 成都 610064
2 浙江师范大学信息光学研究所, 浙江 金华 321004
针对动态孤立场景三维形貌测量难题,提出了时域傅里叶条纹分析方法,充分利用被测动态场景对多周期相移投影条纹在时间域上的调制,对携带被测面形变化信息的系列变形条纹沿时间轴作傅里叶条纹分析,提取相位进行对应的三维重建,有效保留了复杂场景的空间高频信息。为了保证相位信息准确可靠,设计了三频条纹复合的圆盘光栅,经电机带动进行旋转投影,在被测场景表面产生多周期相移条纹。该方法不在空域进行滤波操作,三频条纹解算出对应相位信息后进行时间相位展开,适用于孤立物体的测量。拍摄记录的每一帧条纹图像均能对应重建一个三维结果,适用于动态场景测量。搭建系统完成了验证实验,结果证实了本研究提出方法和系统的可行性。
测量 动态三维面形测量 傅里叶条纹分析 三频复合光栅 条纹投影 光学学报
2021, 41(23): 2312005
1 湖南文理学院 国际学院，湖南 常德 415000
2 湖南省洞庭湖生态经济区协同创新中心，湖南 常德 415000
3 湖南文理学院 数理学院，湖南 常德 415000
4 成都信息工程大学 光电工程学院，四川 成都 610225
5 电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川 成都 6100054
在测量系统中，CCD的非线性效应会影响复杂光学三维面形的测量精度，针对这一问题，提出采用双频光栅投影消除CCD的非线性效应以提高测量精度。首先，分析了CCD非线性效应对三维面形测量的影响，给出了该情况下出现频谱混叠的解析推导和物理解释。然后，讨论了CCD非线性效应下的双频光栅测量原理，分析了此时变形条纹的光强分布及其经傅立叶变换后得到混叠频谱的原理。最后，给出了由等效波长来衡量测量精度的方法，推出了使用双频光栅投影测量三维面形高度信息的基本公式，并进行了理论分析。对最大绝对值与平均绝对值分别为24.3181 mm和1.0839 mm的物体进行仿真分析，测量值与实际值之间的最大绝对高度误差与平均绝对高度误差分别为0.8950 mm和0.0622 mm，提高双频光栅基频后，其对应值分别减小为0.3710 mm和0.0232 mm；在实验结果显示，当双频光栅的基频都增加2.5倍后，频谱中的基频与高级频谱间分离较好，测量精度提高。因此，采用双频光栅投影消除CCD非线性效应具有较强的实用性和很好的发展前景。
三维面形测量 双频光栅 CCD非线性效应 频谱混叠 测量精度 three-dimensional shape measurement dual frequency grating CCD nonlinearity effect spectrum aliasing measurement accuracy
四川大学光电科学技术系, 四川 成都 610065
设计了一种适用于光滑表面的调制度显微测量系统, 系统包括两个远心镜头、一个半透半反镜、一个显微物镜、一个 CCD相机和一个DMD数字投影仪。由远心镜头和显微物镜结合将数字投影仪产生的条纹图像成像到显微物镜物面, 得到虚拟的 标准条纹图, 待测表面对该虚拟条纹图的反射像将沿显微物镜光路返回进入CCD像平面, 待测物体在高精度一维平移台的控制 下沿光轴移动, 根据相移算法可以从获取的条纹图中计算出每个位置的图像调制度, 通过查找调制度最大值对应的位置, 即 可完成待测物点的三维形貌测量。实验结果表明该显微调制度测量方法能获得高精度面形, 特别适用于微小形貌剧烈变化物 体面形测量。
镜面物体 三维面形测量 显微测量 相移 调制度 specular object three-dimensional shape measurement microscopic measurement phase shift modulation
四川大学电子信息学院光电科学技术系, 四川 成都 610064
S变换轮廓术是一种采用无损可逆时频技术来获取物体三维面形的方法。该方法利用S变换的多分辨率特性,从单幅条纹中高精度地提取相位信息,重建物体的三维面形。分析了影响S变换轮廓术精度的因素,提出采用分段均值和曲线拟合的方法来抑制条纹背景分量,在S变换核函数中引入调节因子来进一步提高S变换的时频分辨能力。模拟和实验均验证了所提方法能更准确地得到S变换系数,提高物体三维面形的重建精度。
测量 结构光投影 三维面形测量 S变换 条纹分析 相位计算 光学学报
2019, 39(10): 1012001
1 西南技术物理研究所, 四川 成都 610041
2 四川大学电子信息学院, 四川 成都 610065
为了兼顾调制度测量轮廓术的测量速度与测量精度,提出了一种新的基于相移与调制度比的调制度测量轮廓术方法。使用一个由柱面镜和普通投影镜头组成的特殊投影系统,将竖直与水平两组相移正弦光栅依次投射在测量区域,柱面镜使两种光栅条纹的“像面”分离,两“像面”之间构成测量区域。利用相移算法得到两组正弦条纹在测量区域的调制度分布,并建立两种条纹的调制度比与实际物理位置的映射关系。测量时,将待测物体放置于测量区域,并根据物体表面两种条纹的调制度比与物理位置的映射关系,即可重建物体的三维面形。通过对实物的测量实验验证了所提方法的可行性。
测量 三维面形测量 调制度测量轮廓术 垂直测量 高度映射 相移算法
