本文關(guān)鍵詞：激光高速掃描頻閃成像三維尺寸測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：在三維尺寸測(cè)量中,常用的數(shù)字光處理技術(shù)(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(duì)比度不理想,系統(tǒng)復(fù)雜,適應(yīng)性較差。這些問題限制了其在高精度微小尺寸、具有復(fù)雜反光特性的表面器件(半導(dǎo)體、微電子器件等)的精密在線測(cè)量場(chǎng)合的應(yīng)用。針對(duì)三維尺寸測(cè)量在測(cè)量速度、精度和適應(yīng)性方面存在的問題,論文設(shè)計(jì)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(cè)量原理。本文主要研究?jī)?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(cè)量速度快和線結(jié)構(gòu)激光測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。研究了頻閃投射成像原理,完成了光學(xué)與機(jī)械系統(tǒng)、光電探測(cè)電路以及FPGA實(shí)時(shí)控制電路的設(shè)計(jì)。2.根據(jù)頻閃投射成像的特點(diǎn)分析了投射的條紋特性。投射的高亮度激光光柵條紋精細(xì)且密度高,刷新頻率快,并能實(shí)現(xiàn)條紋頻率、脈寬、相位變化的實(shí)時(shí)控制。通過理論和實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)正弦光柵條紋,也可以作為精密的多線結(jié)構(gòu)光應(yīng)用于三維尺寸精密測(cè)量中。3.設(shè)計(jì)并組建了針對(duì)微小尺寸、具有復(fù)雜反射率表面金屬器件的頻閃成像三維尺寸測(cè)量系統(tǒng)。研究了系統(tǒng)的三維測(cè)量原理,提出了空間角度約束測(cè)量模型,并根據(jù)條紋脈寬調(diào)制特性實(shí)例化為兩種可方便實(shí)現(xiàn)的空間相位映射模型和多線結(jié)構(gòu)光光平面約束模型。兩種測(cè)量模型在數(shù)學(xué)關(guān)系和物理意義上實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一。4.研究了兩種測(cè)量模型的條紋解析方法和標(biāo)定方法。測(cè)量模型不需要額外參考平面約束,系統(tǒng)適應(yīng)性好;標(biāo)定過程簡(jiǎn)單可靠,適合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)塊測(cè)量的均方根誤差為6.7μm。對(duì)印制電路板錫膏測(cè)量的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的光源投射器在條紋投影三維尺寸測(cè)量中的實(shí)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(cè)量中的實(shí)際情況,在典型的相移法和傅里葉變換方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),引入基于空間平滑約束的相移法、基于小波變換的時(shí)頻分析法和基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾淖赃m應(yīng)條紋解析法,提升了系統(tǒng)的可靠性和適用性。
【關(guān)鍵詞】：激光掃描 頻閃投射成像 三維尺寸測(cè)量 條紋結(jié)構(gòu)光 條紋分析
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：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(xué)三維尺寸測(cè)量技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-19
• 1.2.1 便攜式掃描尺寸測(cè)量技術(shù)12-13
• 1.2.2 復(fù)雜環(huán)境下三維測(cè)量技術(shù)13-14
• 1.2.3 快速、動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)14-16
• 1.2.4 微小尺寸精密測(cè)量技術(shù)16-19
• 1.3 條紋投影三維測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)和研究進(jìn)展19-26
• 1.3.1 光源投射技術(shù)20-21
• 1.3.2 圖像采集及處理技術(shù)21
• 1.3.3 條紋分析技術(shù)21-23
• 1.3.4 相位展開（解包裹）技術(shù)23-24
• 1.3.5 測(cè)量模型和標(biāo)定技術(shù)24-26
• 1.4 論文的主要研究?jī)?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(shè)計(jì)37-42
• 2.2.1 光學(xué)與機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)37-39
• 2.2.2 光電探測(cè)電路設(shè)計(jì)39-40
• 2.2.3 FPGA實(shí)時(shí)控制40-42
• 2.3 頻閃成像激光光柵條紋特性實(shí)驗(yàn)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(xì)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(cè)量原理51-64
• 3.1 三維測(cè)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(gòu)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(shí)別方法62-63
• 本章小結(jié)63-64
• 第四章 頻閃成像三維測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法64-84
• 4.1 標(biāo)定方法64-69
• 4.1.1 物相標(biāo)定方法64-65
• 4.1.2 多線結(jié)構(gòu)光光平面標(biāo)定方法65-69
• 4.2 標(biāo)定過程69-75
• 4.2.1 空間點(diǎn)陣列獲取與攝像機(jī)標(biāo)定70-71
• 4.2.2 相位解算與物相標(biāo)定71-73
• 4.2.3 條紋中心解算識(shí)別與光平面標(biāo)定73-75
• 4.3 準(zhǔn)確度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)75-78
• 4.4 印制電路板錫膏測(cè)量實(shí)驗(yàn)78-83
• 本章小結(jié)83-84
• 第五章 相位解析準(zhǔn)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(shí)頻分析法90-94
• 5.4 自適應(yīng)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?jī)?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(xiàn)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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本文編號(hào)：657346