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光纤干涉投射物体表面三维轮廓动态测量技术的研究

胡博  
【摘要】:三维形貌测量技术在质量保证。机器视觉。医学。考古以及自动定位与导航等多个领域中的起着越来越突出的作用,并成为医学仪器。光学仪器以及材料学等方面进行科学技术研究的重要内容与方法。本文受测试计量技术国家重点实验室自由探索课题支持,针对一些小尺寸光学元件表面面形检测以及低频率膜振动情况的检测,旨在利用傅里叶变换法,为高精度动态测量系统做基础性研究。本文改进了傅里叶变换法的经典结构,建立新坐标系,使用光纤投射干涉条纹,用相机采集变形条纹图像,利用二维傅里叶变换在频域中滤波,并在相位去包裹后初步恢复了物体的三维形貌,为发展一种物体表面三维信息动态检测技术做了基础性研究。在实验室已有基础上,对系统进行了有效的优化和改进。文章主要内容包括如下几点: 1)提出三维轮廓动态测量方案,在傅里叶变换法经典结构上建立新的坐标系,根据小孔成像模型推导了物点三维坐标与系统结构参数和经物体表面调制的相位场之间的关系。 2)针对光纤干涉仪中,干涉臂会受环境影响而导致干涉条纹漂移的缺陷,根据直流相位跟踪原理,设计数字式直流相位跟踪稳相装置,有效地提高了光纤干涉仪抵抗低频振动的能力。 3)针对实验室原有系统结构参数标定方法中存在的不足,提出了几种新的标定方案,简化了光纤投射端纤芯距的标定步骤,提高了像平面位置。零级条纹投射角度和基线长度的标定精度。 4)对拍摄的变形条纹图像依次进行旋滤波去噪,二维傅里叶正变换,自动矩形窗定位提取条纹基频,二维傅里叶反变换,复数计算得到物体表面相位场的包裹图,应用逐点去包裹处理算法,配合结构参数,初步恢复了物体表面三维形貌。 5)在VC6.0开发环境中使用相机的SDK开发工具开发了上位机操作软件,使用OpenCV视觉处理算法库将条纹图像处理算法移植进上位机操作软件,并使用Matlab为VC6.0生成三维图形显示函数的动态链接库,实现了条纹图像的自动采集与处理和物体三维形貌的显示,为动态测量的实现打下了基础。


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