光学三维位相轮廓测量技术研究

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1、摘要自20世纪80年代以来，随着激光技术、CCD图像传感器的不断发展和广泛应用，并结合计算机图像处理技术，光学三维轮廓检位相测技术得到快速的发展，至今已有二十多年的历史。在这二十多年的时间里，该技术以非接触、全场测量、高精度、高灵敏度及自动化等优点得到广泛应用，但就其在实际应用的情况来看，该技术还存在急需解决的问题：(1)对工业环境的适应；(2)高精度相移的实现；(3)大尺度物体测量。经过一年半的努力，针对目前光学位相三维轮廓测量的问题，在理论分析的基础上，进行了大量的实验研究，提出了相应的改进措施和新的解决方案，并在MATLAB平台上编制了相应的测试软件。论文在全面阐述

2、了光学三维轮廓位相测量术的发展、应用现状、研究热点及未来发展趋势的基础上，简要介绍了傅立叶变换和相移位相轮廓测量术的基本原理，对两种测量方法存在的问题及误差进行详细分析和比较；针对位相解包裹错误点的传播问题，作者通过改变解包裹路径来提高位相解包裹的正确性；分析讨论从解包裹位相≯(x，)，)到再现物体的高度h(丑J，)物理量之间的关系，研究相应的算法，利用MATLAB平台，对实际采集的条纹图像进行处理和轮廓重构，其中改进及创新工作主要表现在以下两个方面：(a)针对干涉型结构光场干涉条纹出现的漂移抖动对相移的影响，提出了一种用条纹稳定器稳定干涉条纹，用精密移动平台使物体和伽摄

3、像头同步移动实现等效相移的方法，建立了相应的测量系统，系统的条纹稳定可以达到^／20，等效相移精度可以达到A／lOO以上，并将其用于实际物体的测量，结果表明l该测量系统装置简单、性能可靠、操作方便、稳定和重复性好，对光学三维轮廓测量精度的提高具有非常重要的作用。(b)针对目前大尺寸物体光学位相测量轮廓中存在的问题，提出一种用液晶光阀把模拟正弦分布及多幅有一定相移量的灰度条纹投影到大尺寸三维物体上，通过控制计算机在同一位置进行窗口变换，直接实现相移，进行物体的光学位相三维面形测量。实验结果表明：该测量系统非常容易获得大视场的正弦光场，且系统装置简单、不需要相移器、操作方便、

4、稳定和重复性好。其测量精度达约为1％，在大尺寸物体的三维轮廓测量中具有实用性和推广应用前景。关键词；光学位相三维轮廓测量，相移位相测量轮廓术，傅立叶变换测量轮廓术，位相解包裹lVABSTRACTSince1980s，opticalthree—dimensional(3-D)shapephasemeasurementwasdevelopedsharply,withthedevelopmentandapplicationoflasertechnology，CCDimagesensor，andcomputerimageprocessingtechnology，SOfaritis

5、morethan20years．Intheseyearsthetechnologyisverypopularwithmanyadvantagessuchas：non—contact，full·fieldmeasure，highaccuracyandsensitivity,automation．Butinactualapplicationthefollowingproblemswhichareurgenttosolveare：(1)suitingtheindustrialenvironment；(2)realizingphase-shiftingwithhighaccura

6、cy；(3)measuringlarge-scaleobject．Inordertosolvetheseproblems，theimprovedandnewmethodsarepresentedbyexperimentinthisdissertation，whicharebasedontheoryofoptical3-DshapephasemeasurementandMATLABlanguage．Inthisdissertation，firstlythedevelopment，theapplication，thehotaspectsofresearchandthefutu

7、reresearchtrendsofoptical3-Dshapephasemeasurementareincludedindetails．Theprincipleofmeasuringmethod(suchasphasemeasuringprofilometry，Fouriertransformprofilometry)，theadvantageanddisadvantageofthemandthesourceoferrorsarealsoanalyzed．Secondly，inphaseunwrappingtooverco