飞行物体姿态角测量系统中条纹投影器的设计

摘要

光学方法的非接触主动式三维轮廓测量技术具有不损害被测物体、速度快、适用范围广等优点，在工业生产、检测中具有重要应用，已成为了目前研究的热点。在飞行物体姿态角测量系统中，采用的正是此种方法。条纹投影器作为其中的关键设备，其各部分的设计越来越受到重视。
　　 本文较为详细地介绍了条纹投影器各部分的原理以及设计过程，并利用Zemax光学设计软件给出了相应的设计结果，结合具体的实验过程，分析了系统出现的问题，讨论并阐明了解决方法。在设计部分，针对激光照明方案，给出了半导体激光器(LD)的准直、整形方法，利用计算机进行优化仿真，得到了较好的结果；针对激光相干性造成的散斑问题，提出了光纤和高速转动毛玻璃配合使用的方法，得到了较好的减弱散斑效果；针对所拍摄图像照度不均匀的问题，结合计算机仿真，对投影物镜焦距和像面倾斜角度对像面照度均匀性的影响做了分析讨论。针对灯丝照明方案，利用非成像理论，设计了复眼透镜和方棒两种匀光系统，仿真结果显示可以很好地满足要求。在投影物镜部分，从已有的资料中选择初始结构，利用软件对其优化，得到了满足激光(532nm)照明要求的四片式和五片式远心物镜以及针对白光照明时的七片式远心结构物镜。
　　 在本文的实验部分，先对45°倾斜角投影、正拍摄的整个系统进行理论分析，利用推导的公式计算出系统在投影轴上的景深范围以及此时的MTF(调制传递函数)的变化曲线。然后拍摄多幅沿投影轴的条纹图像，通过软件对取样图像进行处理，估算出对比度，利用最小二乘法拟合对比度变化曲线，并与理论曲线进行对比，分析其特点，讨论了理论模型与实验结果的差异及其原因。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1条纹投影器的研究背景与意义

1.2三维轮廓测量方法简介

1.3傅里叶变换轮廓法测量原理

1.4条纹投影器国内外研究现状

1.5本论文的工作与创新

2投影器设计理论与要求分析

2.1条纹投影方式

2.2投影系统的放大倍率公式推导

2.3投影系统的几何景深公式推导与分析

2.4投影器主要组成部分

2.4.1投影物镜

2.4.2远心投影光路

2.4.3照明系统

3光学系统设计理论简介

3.1光学系统设计中的像差

3.2光学系统设计的基本过程

3.3光学自动设计

3.3.1基本思路

3.3.2理论描述

4照明系统设计与仿真

4.1激光照明中LD的准直与整形

4.1.1半导体激光准直器设计理论研究

4.1.2半导体激光准直、整形设计

4.2激光散斑的减弱

4.2.1激光散斑的成因

4.2.2散斑减弱理论及实验效果比较

4.3照明不均匀问题的解决

4.3.1原因分析与验证

4.3.2物镜焦距对屏幕最大允许倾斜角度的影响

4.4实现均匀方形光斑的灯丝照明设计

4.4.1复眼透镜光学系统

4.4.2方棒光学系统

5投影物镜设计与仿真

5.1设计思路

5.2四片式单色镜头设计

5.3五片式单色镜头设计

5.4七片式白光镜头设计

5.5投影条纹模拟与实验对比

6投影条纹空间分布的研究

6.1条纹投影器投影轴方向景深与MTF的理论研究

6.2条纹投影器投影轴方向景深的实验研究

6.2.1投影轴上拍摄条纹图像对比度的测定

6.2.2实验曲线的最小二乘法拟合

6.3讨论

7总结与展望

致 谢

参考文献