激光高速扫描频闪成像三维尺寸测量关键技术研究

摘要

在三维尺寸测量中，常用的数字光处理技术(Digital Light Processing, DLP)难以投射出高空间分辨率、连续的正弦光栅条纹，刷新速率也受限；激光干涉原理产生的条纹对比度不理想，系统复杂，适应性较差。这些问题限制了其在高精度微小尺寸、具有复杂反光特性的表面器件（半导体、微电子器件等）的精密在线测量场合的应用。针对三维尺寸测量在测量速度、精度和适应性方面存在的问题，论文设计了一种高速扫描频闪成像激光光栅条纹投射器，研究了频闪成像三维测量原理。本文主要研究内容如下：
　　1.提出了一种高速扫描频闪成像激光光栅条纹投射方案，方案综合了光栅条纹整体投射测量速度快和线结构激光测量精度高的优点。研究了频闪投射成像原理，完成了光学与机械系统、光电探测电路以及FPGA实时控制电路的设计。
　　2.根据频闪投射成像的特点分析了投射的条纹特性。投射的高亮度激光光栅条纹精细且密度高，刷新频率快，并能实现条纹频率、脉宽、相位变化的实时控制。通过理论和实验分析了条纹的线宽、密度、相移以及正弦分布特性，既可以作为高密度的准正弦光栅条纹，也可以作为精密的多线结构光应用于三维尺寸精密测量中。
　　3.设计并组建了针对微小尺寸、具有复杂反射率表面金属器件的频闪成像三维尺寸测量系统。研究了系统的三维测量原理，提出了空间角度约束测量模型，并根据条纹脉宽调制特性实例化为两种可方便实现的空间相位映射模型和多线结构光光平面约束模型。两种测量模型在数学关系和物理意义上实现了统一。
　　4.研究了两种测量模型的条纹解析方法和标定方法。测量模型不需要额外参考平面约束，系统适应性好；标定过程简单可靠，适合现场实施。对标准块测量的均方根误差为6.7μm。对印制电路板锡膏测量的应用实验验证了本文所设计的光源投射器在条纹投影三维尺寸测量中的实用性。
　　5.研究了频闪成像激光光栅条纹相位解析方法。结合频闪成像激光光栅条纹在三维测量中的实际情况，在典型的相移法和傅里叶变换方法的基础上进行改进，引入基于空间平滑约束的相移法、基于小波变换的时频分析法和基于经验模式分解的自适应条纹解析法，提升了系统的可靠性和适用性。

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第一章 绪论

1.1 课题的背景与意义

1.2 光学三维尺寸测量技术国内外研究现状

1.3 条纹投影三维测量关键技术和研究进展

1.4 论文的主要研究内容

第二章 频闪成像激光光栅条纹投射原理及装置

2.1 频闪成像激光光栅条纹投射原理

2.2 频闪成像激光光栅条纹投射器设计

2.3 频闪成像激光光栅条纹特性实验分析

本章小结

第三章 频闪成像三维测量原理

3.1 三维测量模型

3.2 条纹解算方法

本章小结

第四章 频闪成像三维测量系统标定方法

4.1 标定方法

4.2 标定过程

4.3 准确度验证实验

4.4 印制电路板锡膏测量实验

本章小结

第五章 相位解析准确性提升方法研究

5.1 相位解析误差分析

5.2 基于空间平滑约束的相移法

5.3 时频分析法

5.4 自适应条纹解析法

本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 课题展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

附录

致谢