正弦相位调制光纤干涉条纹投射三维形貌测量关键技术研究

摘要

本文依托国家自然科学基金面上项目(双波长光纤干涉条纹投射三维形貌测量方法研究，项目编号：51275349)和精密测试技术及仪器国家重点实验室探索性课题的支持，针对小尺寸物体表面形貌的高精度动态测量，基于相位轮廓术原理，发展了一种正弦相位调制光纤干涉条纹投射物体表面三维形貌检测方法。其关键技术环节主要有：结合马赫泽德干涉结构和杨氏干涉原理，采用全光纤光路投射高密度的干涉条纹；通过建立闭环相位稳定系统，稳定投射条纹的相位；条纹图像的同步采集；条纹图像预处理与相位提取。主要研究内容如下：
　　1.基于正弦相位调制原理建立了全光纤干涉条纹投射系统，通过改变光纤长度实现干涉条纹相位的正弦相位调制。基于马赫-泽德干涉仪结构和杨氏双孔干涉原理在待测物体表面实现高密度的余弦分布条纹投射。对光纤干涉条纹投射系统进行数学建模，并分析了投射模型的结构参数对条纹特性的影响。
　　2.为消除温度、振动等环境因素引起的相位漂移，设计了条纹相位稳定系统，利用光纤端面菲涅尔反射形成的迈克尔逊干涉信号，采用相位生成载波技术及 CORDIC算法求解光纤干涉臂相位差，提取条纹相位漂移量，经闭环反馈实现条纹相位稳定。实验结果表明，条纹相位稳定度达5.25mrad。
　　3.发展了基于光纤干涉条纹投射系统的正弦相位调制四步同步积分算法，分析了附加噪声对正弦相位调制深度与初相位的影响，获得了最优正弦相位调制深度及初始相位。在单调制周期内同步采集四幅连续条纹图像，基于正弦相位调制四步同步积分算法，提取条纹图像的相位包裹图。
　　4.条纹图像采集受系统噪声与随机噪声影响，在保证条纹图像不发生畸变的情况下，对条纹图像作增强、滤波处理，提高条纹图像对比度，同时抑制随机噪声的影响，获得高质量的条纹图像。

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第一章 绪论

1.1课题研究背景与意义

1.2光学三维形貌测量技术概述与国内外现状

1.3光纤干涉条纹投射三维形貌测量关键技术分析

1.4论文主要研究内容

1.5本章小结

第二章 正弦相位调制光纤干涉条纹投射三维形貌测量系统

2.1光纤干涉条纹投射三维形貌测量系统

2.2光纤干涉条纹投射原理与条纹分析

2.3基于相位轮廓术的光纤干涉条纹投射系统数学建模

2.4正弦相位调制四步同步积分相位轮廓术

2.5本章小结

第三章 光纤干涉投射条纹相位稳定方法

3.1光纤干涉条纹相位稳定性分析

3.2正弦相位调制光纤干涉条纹相位稳定原理

3.3正弦相位调制光纤干涉条纹相位稳定实现

3.4本章小结

第四章 光纤干涉投射条纹相位稳定实验与性能分析

4.1正弦相位调制光纤干涉条纹相位稳定

4.2 光纤干涉条纹相位稳定过程

4.3 光纤干涉条纹相位稳定性能

4.4本章小结

第五章 光纤干涉投射条纹图像处理与相位提取

5.1光纤干涉投射条纹图像处理与相位提取系统概述

5.2光纤干涉投射条纹图像采集

5.3 光纤干涉投射条纹图像处理

5.4 光纤干涉投射条纹相位提取

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢

附录A：本论文中用到的主要术语

附录B：本论文中用到的主要符号