用于生成点阵结构光的衍射光学元件设计

论文摘要

随着三维数字化技术的发展,人们对低成本、低功耗、体积小的三维测量设备需求逐渐增多,因此催生出一种基于衍射光学元件的微型结构光三维测量设备,目前已经广泛应用于工业测量、逆向工程、医疗诊断、文物保护等多种领域。这种基于衍射光学元件的新型三维测量设备发展时间较短,在结构光编码和器件设计中尚存在一些问题亟待改进:（1）传统结构光多采用复杂符号或多级颜色编码增加信息冗余量、减小窗口编码长度,以提高测量速度、精度和抗干扰能力,而微型结构光三维测量设备受衍射光学元件所限只能生成形状简单的编码图案,因此设计一种适合衍射光学元件的大信息量的编码方案具有十分重要的意义。（2）点阵编码结构光的三维测量主要依赖邻域特征点匹配,对投影特征点的相对位置要求高,因此如何实现编码点阵清晰、准确地投影至物体表面是衍射光学元件设计面临的主要问题。针对上述两个问题,本课题主要研究了点阵结构光编码和衍射光学元件设计的优化算法,提出了一种二进制、小窗口、密度大、平均汉明距高的大尺寸伪随机阵列编码方案和一种改进的G-S算法,并通过加工实验对设计算法进行验证,获得了与编码方案相符的点阵结构光投影,对提高微型结构光三维测量系统的精度和速度具有十分重要的意义。论文主要工作包含如下:（1）提出了一种基于公式法和穷举法编码的二进制编码方法,该方法通过逐点优化思路解决了公式法编码尺寸长宽比过大、不具有中心对称性等问题,突破了穷举法编码的尺寸限制,减少了计算时间。将该方法设计的改进编码与Kinect的编码方案相比,编码点密度更高、唯一子窗口更小、平均汉明距更大,为实现抗干扰能力更强、解码速度更快、精度更高的结构光三维测量奠定了基础。（2）为提高点阵投影的均匀性,我们在G-S算法的基础上提出了一种新的改进算法,与经典算法相比,该算法极大地缓解了G-S算法的初始相位敏感性,同时保持了G-S算法的收敛速度,计算量远小于SA算法,并采用严格的瑞利-索墨菲衍射积分验证了该算法的可行性。（3）利用微纳加工技术制备了多组衍射光学元件,通过搭建光学测量系统验证了投影点阵的相对位置与（1）中设计的编码完全相符,投影点阵整体变形小,且投影点轮廓清晰无粘连。最后对投影点阵中较强的零级衍射和十字形衍射光斑等问题的误差来源进行分析,确定了此类问题主要由刻蚀深度误差和结构与光阑之间存在缝隙导致。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究的目的和意义
•   1.2 国内外研究现状分析
•     1.2.1 结构光编码技术的发展
•     1.2.2 衍射光学设计的发展
•   1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 伪随机阵列编码设计
•   2.1 引言
•   2.2 编码质量评价
•     2.2.1 空间编码结构光的解码原理
•     2.2.2 评价函数定义
•     2.2.3 基本属性要求
•   2.3 伪随机阵列编码原理
•     2.3.1 公式法编码
•     2.3.2 穷举法编码
•   2.4 一种改进的伪随机阵列编码方案
•     2.4.1 公式法的改进
•     2.4.2 穷举法的改进
•   2.5 本章小结
• 第3章 衍射光学元件设计
•   3.1 引言
•   3.2 衍射光学元件设计理论
•   3.3 经典设计算法
•     3.3.1 评价函数定义
•     3.3.2 G-S及其改进算法
•     3.3.3 量化算法
•     3.3.4 模拟退火算法
•   3.4 改进的设计算法
•     3.4.1 IDC算法
•     3.4.2 IDC与SA混合算法
•     3.4.3 设计算法比较
•   3.5 衍射光学元件设计步骤
•     3.5.1 改进算法验证
•     3.5.2 衍射光学元件设计步骤
•   3.6 本章小结
• 第4章 衍射光学元件制备与测试
•   4.1 引言
•   4.2 衍射光学元件制备实验
•   4.3 衍射光学元件测试实验
•     4.3.1 实验光路搭建
•     4.3.2 衍射光学元件测试
•     4.3.3 零级误差分析
•   4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 赵永顺

导师: 马惠萍

关键词: 结构光编码,点阵投影器,相位恢复,衍射光学元件

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: O436.1

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.002267

总页数: 77

文件大小: 4778K

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