用于生成点阵结构光的衍射光学元件设计

发布时间：2020-07-31 22:25

【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。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O436.1
【图文】：

三维测量,结构光,设备

率和质量；在医学领域，三维测量在整形手术中变得越来越重要，此骼动态三维测量可以应用于假牙制造、疾病诊断与治疗[2]；在文物保通过对文物形状的三维测量可以获取其变形、裂缝等信息，有助于人及文物保护[3]；在虚拟现实领域，三维测量已经大量应用于模拟职业训实验以及体感游戏；此外三维重建技术还广泛应用于地质学、考古学程、刑侦等领域[4]。目前主流的光学三维测量方法包括投影结构光[5]间法和双目视觉等，其中基于结构光的三维测量方法与飞行时间法和相比具有测量精度高、量程大、实时性好、抗干扰能力强、结构简单因而在三维测量领域占有非常重要的地位。目前市场上存在很多基于结构光的三维测量设备，例如FARO公司的Cay Imager，如图 1-1 (a)所示，采用双目结构光方案，尺寸为 440 23mm ，重 5kg，在测量距离 500mm 处测量精度可达 0.05mm。此类产品业测量、逆向工程等领域，测量精度高，但是体积过大、价格昂贵等了其应用范围。近年来，随着高性能微型计算机、高分辨率成像传感工技术的发展，三维测量产品开始向进一步小型化迈进。

投影图,测量模式,结构光

哈尔滨工业大学硕士学位论文光器将单个点状激光或十字激光投影至物体表面，提取出光斑中心位置，三角测量解算出单点深度信息。线结构光与点结构光类似，其区别是投影为一条激光条纹，测量范围更大，信息量更多，目前主要应用于工件测量缝跟踪等领域。这两种结构光测量方案的优点是计算量小、测量精度高、设备简单，但是其测量范围小、测量速度慢的缺点极大限制了这两种方案用，而面结构光的出现很好地解决了这些问题。面结构光与其他两类结构本质区别是投影图案的复杂性，它可以将具有特定编码的结构光投影到物面，通过相应的解码算法计算出物体表面的三维信息，具有实时性好、测围大、适应性强等优点，目前已广泛应用于工业、医疗等领域，市场前景广阔。经过数十年发展，结构光编码已经发展出直接编码、时间编码、空码以及时空混合编码等多种编码方式，不同方案对测量速度、测量精度各重，需要针对不同的应用场景选择合适的编码方案。

投影图,直接编码,灰度,方案

哈尔滨工业大学硕士学位论文配效率，Wong 等人提出了分层投影的直接灰度编码方案，包第一级投影图案为高对比度的圆形特征点，分布稀疏用于大离散分布的网格条纹，数量远多于以一级征点，可以根据一；第三级为连续灰度的直接编码特征，在每对相邻二级竖条成锯齿状周期排布。通过三级特征点匹配可以大大减少匹配，编码图案如图 1-3 所示，其中左图包含前两级特征点，右

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