● 摘要
针对基于光栅投影的三维形貌测量中条纹投射系统投影速度慢、结构复杂、在线集成困难、对测量环境适应能力不强的问题，本文建立了一种新颖的声光栅条纹投射系统。该系统采用声光偏转器为声光栅载体，通过脉冲激光的照射，能够投射高精度的正弦结构光，并且该正弦结构光的宽度和相位能够按照测量的需要进行快速精确的自适应性调节。整体系统采用全固态结构，无任何机械运动部件，具有高精度、动态可编程等特点。论文分别对声光栅正弦条纹模型，脉冲光源系统和DDS射频驱动源设计上进行了深入的讨论。论文提出了利用声光互作用原理产生与控制干涉条纹的方法，对该方法进行了深入的理论分析和数学模型的建立。针对这一方法的实现，采用了“相位凝固”的技术，并运用循环卷积理论解释了该技术实现的机理。同时通过对干涉条纹产生的过程的研究，找到了获取高质量的正弦结构光条纹的方法。依据“相位凝固”的要求，分别在内调制和外调制的技术下，设计了实现脉冲光源系统的方案。内调制技术主要针对小型物体的测量，该系统采用了滞回比较电路结构从而有效的改善了信号的质量。同时，为了提高投射条纹亮度，对外调制系统的设计进行了尝试。根据条纹投射系统的工作特点，开发了基于直接数字合成技术的射频驱动源，实现了对声光偏转器驱动信号与激光调制信号的产生和控制。该驱动源的射频频率范围达到80KHz~200MHz，频率和相位转换时间小于1µs，该驱动源使正弦结构光的投射精度和速度得到了很大的提高。在FPGA平台上应用硬件描述语言实现了声光栅条纹投射系统的逻辑控制，并运用该系统设计和完成了对标准平面和石膏人脸像三维成像的实验，获得了相应的条纹图像。实验结果表明该系统对于解决复杂几何形状物体的三维测量问题是一种有效的技术。