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新型光电测距与三维成像技术研究

作　者: 王焕钦
导　师: 明海；赵天鹏
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: VCSEL 自混合效应三角法镜头畸变 TOF 测距三维成像
分类号: TP274.5
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本论文工作是以中国科大物理系与美国微软公司西雅图硬件部的国际合作为背景,着重针对一维单模垂直腔面发射激光器(VCSEL)自混合测距、二维光学双镜头三角法测距和基于LED阵列飞行时间(Time of Flight:TOF)测距的三维成像三方面进行了深入的理论和实验研究。本文重点研究了影响单模VCSEL自混合测距的精度和动态范围等重要参数的各种因素,并对系统进行了优化设计;重点研究了二维光学双镜头三角法测距系统的光电设计方法,深入分析了光学双镜头三角法测距误差来源并对其进行了合理地修正;从原理结构和方法上提出一种新的基于LED阵列TOF测距的三维成像技术,深入地分析了实验结果,从理论上提出了简化的信噪比(Signal NoiseRatio:SNR)模型,合理的解释了深度图象像素数量、深度测量分辨率和深度测量速度等重要参数之间的制约关系,并且为系统优化设计提供了参考。本论文的主要研究工作和成果如下:1.完成了单模VCSEL自混合测距的原理与系统研究;设计了系统的光学和信号处理电路,搭建了单模VCSEL自混合测距系统原型样机;从理论和实验上对影响系统测距精度和动态范围等重要参数的各种因素进行了深入分析研究。应用差频模拟锁相技术代替快速傅立叶信号处理技术,选取最佳的三角波调制频率以及对单模VCSEL进行小电流调制等优化设计方法,可明显提高拍频信号信噪比,使测距精度达到2mm,动态范围扩大到50～500mm。2.完成了二维光学双镜头三角法测距的原理与系统研究;详细阐述了二维双镜头三角法测距系统的光学和电子学设计,研制了实时二维双镜头三角法测距系统样机,深入分析了系统测距误差来源并对其进行了修正。通过应用小孔成像代替普通镜头成像,从实验角度证明了大视角非近轴光线的镜头失真是造成测距误差的主要原因。基于实验的角度提出了一种经验修正公式,简化了理论修正公式的形式,明显地提高系统的测距精度和速度。修正后的测距系统实际工作范围可达80mm×100mm,分辨率高于0.2mm,定位精度优于2mm。3.从原理结构和方法上提出一种新的基于LED阵列TOF测距的三维成像技术。详细阐述了10×10的LED阵列TOF测距的三维成像系统的光学和电子学设计,构建了实时的10×10 LED阵列TOF测距的三维成像系统样机。深入地分析了TOF测距的结果,从理论上提出了简化的SNR模型,合理的解释了深度图象像素数量、深度测量分辨率和深度测量速度等重要参数之间的制约关系,并且为系统优化设计提供了参考。优化后的10×10 LED阵列TOF测距的三维成像系统在5～100cm的范围内,深度分辨率优于±5mm,图像获取速度可达10fps。本论文的创新点主要包括:1.利用差频模拟锁相技术处理VCSEL自混合信号,明显改善了自混合拍频信号在拐点处的不连续,同时对信号波形的调幅干扰和波形失真有明显抑制效果,明显提高拍频信号的信噪比,提高了测距精度和动态范围。对单模VCSEL选取合适的三角波调制频率以及进行小电流调制等优化设计方法,可以改善自混合拍频信号频率的测量精度和减小由激光器非线性调制引入的测距误差。2.从实验角度证明了光学双镜头三角法测距系统中大视角非近轴光线的镜头失真是造成测距误差的主要原因,并与基于镜头大视角成像的高阶畸变理论分析的结果一致。针对复杂理论修正公式,基于实验的角度提出了一种经验修正公式,简化了修正公式的形式,明显地提高系统的测距精度和速度。3.从原理结构和方法上提出一种新的基于LED阵列TOF测距的三维成像技术。应用快速时分扫描光功率调制的LED阵列方法实现了无需机械移动高速采样的深度测量;应用“共透镜”法实现了两维图象与深度图像的高精度对准。设计了新型的快速响应的FBAGC电路,提高了系统的测量速度。基于理论分析提出了简化的SNR模型,合理的解释了深度图象像素数量、深度测量分辨率和深度测量速度等重要参数之间的制约关系,并验证了构建实时高像素三维成像系统的可行性。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-42
  1.1 激光自混合干涉技术概述  13-21
    1.1.1 激光自混合干涉技术研究进展  13-21
      1.1.1.1 实验研究进展  13-15
      1.1.1.2 理论研究进展  15-16
      1.1.1.3 激光自混合在测距方面的应用  16-21
  1.2 光学三角法测距技术概述  21-25
    1.2.1 光学三角法测距技术基本原理  21-24
    1.2.2 光学三角法测距技术研究进展  24-25
  1.3 三维成像技术研究进展  25-32
  1.4 课题来源和本论文的主要工作  32-33
  参考文献  33-42
第2章单模VCSEL自混合测距技术研究  42-70
  2.1 垂直腔面发射激光器VCSEL  42-46
    2.1.1 VCSEL的基本结构和工作特性  42-45
    2.1.2 VCSEL的优点  45-46
  2.2 激光自混合测距基本原理  46-50
  2.3 单模VCSEL自混合测距实验研究  50-66
    2.3.1 测距系统设计  50-55
      2.3.1.1 光学设计  50-51
      2.3.1.2 电子学设计  51-55
    2.3.2 系统测量结果和分析  55-59
      2.3.2.1 实验结果  55-57
      2.3.2.2 影响测量结果的关键因素  57-59
    2.3.3 测距系统的优化设计  59-66
      2.3.3.1 优化自混合拍频信号处理方法  59-61
      2.3.3.2 优化VCSEL调制三角波参数  61-66
  2.4 本章小结  66-67
  参考文献  67-70
第3章双镜头三角法测距技术研究  70-94
  3.1 双镜头三角法测距原理  70-72
  3.2 双镜头三角法测距系统设计  72-80
    3.2.1 光学设计  72-76
      3.2.1.1 光源和滤光片  72-74
      3.2.1.2 光路优化设计  74-76
    3.2.2 电子学设计  76-80
      3.2.2.1 硬件电路设计  76-79
      3.2.2.2 软件程序设计  79-80
  3.3 实验结果和分析  80-90
    3.3.1 实验结果  80-83
    3.3.2 误差分析和修正  83-90
      3.3.2.1 误差分析  83-87
      3.3.2.2 误差修正  87-90
  3.4 本章小结  90-92
  参考文献  92-94
第4章基于LED阵列TOF测距的三维成像研究  94-128
  4.1 基于LED阵列TOF测距的三维成像原理  95-99
    4.1.1 相移式TOF测距原理  95-98
    4.1.2 三维成像原理  98-99
  4.2 三维成像系统设计  99-111
    4.2.1 光学设计  99-100
    4.2.2 电子学设计  100-111
      4.2.2.1 硬件电路设计  100-108
      4.2.2.2 软件程序射击  108-111
  4.3 实验结果和分析  111-119
    4.3.1 "共透镜"法验证  111-112
    4.3.2 深度测量结果  112-115
    4.3.3 结果分析  115-119
  4.4 实时高像素三维成像系统的构建  119-123
  4.5 本章小结  123-124
  参考文献  124-128
第5章总结与展望  128-131
  5.1 全文总结  128-129
  5.2 研究展望  129-131
附录1 单模VCSEL产品参数  131-132
附录2 CMOS传感器产品参数  132-134
附录3 LED光源产品参数  134-135
附录4 PD探测器产品参数  135-136
致谢  136-138
攻读博士学位期间发表的论文和申请的专利  138-139

新型光电测距与三维成像技术研究

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