论文摘要
本学位论文工作是在中国科学技术大学与美国微软公司西雅图硬件部合作的《激光和表面相互作用》和《激光扫描显示系统中散斑建模》二个研究项目背景下完成的。半导体激光散斑效应传感技术具有结构简单、测量精度高及非接触性等显著优点,可实现速度、距离、振动等物理量的传感测量,已成为当前光学传感领域中的研究热点。激光扫描显示由于其高度饱和色彩、高对比度、屏幕尺寸灵活等优点,亦具有广阔的市场前景。本文对激光散斑效应跟踪技术进行了应用基础研究,研制了高精度的激光散斑跟踪系统,解决了应用散斑效应在玻璃表面跟踪的难题;分析了激光自混合测速系统中散斑效应的影响;同时分析了激光扫描显示系统中散斑形成的物理机制,建立了散斑物理模型。并得到了初步模拟结果,证明了散斑模型的正确性。本论文的研究工作和主要成果如下:1.详细描述了基于激光散斑技术的表面跟踪原理。设计了散斑数字图像位移算法。成功研制垂直腔面发射激光器(VCSEL)偏振散斑跟踪系统,在2.5μm～15μm范围内系统跟踪精度优于1.5%。从实验上研究了系统和关键器件参数对跟踪性能的影响,并进行了理论分析。实验测量了激光散斑场偏振度,并研究了表面跟踪性能和散斑场偏振度的联系。2.建立了激光散斑模型,模拟了高斯随机表面起伏产生的激光散斑场。模拟散斑场统计性质与已有散斑理论符合较好。观察到了激光散斑时间漂移效应,基于理论模拟和实验研究,分析了导致该效应的主要因素,即激光对表面的加热效应引起的表面微结构的膨胀及电荷耦合器件(CCD)的热效应带来的噪声增加为引起激光散斑时间漂移效应的主要因素。因此,在设计激光散斑鼠标时,应采用脉冲激光或算法来补偿表面微结构的膨胀和CCD热效应带来的噪声的增加。3.针对玻璃透明且表面起伏小的特点,首次提出了光学方案实现了玻璃表面跟踪。该方案采用接近掠入射角度,并有效地滤除了图像中背景。在此基础上建立了玻璃表面跟踪系统,在2.5μm～20μm范围内跟踪精度优于4%。针对玻璃表面散斑图像的特点,提出了频域位相比较算法,位移测量平均精度优于0.12 pixel。4.详细阐述了激光自混合干涉跟踪的基本理论。分析了散斑包络对于自混合信号和其频谱的影响。基于散斑和自混合干涉基本理论,利用三镜腔理论得到了信号的数值解。模拟了不同入射角度下信号的幅度和跟踪精度,并从实验上验证了理论分析结果。即综合考虑系统的跟踪精度和信号幅度,入射角为30°左右较为合适。5.详细阐述了逐点式激光扫描显示系统的工作原理。分析系统中散斑形成机理,并建立了合理的物理模型加以描述。得到了初步的模拟结果,证明了人眼的滞留效应有益于消除激光扫描显示系统中散斑视觉。此模型对于提高激光扫描显示系统的显示效果具有重要意义。本论文的创新点主要包括:1.解决了应用激光散斑效应跟踪玻璃表面的难题。提出了将玻璃上下表面两散斑场分离的新方案,并有效地滤除了图像中的背景。在此基础上研制了玻璃表面激光散斑跟踪系统,在2.5μm～20μm范围内跟踪精度优于4%。该成果已申请美国专利。2.观察到了VCSEL散斑时间漂移效应,分析和实验研究了其物理机制,即激光器连续工作引起表面的热膨胀和探测器件的热效应为导致激光散斑时间漂移效应的主要原因。3.分析了散斑效应对于激光自混合测速系统的影响,得到了散斑影响下的自混合信号的数值解。理论模拟和实验研究结果均显示,综合考虑系统的跟踪精度和信号幅度,入射角为30°左右较为合适。