形貌影栅云纹法和相移干涉全息光弹性法的数字仿真研究

论文摘要

数字形貌重建光测原理(数字形貌光测法)是一门发展中新的学科领域。它是力学、实验力学、光测力学、实验应用物理和物理光学工程等科学工作者以现代光测法中的数字光弹性、数字面内与离面位移云纹法、数字散斑和电子散斑剪切干涉法、数字全息干涉法等实验方法为基础，结合现代图像处理技术，正在努力创建的一门宏观及微观重建物体多维形貌、重建光学干涉条纹图像形貌和重建应力、变形分布状态形貌等为基本内容的新学科。本论文所涉及的仅仅是其中被认为是有发展前途和为学者们关注的，旨在为各种物体及光学干涉条纹图像形貌重建的两个课题：数字形貌影栅云纹法(Digital shadow moiré profilometry)和重建获得单独等厚线相位图像的相移干涉全息光弹性法，重点是它们的仿真模拟原理、技术和自动化测量与处理一体化的实验和评估系统。 在应用形貌影栅云纹法进行形貌重建时，为了方便通常采用光场参数不同的点照射——点观测光场，但这种光场的相移值是近似的，且随着光场的不同而异。这就给形貌影栅云纹法的测量和处理实验系统带入一个不确定的初始系统误差，它对正确分析实验测试误差带来许多困难。所以为了使众多的形貌重建结果在研究和应用中具有可比性，就必须探求一个准确、高效和经济的方法，来分析、检测和评估这种初始系统误差，探索其规律性，找出使之趋于可以控制的常差所必须遵循控制条件。只有这样，才可能得到可比的参考数据，供仪器和工程设计者，及实验研究者制定设计和实验测试规范，以利于实际应用。研究认为，按以上对分析方法的要求和欲达到的目标，对于这种实验方法应用基础性的研究工作，采用数字仿真方法是合适的。 鉴于以上原由，本论文把基于影栅虚云纹场原理的数字仿真方法引入形貌影栅云纹法中，提出数字仿真形貌影栅云纹法及自动测量和处理一体化实验系统的原理与技术，开发了与之对应的系列软件。用这个方法和实验系统及系列软件，可以获得优质的云纹图像和各种光场，包括相当于获得精确结果的平行照射—平行观测的标准光场和不同光场参数的等距点照射——点观测等非标准光场的形貌重建结果。实验检测表明，本方法及其实验系统是正确的。 以提出的方法和实验系统为基础，建立起数字仿真形貌影栅云纹法的误差评估系统及其相关软件，具体分析了不同参数的等距点照射——点观测的光场与最大相对误差的变化规律，进而对它们的初始系统误差进行了误差评估，给出了在限定最大相对误差下，必须控制的光场参数的具体数据，为规范设计常用的等距点照射——点观测光场提供了准则。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究内容、意义及应用前景
• 1.2 形貌重建中光学测量方法简介
• 1.2.1 影栅云纹法
• 1.2.2 投影栅线法
• 1.2.3 散斑和电子散斑剪切干涉法
• 1.2.4 其他方法
• 1.3 形貌重建中常用处理技术简介
• 1.3.1 相移法
• 1.3.2 傅里叶变换法
• 1.3.3 卷积
• 1.3.4 统计学方法
• 1.3.5 最优梯度法
• 1.3.6 正交相干相位检测法
• 1.3.7 余弦函数变换法
• 1.4 形貌测量自动化处理
• 1.4.1 数字相移形貌影栅云纹法
• 1.4.2 数字形貌投影栅线法
• 1.4.3 统计与卷积形貌散斑和电子散斑干涉法
• 1.5 形貌重建方法的发展趋势和应用前景
• 1.5.1 数字散斑和数字全息形貌测量
• 1.5.2 小波变换技术
• 1.5.3 微机电系统（MEMS）形貌测量
• 1.5.4 动态形貌测量
• 1.6 数字光弹性法和相移干涉光弹性法简介
• 1.7 本论文内容的安排
• 参考文献
• 2 三维形貌重建的数字形貌影栅云纹法和数字投影栅线法
• 2.1 引言
• 2.2 数字形貌影栅云纹法
• 2.2.1 影栅云纹仪的光场
• 2.2.2 影栅形貌云纹仪不同光场的误差
• 2.2.3 在影栅云纹图中发现离面位移及其斜率的耦合条纹图
• 2.2.4 相移数字形貌影栅云纹法的基本概念
• 2.2.5 影栅虚云纹场的广义物理意义及作用
• 2.2.6 相移数字仿真影栅云纹法基本原理的提出
• 2.3 数字投影栅线法
• 2.3.1 相移数字形貌投影栅线法
• 2.3.2 傅里叶数字形貌投影栅线法
• 2.4 小结
• 参考文献
• 3 数字仿真形貌影栅云纹法及其实验系统的原理
• 3.1 引言
• 3.2.数字仿真形貌影栅云纹仪和云纹图的自动生成原理
• 3.2.1 构思的形成
• 3.2.2 一般光场布置
• 3.2.3 等距的点照射—点观测（等距·—·）光场
• 3.2.4 平行照射—平行观测（∥—∥）光场
• 3.2.5 影栅云纹仪及虚云纹场的仿真模拟
• 3.3 相移算法及其精确相移值
• 3.4 数字仿真相移影栅云纹法的实验系统
• 3.5 数字仿真影栅云纹法重建物体表面形貌的实例
• 3.5.1 球面
• 3.5.2 圆柱面
• 3.6 小结
• 参考文献
• 4 数字仿真相移影栅云纹法的检测实验系统
• 4.1 引言
• 4.2 实验仪器装置系统
• 4.3 形貌影栅云纹图的预处理
• 4.3.1 均值滤波
• 4.3.2 中值滤波
• 4.3.2 旋滤波
• 4.4 实测的云纹图及其实验结果
• 4.4.1 爆破片
• 4.4.2 圆柱
• 4.4.3 误差分析
• 4.5 小结
• 参考文献
• 5 常用的等距点照射—点观测光场初始系统误差的评估
• 5.1 引言
• 5.2 平行照射—平行观测光场下的形貌重建结果
• 5.3 特定光场参数的等距点照射—点观测光场
• 5.4 两种光场下初始系统误差的比较
• 5.5 等距点照射—点观测光场中各主要光场参数对初始系统误差的影响
• 5.5.1 改变点光源S和观察点C至RG的距离d,保持S与C二者的距离f不变的情况
• 1不变的情况'>5.5.2 改变d,保持θ₁不变的情况
• 1的情况'>5.5.3 d保持不变,改变θ₁的情况
• 5.6 数字相移形貌影栅云纹法评估系统的建立
• 5.7 小结
• 参考文献
• 6 数字光弹性法的物理光学和算法基础
• 6.1 引言
• 6.2 光弹性法与数字光弹性法
• 6.3 物理光学基础
• 6.3.1 光的本质
• 6.3.2 偏振光
• 6.3.3 偏振片
• 6.3.4 双折射
• 6.3.5 1／4波片
• 6.3.6 暂时双折射
• 6.4 力学与物理结合——应力—光学定律
• 6.4.1 三维光弹性应力—光学定律
• 6.4.2 二维应力—光学定律
• 6.5 应力模型在正交平面偏振场（P⊥A,暗场）中的效应
• 6.5.1 等色线
• 6.5.2 等倾线
• 6.6 应力模型在圆偏振光场中的效应
• 6.7 数学与光弹性法的结合—琼斯矩阵运算
• 6.7.1 偏振光仪系统的琼斯分析
• 6.7.2 数字光弹性法中的相移法
• 6.7.3 Patterson和Wang六步相移法
• 6.7.4 白光入射确定等倾角的五步彩色相移法
• 6.8 干涉光弹性法
• 6.8.1 光波通过应力模型发生干涉的基本关系
• 6.8.2 干涉光弹性法的基本原理与技术
• 6.9 全息光弹性法
• 6.10 小结
• 参考文献
• 7 相移干涉全息光弹性方法
• 7.1 引言
• 7.2 相移干涉全息光弹性方法的基本方程
• 7.2.1 Mach-Zehnder型干涉仪的相移干涉光弹性法
• 7.2.2 离轴型相移干涉光弹性法
• 7.2.3 相移干涉全息光弹性法
• 7.3 方法正确性的检验
• 7.3.1 模拟解与理论解比较
• 7.3.2 模拟解与实验结果比较
• 7.4 对本方法的评估
• 7.5 小结
• 参考文献
• 8 实现与本论文方法有关算法的软件
• 8.1 引言
• 8.2 仿真和相移影栅云纹算法的实现
• 8.3 相移干涉光弹性相移算法的实现
• 8.4 小结和进一步开发的建议
• 参考文献
• 9 结束语
• 9.1 主要结论
• 9.2 创新点辑要
• 9.3 展望
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书