激光散斑跟蹤和激光掃描顯示中散斑機(jī)理的研究.pdf

1、本學(xué)位論文工作是在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與美國微軟公司西雅圖硬件部合作的《激光和表面相互作用》和《激光掃描顯示系統(tǒng)中散斑建?！范€研究項(xiàng)目背景下完成的。 半導(dǎo)體激光散斑效應(yīng)傳感技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高及非接觸性等顯著優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)速度、距離、振動等物理量的傳感測量，已成為當(dāng)前光學(xué)傳感領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。激光掃描顯示由于其高度飽和色彩、高對比度、屏幕尺寸靈活等優(yōu)點(diǎn)，亦具有廣闊的市場前景。本文對激光散斑效應(yīng)跟蹤技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用基礎(chǔ)研究，研制

2、了高精度的激光散斑跟蹤系統(tǒng)，解決了應(yīng)用散斑效應(yīng)在玻璃表面跟蹤的難題；分析了激光自混合測速系統(tǒng)中散斑效應(yīng)的影響；同時分析了激光掃描顯示系統(tǒng)中散斑形成的物理機(jī)制，建立了散斑物理模型。并得到了初步模擬結(jié)果，證明了散斑模型的正確性。 本論文的研究工作和主要成果如下： 1.詳細(xì)描述了基于激光散斑技術(shù)的表面跟蹤原理。設(shè)計了散斑數(shù)字圖像位移算法。成功研制垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)偏振散斑跟蹤系統(tǒng)，在2.5μm～15μm范圍內(nèi)系統(tǒng)

3、跟蹤精度優(yōu)于1.5％。從實(shí)驗(yàn)上研究了系統(tǒng)和關(guān)鍵器件參數(shù)對跟蹤性能的影響，并進(jìn)行了理論分析。實(shí)驗(yàn)測量了激光散斑場偏振度，并研究了表面跟蹤性能和散斑場偏振度的聯(lián)系。 2.建立了激光散斑模型，模擬了高斯隨機(jī)表面起伏產(chǎn)生的激光散斑場。模擬散斑場統(tǒng)計性質(zhì)與已有散斑理論符合較好。觀察到了激光散斑時間漂移效應(yīng)，基于理論模擬和實(shí)驗(yàn)研究，分析了導(dǎo)致該效應(yīng)的主要因素，即激光對表面的加熱效應(yīng)引起的表面微結(jié)構(gòu)的膨脹及電荷耦合器件(CCD)的熱效應(yīng)帶來的

4、噪聲增加為引起激光散斑時間漂移效應(yīng)的主要因素。因此，在設(shè)計激光散斑鼠標(biāo)時，應(yīng)采用脈沖激光或算法來補(bǔ)償表面微結(jié)構(gòu)的膨脹和CCD熱效應(yīng)帶來的噪聲的增加。 3.針對玻璃透明且表面起伏小的特點(diǎn)，首次提出了光學(xué)方案實(shí)現(xiàn)了玻璃表面跟蹤。該方案采用接近掠入射角度，并有效地濾除了圖像中背景。在此基礎(chǔ)上建立了玻璃表面跟蹤系統(tǒng)，在2.5μm～20μm范圍內(nèi)跟蹤精度優(yōu)于4％。針對玻璃表面散斑圖像的特點(diǎn)，提出了頻域位相比較算法，位移測量平均精度優(yōu)于0.

5、12 pixel。 4.詳細(xì)闡述了激光自混合干涉跟蹤的基本理論。分析了散斑包絡(luò)對于自混合信號和其頻譜的影響?；谏吆妥曰旌细缮婊纠碚?，利用三鏡腔理論得到了信號的數(shù)值解。模擬了不同入射角度下信號的幅度和跟蹤精度，并從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了理論分析結(jié)果。即綜合考慮系統(tǒng)的跟蹤精度和信號幅度，入射角為30°左右較為合適。 5.詳細(xì)闡述了逐點(diǎn)式激光掃描顯示系統(tǒng)的工作原理。分析系統(tǒng)中散斑形成機(jī)理，并建立了合理的物理模型加以描述。得到了初步

6、的模擬結(jié)果，證明了人眼的滯留效應(yīng)有益于消除激光掃描顯示系統(tǒng)中散斑視覺。此模型對于提高激光掃描顯示系統(tǒng)的顯示效果具有重要意義。 本論文的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括： 1.解決了應(yīng)用激光散斑效應(yīng)跟蹤玻璃表面的難題。提出了將玻璃上下表面兩散斑場分離的新方案，并有效地濾除了圖像中的背景。在此基礎(chǔ)上研制了玻璃表面激光散斑跟蹤系統(tǒng)，在2.5μm～20μm范圍內(nèi)跟蹤精度優(yōu)于4％。該成果已申請美國專利。 2.觀察到了VCSEL散斑時間漂移效