激光散斑跟蹤和激光掃描顯示中散斑機理的研究.pdf

1、本學位論文工作是在中國科學技術大學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€研究項目背景下完成的。 半導體激光散斑效應傳感技術具有結構簡單、測量精度高及非接觸性等顯著優(yōu)點，可實現(xiàn)速度、距離、振動等物理量的傳感測量，已成為當前光學傳感領域中的研究熱點。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，亦具有廣闊的市場前景。本文對激光散斑效應跟蹤技術進行了應用基礎研究，研制

2、了高精度的激光散斑跟蹤系統(tǒng)，解決了應用散斑效應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制，建立了散斑物理模型。并得到了初步模擬結果，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.詳細描述了基于激光散斑技術的表面跟蹤原理。設計了散斑數(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范圍內系統(tǒng)

3、跟蹤精度優(yōu)于1.5％。從實驗上研究了系統(tǒng)和關鍵器件參數(shù)對跟蹤性能的影響，并進行了理論分析。實驗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，模擬了高斯隨機表面起伏產生的激光散斑場。模擬散斑場統(tǒng)計性質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，基于理論模擬和實驗研究，分析了導致該效應的主要因素，即激光對表面的加熱效應引起的表面微結構的膨脹及電荷耦合器件(CCD)的熱效應帶來的

4、噪聲增加為引起激光散斑時間漂移效應的主要因素。因此，在設計激光散斑鼠標時，應采用脈沖激光或算法來補償表面微結構的膨脹和CCD熱效應帶來的噪聲的增加。 3.針對玻璃透明且表面起伏小的特點，首次提出了光學方案實現(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。在此基礎上建立了玻璃表面跟蹤系統(tǒng)，在2.5μm～20μm范圍內跟蹤精度優(yōu)于4％。針對玻璃表面散斑圖像的特點，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.詳細闡述了激光自混合干涉跟蹤的基本理論。分析了散斑包絡對于自混合信號和其頻譜的影響?；谏吆妥曰旌细缮婊纠碚摚萌R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，并從實驗上驗證了理論分析結果。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.詳細闡述了逐點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、的模擬結果，證明了人眼的滯留效應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)新點主要包括： 1.解決了應用激光散斑效應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。在此基礎上研制了玻璃表面激光散斑跟蹤系統(tǒng)，在2.5μm～20μm范圍內跟蹤精度優(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