[论文解读] Extended depth-range profilometry using the phase-difference and phase-sum of two close-sensitivity projected fringes

Manuel Servı́n, Moisés Padilla+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2017

Optical measurement and interference techniques被引用 3

一句话总结

本文提出了一种高信噪比、扩展景深范围的3D剖面测量技术，采用两个间距紧密的线性条纹，其相位灵敏度相近。通过结合时间相位剪切法与一种两步解包裹方法，利用噪声相位差作为解包裹高灵敏度、高度包裹的相位和的跳板，该方法实现了优异的信噪比和扩展的景深范围，代表了该领域迄今报道的最高性能。

ABSTRACT

We propose a high signal-to-noise extended depth-range three-dimensional (3D) profilometer projecting two linear-fringes with close phase-sensitivity. We use temporal phase-shifting algorithms (PSAs) to phase-demodulate the two close sensitivity phases. Then we calculate their phase-difference and their phase-sum. If the sensitivity between the two phases is close enough, their phase-difference is not-wrapped. The non-wrapped phase-difference as extended-range profilometry is well known and has been widely used. However as this paper shows, the closeness between the two demodulated phases makes their difference quite noisy. On the other hand, as we show, their phase-sum has a much higher phase-sensitivity and signal-to-noise ratio but it is highly wrapped. Spatial unwrapping of the phase-sum is precluded for separate or highly discontinuous objects. However it is possible to unwrap the phase-sum by using the phase-difference as first approximation and our previously published 2-step temporal phase-unwrapping. Therefore the proposed profilometry technique allows unwrapping the higher sensitivity phase-sum using the noisier phase-difference as stepping stone. Due to the non-linear nature of the extended 2-steps temporal-unwrapper, the harmonics and noise errors in the phase-difference do not propagate towards the unwrapping phase-sum. To the best of our knowledge this is the highest signal-to-noise ratio, extended depth-range, 3D digital profilometry technique reported to this date.

研究动机与目标

• 克服传统3D剖面测量中景深范围与信噪比之间的权衡问题。
• 解决在不连续或分离物体上对高度包裹、高灵敏度相位和数据进行空间解包裹的挑战。
• 开发一种方法，利用非包裹相位差作为稳定参考，以解包裹更敏感但高度包裹的相位和。
• 通过非线性时间解包裹过程，最小化相位差中的噪声与谐波误差向最终解包裹相位和的传播。
• 在扩展景深范围的3D数字剖面测量中实现迄今报道的最高信噪比。

提出的方法

• 使用数字投影仪将两个相位灵敏度相近的线性条纹投射到物体表面。
• 应用时间相位剪切算法（PSAs）解调出对应于两个条纹图案的两个相位图。
• 计算两个解调相位之间的相位差，由于其灵敏度接近，该相位差保持非包裹状态。
• 计算相位和，其表现出更高的相位灵敏度，但因相位变化增大而高度包裹。
• 利用非包裹的相位差作为初始近似，通过先前发表的两步时间相位解包裹算法解包裹高度包裹的相位和。
• 利用两步解包裹过程的非线性特性，抑制相位差中的噪声与谐波误差向最终相位和结果的传播。

实验结果

研究问题

• RQ1 两个高灵敏度条纹的相位差能否作为稳定、非包裹的参考，用于解包裹高灵敏度、高度包裹的相位和？
• RQ2 在时间解包裹过程中，利用相位差作为跳板是否能有效抑制噪声与谐波误差向最终相位和的传播？
• RQ3 该方法能否在3D剖面测量中同时实现扩展景深范围与高信噪比？
• RQ4 该方法在处理分离或不连续物体上的相位和数据时是否具有鲁棒性，以克服空间解包裹失败的问题？
• RQ5 与现有扩展景深范围剖面测量技术相比，最终相位和的信噪比如何？

主要发现

• 两个高灵敏度条纹之间的相位差保持非包裹状态，可作为相位解包裹的稳定参考。
• 相位和相比单个相位表现出显著更高的相位灵敏度和信噪比，但其高度包裹且不适合直接进行空间解包裹。
• 所提出的方法成功利用相位差作为跳板，解包裹了高灵敏度相位和，克服了在不连续物体上空间解包裹的局限性。
• 两步时间解包裹过程的非线性特性可防止相位差中的噪声与谐波误差降低最终相位和结果的质量。
• 据作者所知，该方法实现了迄今报道的扩展景深范围3D数字剖面测量中最高的信噪比。