摘要
近年来，深度成像技术在临床医学、文物保护、工业生产等方面得到广泛应用。计算机技术的迅速发展，使得非接触式深度测量速度越来越快，精度和准度越来越高。本课题的工作是对基于结构光的深度成像系统的液体透镜变焦原理、光学设计和杂散光进行研究，在科研及实际生产过程中具有重要的实际意义，本文的主要研究内容包括以下几个章节： 1、从整体上对深度成像技术的方式进行了简介和归类，对该技术的应用领域做出了介绍。结合相关深度成像产品，分析总结了深度成像技术在国内外的研究现状和进展，最后总体概述了本课题的研究内容和意义。 2、基于液体透镜变焦的光学系统变焦原理的研究：研究了Optotune公司的液体透镜的变焦原理和相关参数，说明和分析了驱动方式，绘制了液体透镜驱动电流和透镜焦距的关系曲线；然后利用高斯公式分析和证明当只有一块变焦透镜时，光学系统的像面肯定会前后移动，实现变焦功能；计算了添加保护玻璃后的光学系统的主面；最后，完成了对液体透镜内部折射率的建模，为后续的光学设计和仿真做好准备。 3、变焦结构光深度成像系统光学设计：设计变焦结构光成像系统，系统为小视场、小孔径、高分辨率光学系统，系统采用7片球面玻璃镜片和1片液体透镜结构；在40lp/mm时，全视场MTF优于0.2，系统场曲小于0.2，畸变小于0.2%；设计了光学系统的机械结构，并详细的说明了各个结构的功能；设计了柱面微透镜阵列的结构，柱面微透镜阵列材料为熔融石英，整体尺寸为10mm*10mm厚度为1mm，周期宽度为1mm。 4、基于液体透镜的变焦结构光深度成像系统的杂散光研究：光学系统加工完成后，进行实验时，发现光学系统中存在明显的杂散光，需要对杂散光进行研究和消除；Zemax 非序列模式中，相干和非相干光源成像效应对比分析及实验验证，选择准直LED光源作为光学系统的光源；使用CODE V对鬼像进行定性分析，找出可能造成鬼像的面，然后通过TracePro对最有可能产生的面定量分析；利用TracePro对杂散光的光线及消光孔径进行定量分析，当光阑通光口径为3mm时，即能有效抑制杂散光，又能保证图像对比度和照度的要求。 5、对系统的实验：该系统能实现投影距离227mm-256mm调节，调焦过程中像面始终保持清晰，图像细节分辨率高，系统在整个变焦区域内，随着投影距离的增长，光学系统成像质量先上升后下降，光学系统的放大倍率增大，光 学系统整体相对照度不均匀性小于0.2；对拍摄到的图像深度测量，误差分别为0.34mm、0.37mm，对全视场范围内进行深度测量，中心视场测量误差最小为0.1mm，全视场范围内，测量误差小于0.6mm。
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