One-shot 3d surface reconstruction from instantaneous frequencies: solutions to ambiguity problems

Phase-measuring profilometry is a well known technique for 3D surface reconstruction based on a sinusoidal pattern that is projected on a scene. If the surface is partly occluded by, for instance, other objects, then the depth shows abrupt transitions at the edges of these occlusions. This causes ambiguities in the phase and, consequently, also in the reconstruction.\ud This paper introduces a reconstruction method that is based on the instantaneous frequency instead of phase. Using these instantaneous frequencies we present a method to recover from ambiguities caused by occlusion. The recovery works under the condition that some surface patches can be found that are planar. This ability is demonstrated in a simple example. \u

State-of-the-art active optical techniques for three-dimensional surface metrology: a review [Invited]

This paper reviews recent developments of non-contact three-dimensional (3D) surface metrology using an active structured optical probe. We focus primarily on those active non-contact 3D surface measurement techniques that could be applicable to the manufacturing industry. We discuss principles of each technology, and its advantageous characteristics as well as limitations. Towards the end, we discuss our perspectives on the current technological challenges in designing and implementing these methods in practical applications.Purdue Universit

SPINS : spectral phase interrogation using nonlinear spectra

A novel technique for ultrafast pulse measurement is presented. This technique involves only the measurement of the fundamental, second harmonic, and third harmonic (or other third-order nonlinear) spectra of an ultrafast pulse. An algorithm is employed to generate trial SHG and THG spectra based on the measured fundmental spectrum and a trial phase. The phase is adjusted iteratively until the best match between the trial and measured SHG and THG spectra is obtained. The technique is experimentally simple, not subject to delicate temporal alignments, and potentially insensitive to wavefront quality

Acquisition of 3D shapes of moving objects using fringe projection profilometry

Three-dimensional (3D) shape measurement for object surface reconstruction has potential applications in many areas, such as security, manufacturing and entertainment. As an effective non-contact technique for 3D shape measurements, fringe projection profilometry (FPP) has attracted significant research interests because of its high measurement speed, high measurement accuracy and ease to implement. Conventional FPP analysis approaches are applicable to the calculation of phase differences for static objects. However, 3D shape measurement for dynamic objects remains a challenging task, although they are highly demanded in many applications. The study of this thesis work aims to enhance the measurement accuracy of the FPP techniques for the 3D shape of objects subject to movement in the 3D space. The 3D movement of objects changes not only the position of the object but also the height information with respect to the measurement system, resulting in motion-induced errors with the use of existing FPP technology. The thesis presents the work conducted for solutions of this challenging problem

Waveguide-Based Photonic Sensors: From Devices to Robust Systems

Integrated photonic sensor systems are miniaturized, mass-producible devices that leverage the mature semiconductor fabrication technology and a well-established ecosystem for photonic circuits. This book aims at a holistic treatment of waveguide-based photonic sensor systems by analyzing photonic waveguide design, photonic circuit design and readout design. Across all levels, a special emphasis is given to system-level performance optimization under realistic environmental conditions

Toward high-definition reservoir characterization

A new methodology for high resolution reservoir characterization is proposed. It combined the advantages of the surface seismic (low resolution, large coverage) and crosswell seismic (improved resolution, small coverage).;The process involves deconvolution of a low resolution signal (surface seismic traces) into a high resolution crosswell seismic trace. The problem has multiple solutions and an analytical solution is hard or difficult to be developed.;This project proved that it is possible to predict high-resolution crosswell seismic traces using low-definition surface seismic traces. The statistical comparison between the real and the synthetic crosswell seismic traces gives confidence that future work in this area worth the effort.;The ultimate goal of this work is to be a part of an intelligent tool that will be able to provide, based on surface seismic, a volumetric, detailed picture of rock and fluid characteristics across the field

Application of full-waveform inversion to shallow-seismic Rayleigh waves on 2D structures

The main objective of this work is the application of 2D elastic full-waveform inversion (FWI) to recorded shallow-seismic Rayleigh waves on 2D structures. The thesis is focused on methodological improvements in preparation for shallow-seismic applications, investigations of line-source implementation in order to consider 3D wave propagation effects in a 2D FWI and applications to field data recorded at the southern rim of the Taunus which is a significantly 2D-heterogeneous structure

Spatial Augmented Reality Using Structured Light Illumination

Spatial augmented reality is a particular kind of augmented reality technique that uses projector to blend the real objects with virtual contents. Coincidentally, as a means of 3D shape measurement, structured light illumination makes use of projector as part of its system as well. It uses the projector to generate important clues to establish the correspondence between the 2D image coordinate system and the 3D world coordinate system. So it is appealing to build a system that can carry out the functionalities of both spatial augmented reality and structured light illumination. In this dissertation, we present all the hardware platforms we developed and their related applications in spatial augmented reality and structured light illumination. Firstly, it is a dual-projector structured light 3D scanning system that has two synchronized projectors operate simultaneously, consequently it outperforms the traditional structured light 3D scanning system which only include one projector in terms of the quality of 3D reconstructions. Secondly, we introduce a modified dual-projector structured light 3D scanning system aiming at detecting and solving the multi-path interference. Thirdly, we propose an augmented reality face paint system which detects human face in a scene and paints the face with any favorite colors by projection. Additionally, the system incorporates a second camera to realize the 3D space position tracking by exploiting the principle of structured light illumination. At last, a structured light 3D scanning system with its own built-in machine vision camera is presented as the future work. So far the standalone camera has been completed from the a bare CMOS sensor. With this customized camera, we can achieve high dynamic range imaging and better synchronization between the camera and projector. But the full-blown system that includes HDMI transmitter, structured light pattern generator and synchronization logic has yet to be done due to the lack of a well designed high speed PCB

Waveguide-Based Photonic Sensors: From Devices to Robust Systems

Integrierte photonische Sensorsysteme bestehen aus miniaturisierten, massenproduktionstauglichen Bauelementen, die sich einerseits die ausgereifte Halbleitertechnologie zu Nutze machen, und die sich andererseits aus dem Baukasten vorhandener photonischer Komponenten bedienen, welche ins-besondere für Telekommunikationsanwendungen entwickelt wurden. Integrierte photonische Sensorsysteme kombinieren einen integrierten photonischen Schaltkreis (photonic integrated circuit, PIC), optoelektronische Lichtquellen und Photodetektoren, sowie elektronische Komponenten für die Signalerzeugung und Signalverarbeitung. Die optoelektronischen Komponenten sind entweder direkt auf dem PIC integriert oder sind externe Komponenten, in beiden Fällen wird das Licht in Wellenleiter auf dem PIC ein- und anschließend wieder ausgekoppelt. In solch einem System dient der PIC als Sensorelement, welches so entworfen wird, dass sich die optische Transmission mit hoher Sensitivität von den zu detektierenden Änderungen in seiner Umgebung beeinflusst wird. Ein wichtiges Beispiel ist ein biochemischer Sensor-PIC, welcher über Wellenleiter mit funktionalisierten Wellenleiteroberflächen die Adsorbtion von Molekülen detektieren kann. Eine Besonderheit ist, dass hierfür keine Markierung der zu detektierenden Molekülgruppen wie z.B. Floureszenzfarbstoffe notwendig sind, weshalb solche Verfahren als „label-free“ bezeichnet werden. Durch die Kompaktheit der entsprechenden Sensorelemente können eine Vielzahl von Sensoren parallel innerhalb eines einzelnen Chips auf einer Fläche im Bereich von nur einem Quadratmillimeter realisiert werden. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist eine ganzheitliche Betrachtung von integrierten photonischen Sensorsystemen auf mehreren Abstraktionsebenen. Die Betrachtung beinhaltet eine detaillierte Analyse des photonischen Wellenleiterdesigns auf der untersten Abstraktionsebene, des photonischen Schaltungsdesigns und des Systemdesigns inklusive der Elektronik, der Lichtquellen und der Photodetektoren auf der mittleren Abstraktionsebene, sowie eine Analyse des Ansteuer- sowie Ausleseverfahrens um hochpräzise, eindeutige Messdaten zu generieren auf der obersten Abstraktionsebene. Ein besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der Optimierung der Leistungsfähigeit auf der Gesamtsystemebene, sowie auf der Kompensation von unvermeidbaren Variationen der Komponenteneigenschaften, welche unweigerlich mit einer Massenproduktion sowie mit einem energieeffizienten Sensorbetrieb unter realistischen Umgebungsbedingungen einhergehen. Nach einem kurzen Überblick über wesentliche Ergebnisse dieser Arbeit folgt in den Kapiteln 1 bis 6 die eigentliche Abhandlung der Inhalte. Die darauffolgenden Anhänge beinhalten weiterführende konzeptionelle und mathematische Details sowie Verzeichnisse der Literaturangaben, der Akronyme, der verwendete mathematischen Symbole, der Figuren, der Tabellen und der Publikationen. Im Anschluss daran folgt eine Danksagung so-wie ein Lebenslauf des Autors. Teile dieser Arbeit wurden bereits in Patenten [P1], [P2], internationalen Fachjournalen [J1], [J2], sowie in einem Konferenzbeitrag [C1] publiziert. Die Hauptkapitel 1 bis 6 dieser Arbeit sind wie folgt strukturiert: Kapitel 1 gibt eine Einführung in das Gebiet der integrierten photonischen Sensorsysteme und behandelt hierbei optische Sensoren, relevante Anwendungen und die Entstehung der integrierten photonischen Technologie aus der elektronischen Halbleiterindustrie. Weiterhin wird der Umfang der in dieser Arbeit durchgeführten Analyse aufgezeigt. Kapitel 2 stellt die mathematischen und konzeptionellen Grundlagen integrierter photonischer Sensorsysteme zusammen und behandelt hierbei die Propagation von elektromagnetischen Wellen in photonischen Wellenleitern und den wellenleiterbasierten Sensormechanismus über den effektiven Brechungsindex einer optischen Mode. Weiterhin bietet es einen umfassenden Überblick über das komplette Sensorsystem ausgehend von phasensensitiven photonischen Schaltkreisen über die wichtigsten Systemkomponenten und deren technologischen Herausforderungen bis hin zu einer Gegenüberstellung der geläufigsten Systemkonfigurationen und Auslesekonzepte. Kapitel 3 analysiert das Design integrierter photonischer Wellenleiter für Sensoranwendungen. Dieses Kapitel bietet physikalische Einsichten und umfängliche Designleitlinien, mit Hilfe derer für eine bestimmte Messaufgabe eine passende photonische Integrationsplattform, ein Wellenleitertypus, eine Modenfamilie sowie eine optimierte Wellenleitergeometrie aus-gewählt werden können. Grundlage hierfür ist die Wechselwirkung einer geführten Wellenleitermode mit einer Änderung des Wellenleiterquerschnittes, die durch die zu bestimmende Messgröße hervorgerufen wird. Diese Wechselwirkung wird quantitativ durch den Feldinteraktionsfaktor beschrieben. Kapitel 4 analysiert die Leistungsfähighkeit und die Limitierungen des gesamten photonischen Systems inklusive der phasensensitiven photonischen Schaltkreise, der Lichtquellen und Photodetektoren, sowie des elektrischen Ansteuer- sowie Ausleseverfahrens. Ein besonderes Augenmerk liegt hier-bei auf Systemen, welche für eine kosteneffiziente Großserienproduktion ausgelegt wurden. Hierbei spielen insbesondere Variationen der Komponenteneigenschaften eine Rolle, welche unweigerlich mit einer Massenproduktion sowie einem energieeffizienten Sensorbetrieb unter realistischen Umgebungsbedingungen einhergehen. Kapitel 5 stellt ein besonders robustes photonisches Sensorsystem vor, welches, basierend auf den Erkenntnissen aus den Kapiteln 3 und 4, für Sensoranwendungen außerhalb idealisierter Laborbedingungen und explizit für eine Großserienproduktion geeignet ist. Basierend auf einem integrierten Mach-Zehnder-Interferometer mit drei um 120° phasenverschobenen Ausgangssignalen wird ein spezielles Ansteuer- und Ausleseverfahren demonstriert, welches eine instantane Selbstkalibration und eine jederzeit eindeutige Phasenmessung ermöglicht. Kapitel 6 fasst die wesentlichen Ergebnisse und Schlussfolgerungen zusammen und identifiziert offene Herausforderungen für eine erfolgreiche Kommerzialisierung integrierter photonischer Sensorsysteme

Waveguide-Based Photonic Sensors: From Devices to Robust Systems

Integrated photonic sensor systems are miniaturized, mass-producible devices that leverage the mature semiconductor fabrication technology and a well-established ecosystem for photonic circuits. This book aims at a holistic treatment of waveguide-based photonic sensor systems by analyzing photonic waveguide design, photonic circuit design and readout design. Across all levels, a special emphasis is given to system-level performance optimization under realistic environmental conditions