一種光纖幹涉條紋投射中初相位及調製度測量控制方法
2023-05-26 13:25:06
專利名稱：一種光纖幹涉條紋投射中初相位及調製度測量控制方法
技術領域：
本發明涉及相位輪廓測量領域，尤其涉及一種光纖幹涉條紋投射中初相位及調製度測量控制方法。
背景技術：
相位測量輪廓術是ー種重要的三維測量方法。這種方法通過獲取全場條紋的空間信息重建物體表面的三維信息，具有較高的測量精度，也容易實現計算機輔助的自動測量，主要包括莫爾輪廓術、相移法和傅立葉變換法。莫爾輪廓術是用ー塊基準光柵，來檢測由被測輪廓面調製的像柵，通過分析莫爾 圖樣描繪出物體的等高線推算出被測物體的表面輪廓。該方法具有全場測量、裝置簡單等特點。相移法是向被測物體表面投射強度成正弦變化的光柵條紋移動，進而對得到的圖像進行解調。傅立葉變換法與相移法相似，將光柵條紋投射到被測物體表面，通過求解條紋的相位場，根據相位與物體表面高度的關係得到物體的三維輪廓信息。不同的是傅立葉變換法解調相位信息時是通過對變形條紋圖進行傅立葉變換等方法得到包裹相位圖，再經相位去解包裹技術得到連續的相位分布圖。發明人在實現本發明的過程中，發現現有技術中至少存在以下缺點和不足I)莫爾輪廓術受表面傾斜度和陰影等條件的限制使測量精度降低；2)相移法精確移動光柵需要増加系統複雜性與不穩定性；3)傅立葉變換法用一幅圖像即可得到相位信息，但計算量大，容易產生洩漏、混頻和柵欄效應產生誤差。
發明內容
本發明提供了一種光纖幹涉條紋投射中初相位及調製度測量控制方法，本發明提高了測量精度、減少了計算量，避免了洩漏、混頻和柵欄效應產生的誤差，詳見下文描述一種光纖幹涉條紋投射中初相位及調製度測量控制方法，所述方法包括以下步驟(I)構建光纖幹涉條紋投射系統； (2)根據所述光纖幹涉條紋投射系統獲取條紋投射測量模型；(3)所述光纖幹涉條紋投射系統根據所述條紋投射測量模型獲取物體表面相位信息咖，タ)；(4)構建初始相位差及相位調製度係數的測量控制系統；(5)獲取初始相位％及相位調製度係數k。所述光纖幹涉條紋投射系統具體包括雷射器、光隔離器、3dB耦合器、加法器、光電探測器、CCD採集相機、伺服反饋控制系統和上位機；所述雷射器發出的雷射經過所述光隔離器後通過輸入臂耦合入所述3dB耦合器中，所述3dB耦合器分成2路傳播，分別進入信號臂光纖和參考臂光纖；所述信號臂光纖和所述參考臂光纖的輸出端產生幹涉條紋信號；所述信號臂光纖和所述參考臂光纖端面的菲涅爾反射使得第一反射光束原路返 回並在輸出臂輸出，所述光電探測器檢測所述第一反射光束並轉換為第一電信號，將所述第一電信號送入到所述伺服反饋控制系統中；所述伺服反饋控制系統接收到所述第一電信號後通過相位生成載波調製得到所述信號臂光纖和所述參考臂光纖的相位差；所述伺服反饋控制系統通過所述加法器對所述雷射器進行正弦相位調製；同時，利用所述CCD採集相機對所述幹涉條紋信號進行採集，通過所述上位機對所述伺服反饋控制系統中寄存器進行設置，控制所述CCD採集相機曝光信號和相位調製信號之間的相位差，完成同步積分的過程。所述條紋投射測量模型具體為選取所述CCD採集相機的鏡頭光學中心作為原點，χ軸平行所述CCD採集相機的像素水平方向，y軸平行所述CCD採集相機的像素垂直方向，z軸沿所述CCD採集相機的光軸方向；所述信號臂光纖和所述參考臂光纖的投射中心位於P(L，O, O)，與原點相距為基線距離L ;所述投射中心所投射的條紋與y軸方向平行，條紋圖上點S(x，y, z)上投射角度為β ;
權利要求
1.一種光纖幹涉條紋投射中初相位及調製度測量控制方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟 (1)構建光纖幹涉條紋投射系統； (2)根據所述光纖幹涉條紋投射系統獲取條紋投射測量模型； (3)所述光纖幹涉條紋投射系統根據所述條紋投射測量模型獲取物體表面相位信息φ(χ,ν); (4)構建初始相位差及相位調製度係數的測量控制系統； (5)獲取初始相位％及相位調製度係數k。
2.根據權利要求I所述的ー種光纖幹涉條紋投射中初相位及調製度測量控制方法，其特徵在於，所述光纖幹涉條紋投射系統具體包括雷射器、光隔離器、3dB耦合器、加法器、光電探測器、CCD採集相機、伺服反饋控制系統和上位機； 所述雷射器發出的雷射經過所述光隔離器後通過輸入臂耦合入所述3dB耦合器中，所述3dB耦合器分成2路傳播，分別進入信號臂光纖和參考臂光纖；所述信號臂光纖和所述參考臂光纖的輸出端產生幹涉條紋信號；所述信號臂光纖和所述參考臂光纖端面的菲涅爾反射使得第一反射光束原路返回並在輸出臂輸出，所述光電探測器檢測所述第一反射光束並轉換為第一電信號，將所述第一電信號送入到所述伺服反饋控制系統中；所述伺服反饋控制系統接收到所述第一電信號後通過相位生成載波調製得到所述信號臂光纖和所述參考臂光纖的相位差；所述伺服反饋控制系統通過所述加法器對所述雷射器進行正弦相位調製；同時，利用所述CCD採集相機對所述幹涉條紋信號進行採集，通過所述上位機對所述伺服反饋控制系統中寄存器進行設置，控制所述CCD採集相機曝光信號和相位調製信號之間的相位差，完成同步積分的過程。
3.根據權利要求I所述的ー種光纖幹涉條紋投射中初相位及調製度測量控制方法，其特徵在於，所述條紋投射測量模型具體為 選取所述CCD採集相機的鏡頭光學中心作為原點，χ軸平行所述CCD採集相機的像素水平方向，y軸平行所述CCD採集相機的像素垂直方向，z軸沿所述CCD採集相機的光軸方向；所述信號臂光纖c和所述參考臂光纖d的投射中心位於P (L，O, O)，與原點相距為基線距離L ;所述投射中心所投射的條紋與y軸方向平行，條紋圖上點S(x，y, z)上投射角度為β ; 其中，m和n分別為水平與垂直方向像素序號，h為鏡頭光學中心到像平面的距離，Q為常數。
4.根據權利要求2所述的ー種光纖幹涉條紋投射中初相位及調製度測量控制方法，其特徵在於，所述初始相位差及相位調製度係數的測量控制系統具體包括雷射器、光隔離器、3dB耦合器、加法器、光電探測器、伺服反饋控制系統、上位機、第一法拉第旋轉鏡和第二法拉第旋轉鏡； 所述雷射器發出的雷射經過所述光隔離器後通過輸入臂耦合入所述3dB耦合器中，所述3dB耦合器分成2路傳播，分別進入所述信號臂光纖和所述參考臂光纖；所述信號臂光纖和所述參考臂光纖的輸出端經過所述第一法拉第旋轉鏡和所述第二法拉第旋轉鏡後，使得第二反射光束原路返回並在所述輸出臂輸出，所述光電探測器檢測所述第二反射光束並轉換為第二電信號，將所述第二電信號送入到所述伺服反饋控制系統中；所述伺服反饋控制系統接收到所述第二電信號後通過所述相位生成載波調製得到所述信號臂光纖和所述參考臂光纖的相位差；所述伺服反饋控制系統通過所述加法器對所述雷射器進行正弦相位調製；在所述上位機中獲取所述初始相位及所述相位調製度係數。
5.根據權利要求4所述的ー種光纖幹涉條紋投射中初相位及調製度測量控制方法，其特徵在於，所述伺服反饋控制系統包括模數轉換模塊、FPGA解調模塊和數模輸出控制模塊； 通過所述FPGA解調模塊產生正弦信號經過所述數模輸出控制模塊和所述加法器後調製所述雷射器；所述模數轉換模塊接收所述光電探測器轉換的所述第二電信號後進行採樣處理，將處理後所述第二電信號傳輸至所述FPGA解調模塊進行全數字處理。
6.根據權利要求4所述的ー種光纖幹涉條紋投射中初相位及調製度測量控制方法，其特徵在於，所述通過所述初始相位差及相位調製度係數的測量控制系統獲取初始相位％及相位調製度係數k具體包括 所述光電探測器接受所述第二反射光束S (t)，通過對所述第二反射光束S (t)的處理後進行迭代，求出所述相位調製度係數k ;通過所述相位生成載波調製獲取所述初始相位Ψ
全文摘要
本發明公開了一種光纖幹涉條紋投射中初相位及調製度測量控制方法，涉及相位輪廓測量領域，構建光纖幹涉條紋投射系統；根據所述光纖幹涉條紋投射系統獲取條紋投射測量模型；所述光纖幹涉條紋投射系統根據所述條紋投射測量模型獲取物體表面相位信息構建初始相位差及相位調製度係數的測量控制系統；獲取初始相位及相位調製度係數k。本方法通過信號臂光纖和參考臂光纖端面菲涅爾反射，分析幹涉信號優化相位調製度係數及測量初始相位，本方法結構簡單，提高了測量精度，減少了計算量，避免了洩漏、混頻和柵欄效應產生的誤差。
文檔編號G01B11/25GK102679909SQ201210143260
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月10日 優先權日2012年5月10日
發明者呂昌榮, 張甫愷, 張超, 段發階, 段曉傑 申請人:天津大學