三維形貌測量光纖干涉投射條紋的相位穩(wěn)定度測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三維形貌測量光纖干涉投射條紋的相位穩(wěn)定度測量方法，一次諧波分量與正弦相位調(diào)制信號在乘法器中實現(xiàn)乘法運(yùn)算，經(jīng)低通濾波器得到包含2α0+2δ(t)的正弦分量；正弦分量通過峰值檢測器，在除法器中通過除法運(yùn)算來消除峰值影響，又經(jīng)反正弦運(yùn)算器求解相位；補(bǔ)償信號作用于補(bǔ)償壓電陶瓷驅(qū)動器，通過改變第二光纖臂的長度，繼而改變光程差來補(bǔ)償環(huán)境因素引起的條紋相位漂移；正弦相位調(diào)制信號作用于調(diào)制壓電陶瓷驅(qū)動器，實現(xiàn)干涉條紋的正弦相位調(diào)制；連續(xù)采集邁克爾遜干涉信號的頻譜圖，邁克爾遜干涉信號經(jīng)中心頻率為2ω的帶通濾波器，提取二次諧波分量；通過一、二次諧波幅值比獲取條紋相位穩(wěn)定度。該相位提取過程精簡，提取精度高，補(bǔ)償實時性好。
【專利說明】三維形貌測量光纖干涉投射條紋的相位穩(wěn)定度測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及三維形貌測量領(lǐng)域，尤其涉及一種三維形貌測量光纖干涉投射條紋的相位穩(wěn)定度測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]與傳統(tǒng)的二維圖像信息相比，物體的三維信息能夠更全面、真實地反映客觀物體，為人們提供更多的信息量。三維形貌測量技術(shù)是一種先進(jìn)的精密測量技術(shù)，在質(zhì)量控制、逆向工程、身份認(rèn)證、病理診斷、文物測量、文化影視等領(lǐng)域占有重要的地位。光纖具有測量精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點，成為目前物體表面三維形貌檢測的首選材料之一。
[0003]傳統(tǒng)條紋投射方式采用光柵投影并結(jié)合機(jī)械平移裝置實現(xiàn)相移，但條紋密度與相移精度都相對較低；采用數(shù)字投影儀投射條紋，但條紋密度受投影儀分辨率限制，且電壓和亮度的非線性關(guān)系引入系統(tǒng)誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種三維形貌測量光纖干涉投射條紋的相位穩(wěn)定度測量方法，本發(fā)明基于正弦相位調(diào)制原理，采用光纖干涉條紋投射方法獲取條紋圖像，在穩(wěn)定條紋相位的基礎(chǔ)上，提出一種相位穩(wěn)定度測量方法，詳見下文描述:
[0005]一種三維形貌 測量光纖干涉投射條紋的相位穩(wěn)定度測量方法，所述方法包括以下步驟:
[0006](I)對調(diào)制壓電陶瓷施加正弦調(diào)制信號M(t);光電探測器接收邁克爾遜干涉信號S(t)，并按貝塞爾函數(shù)展開；
[0007](2)邁克爾遜干涉信號S(t)經(jīng)過中心頻率為ω的帶通濾波器，提取一次諧波分量;
[0008](3) 一次諧波分量與正弦相位調(diào)制信號在乘法器中實現(xiàn)乘法運(yùn)算，經(jīng)低通濾波器得到包含2 α。+2 δ (t)的正弦分量H1⑴；
[0009](4)正弦分量氏(0通過峰值檢測器，在除法器中通過除法運(yùn)算來消除峰值影響，又經(jīng)反正弦運(yùn)算器求解相位；令相位一電壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換系數(shù)為κρ_ν，生成補(bǔ)償信號Vc⑴;
[0010](5)補(bǔ)償信號Vc(t)作用于補(bǔ)償壓電陶瓷驅(qū)動器，通過改變第二光纖臂的長度，繼而改變光程差來補(bǔ)償環(huán)境因素引起的條紋相位漂移；
[0011](6)正弦相位調(diào)制信號作用于調(diào)制壓電陶瓷驅(qū)動器，實現(xiàn)干涉條紋的正弦相位調(diào)制；
[0012](7)連續(xù)采集邁克爾遜干涉信號的頻譜圖，邁克爾遜干涉信號S(t)經(jīng)過中心頻率為2ω的帶通濾波器，提取二次諧波分量；通過一、二次諧波幅值比獲取條紋相位穩(wěn)定度。
[0013]所述補(bǔ)償信號Vc⑴具體為:
[0014]Vc (t) = - K p_varcsin [H1 (t) / | H1 (t) | ] ?[0015]所述一、二次諧波幅值比具體為:
[0016]F ( α，Z) = tan [2 α 0+2 δ (t) ].J1 (z) /J2 (z)
[0017]其中，Jn(z)是以z為變量的η階第一類貝塞爾函數(shù)。
[0018]本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是:本發(fā)明采用光纖干涉條紋投射方法進(jìn)行高精度三維形貌測量，對條紋相位穩(wěn)定度提出更高要求。為克服現(xiàn)有投射條紋受環(huán)境因素影響而產(chǎn)生相位漂移的不足，通過引入相位反饋控制系統(tǒng)來消除條紋相位漂移，運(yùn)用干涉信號中一、二次諧波幅值差來快速計算條紋相位穩(wěn)定度。該相位提取過程精簡，相位提取精度高，補(bǔ)償實時性好。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為三維形貌測量光纖干涉投射條紋的相位穩(wěn)定度測量的原理圖；
[0020]圖2為相位反饋控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖；
[0021]圖3為相位穩(wěn)定后的邁克爾遜干涉信號頻譜圖；
[0022]圖4為條紋相位波動圖。
[0023]圖1中，I為激光器,2為稱合透鏡,3為2X2型3dB光纖稱合器,4為補(bǔ)償壓電陶瓷，5為調(diào)制壓電陶瓷，6為光纖夾，7為光屏或被測物體表面，8為補(bǔ)償壓電陶瓷驅(qū)動器，9為調(diào)制壓電陶瓷驅(qū)動器，10為面陣CCD相機(jī)，11為光電探測器，12為相位反饋控制系統(tǒng)，13為正弦相位調(diào)制信號，14為圖像米集時序控制器,15為上位機(jī)，a為第一光纖臂，b為第二光纖臂，c為第三光纖臂，d為第四光纖臂。
[0024]圖2中，16為帶通濾波器，其中心頻率為正弦相位調(diào)制頻率，17為乘法器，18為低通濾波器，19為峰值檢測器，20為除法器，21為反正弦運(yùn)算器，22為相位一電壓轉(zhuǎn)換器。
[0025]圖3中，當(dāng)選擇正弦相位調(diào)制頻率為2KHz時，在相位反饋控制系統(tǒng)工作的情況下，在十分鐘內(nèi)等時間間隔連續(xù)采集十張邁克爾遜干涉信號頻譜圖。觀察可知，邁克爾遜干涉信號的一、二階諧波幅值差為Λ，其波動范圍為[Amin，AmaJ0
[0026]圖4中，根據(jù)從圖3中十張邁克爾遜干涉信號頻譜圖獲得的一、二階諧波幅值差Δ ,計算得到的十個相位值,代表了條紋相位在十分鐘內(nèi)的波動情況。其中，當(dāng)△ = Δ —或△ = 時，對應(yīng)相位值分別為A、B點所示相位值,分別代表了相位波動的上下限。
【具體實施方式】
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面對本發(fā)明實施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0028]本發(fā)明采用光纖干涉條紋投射方式獲取投射條紋，在干涉投射過程中，受環(huán)境因素影響，光纖干涉臂相位差不斷變化，導(dǎo)致干涉條紋相位漂移，從而影響形貌測量精度，所以高精度的三維形貌測量必須建立在條紋相位穩(wěn)定的基礎(chǔ)上。本發(fā)明使用峰值檢測方法，結(jié)合反正弦運(yùn)算來提取條紋相位漂移，通過補(bǔ)償方法消除條紋相位漂移，最后提出一種運(yùn)用干涉信號一、二階諧波幅值差來快速計算條紋相位穩(wěn)定度的方法。 [0029]用于三維形貌測量的光纖干涉投射條紋相位穩(wěn)定度測量原理如圖1所示，激光器I的輸出光束經(jīng)I禹合透鏡2匯聚后，由第一光纖臂a進(jìn)入2X2型3dB光纖I禹合器3中分為相等的兩束光。兩束光分別進(jìn)入緊密纏繞在補(bǔ)償壓電陶瓷4上的第二光纖臂b，和緊密纏繞在調(diào)制壓電陶瓷5上的第三光纖臂C，構(gòu)成馬赫-澤德干涉結(jié)構(gòu)。第二光纖臂b、第三光纖臂c兩臂的出射端用光纖夾6固定在一起，出射端面均可等效為點光源，滿足楊氏雙孔干涉條件。當(dāng)滿足遠(yuǎn)場近軸條件時，可在光屏或被測物體表面7上形成余弦分布的干涉條紋圖。部分光束在第二光纖臂b、第三光纖臂c的出射端面實現(xiàn)菲涅爾反射，進(jìn)入第四光纖臂d構(gòu)成邁克爾遜干涉結(jié)構(gòu)。光電探測器11接收邁克爾遜干涉信號，經(jīng)相位反饋控制系統(tǒng)12生成補(bǔ)償信號，通過補(bǔ)償壓電陶瓷驅(qū)動器8改變光纖長度，補(bǔ)償外部干擾帶來的條紋相位漂移。正弦相位調(diào)制信號13作用于調(diào)制壓電陶瓷驅(qū)動器9，實現(xiàn)干涉條紋的正弦相位調(diào)制，將相位補(bǔ)償與調(diào)制分別在補(bǔ)償壓電陶瓷4和調(diào)制壓電陶瓷5上實現(xiàn)。圖像采集時序控制器14接收正弦相位調(diào)制信號13，觸發(fā)上位機(jī)15向面陣CXD相機(jī)10下達(dá)圖像采集指令，面陣CCD相機(jī)10采集被待測物體表面形貌調(diào)制后的變形條紋圖像，回傳給上位機(jī)15，在上位機(jī)15上用圖像處理的方法恢復(fù)形貌。
[0030]對調(diào)制壓電陶瓷5施加如下正弦調(diào)制信號13:
[0031]M(t) = a.cos ( ω t+ θ ) (I)
[0032]其中，a為調(diào)制信號幅值，ω為調(diào)制角頻率，Θ為調(diào)制初相位。令光電探測器11檢測到的邁克爾遜干涉信號為S (t)，按貝塞爾函數(shù)展開得到:
5(t) = C + _Dcos[2a0 + 2S(t)]J0(z) +



PO
2Z)cos[2a0 + 25(i)]I(-l)" J2fl(z)cos[2n(Mt + Θ)] -(2)
[0033]



00

2Z)cos[2a0 + 25(i)]I(-1yV2”+1(z)cos[(2? + ?)(ω? + Θ)]



H = O
[0034]其中，C為直流分量；D為交流分量幅值；a ^為第二光纖臂b、第三光纖臂c的固有相差，δ (t)為環(huán)境因素引起的相位漂移，z為相位調(diào)制度，Jn(Z)是以z為變量的η階第一類貝塞爾函數(shù)。由于S(t)是由光纖端面的反射信號產(chǎn)生的，在光纖中經(jīng)過兩次，所以S(t)相位為 2 α。+2 δ (t)。
[0035]為了消除環(huán)境因素引起的相位漂移，本發(fā)明在相位反饋控制系統(tǒng)12中運(yùn)用峰值檢測方法直接提取S (t)中包含相位2 α #2 6 (t)的正弦分量，通過反正弦運(yùn)算快速求解相位，并生成相應(yīng)的補(bǔ)償電壓。
[0036]在如圖2所示的相位反饋控制系統(tǒng)12中，S(t)經(jīng)過中心頻率為ω的帶通濾波器16，提取S (t)的一次諧波分量。
[0037]S1 (t) =-2DJ1 (z) sin [2 α 0+2 δ (t) ] cos (ω t+ θ ) (3)
[0038]一次諧波分量S1 (t)與正弦相位調(diào)制信號13在乘法器17中實現(xiàn)乘法運(yùn)算，經(jīng)低通濾波器18得到包含2 a J2 δ (t)的正弦分量。
[0039]H1 (t) = - a DJ1 (z) sin [2 α 0+2 δ (t) ] (4)
[0040]正弦分量氏(0通過峰值檢測器19，在除法器20中通過除法運(yùn)算來消除峰值影響，又經(jīng)反正弦運(yùn)算器21求解相位。
[0041]2 α。+2 δ (t) = arcsin [H1 (t) / | H1 (t) | ] (5)
[0042]為了使2 α 0+2 δ (t)補(bǔ)償?shù)搅?，令相位一電壓轉(zhuǎn)換器22的轉(zhuǎn)換系數(shù)為κ ?，生成補(bǔ)償信號為:
[0043]Vc (t) = - κ p_varcsin [H1 (t) / | H1 (t) | ] (6)[0044]補(bǔ)償信號Vc(t)作用于補(bǔ)償壓電陶瓷驅(qū)動器14，通過改變光纖臂b的長度，繼而改變光程差來補(bǔ)償環(huán)境因素引起的條紋相位漂移。當(dāng)相位反饋控制系統(tǒng)12工作時，在十分鐘內(nèi)等時間間隔連續(xù)采集十張邁克爾遜干涉信號的頻譜圖，其二次諧波分量幅值大于一次諧波幅值達(dá)AdB，其變化范圍為[Aniin, Λ_]，如圖3所示。為了通過幅值差Λ來求解相位穩(wěn)定后的相位波動情況，S (t)經(jīng)過中心頻率為2ω的帶通濾波器16，提取S (t)的二次諧波分量。
[0045]S2 (t) = -2DJ2 (z) cos [2 α 0+2 δ (t) ] cos (2 ω t+2 θ ) (7)
[0046]S (t)的一、二次諧波幅值比為:
[0047]F ( a , z) = tan [2 α 0+2 δ (t) ].J1 (ζ) /J2 (ζ) (8)
[0048]例如，取ζ = 2.45, Amax = 18.64dB, Amin = 17.77dB,相位波動情況如圖 4 所示。A、B點所示相位值分別為相位波動的上下限，可見波動范圍約為IOOmrad — 112mrad，所以條紋相位穩(wěn)定度為6mrad。
[0049]本發(fā)明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
[0050]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個優(yōu)選實施例的示意圖，上述本發(fā)明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。
[0051 ] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種三維形貌測量光纖干涉投射條紋的相位穩(wěn)定度測量方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: (1)對調(diào)制壓電陶瓷施加正弦調(diào)制信號M(t);光電探測器接收邁克爾遜干涉信號S (t)，并按貝塞爾函數(shù)展開； (2)邁克爾遜干涉信號S(t)經(jīng)過中心頻率為ω的帶通濾波器，提取一次諧波分量； (3)一次諧波分量與正弦相位調(diào)制信號在乘法器中實現(xiàn)乘法運(yùn)算，經(jīng)低通濾波器得到包含2 α。+2 δ (t)的正弦分量H1⑴； (4)正弦分量H1U)通過峰值檢測器，在除法器中通過除法運(yùn)算來消除峰值影響，又經(jīng)反正弦運(yùn)算器求解相位；令相位一電壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換系數(shù)為K ?，生成補(bǔ)償信號VJt)； (5)補(bǔ)償信號VJt)作用于補(bǔ)償壓電陶瓷驅(qū)動器，通過改變第二光纖臂的長度，繼而改變光程差來補(bǔ)償環(huán)境因素引起的條紋相位漂移； (6)正弦相位調(diào)制信號作用于調(diào)制壓電陶瓷驅(qū)動器，實現(xiàn)干涉條紋的正弦相位調(diào)制； (7)連續(xù)采集邁克爾遜干涉信號的頻譜圖，邁克爾遜干涉信號S(t)經(jīng)過中心頻率為2ω的帶通濾波器，提取二次諧波分量；通過一、二次諧波幅值比獲取條紋相位穩(wěn)定度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維形貌測量光纖干涉投射條紋的相位穩(wěn)定度測量方法，其特征在于，所述補(bǔ)償信號V。(t)具體為:
Vc (t) = - K p_varcsin [H1 (t) / | H1 (t) | ]。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維形貌測量光纖干涉投射條紋的相位穩(wěn)定度測量方法，其特征在于，所述一、二次諧波幅值比具體為:
F ( a，z) = tan [2 α 0+2 δ (t) ].J1 (z) /J2 (z) 其中，Jn(Z)是以z為變量的n階第一類貝塞爾函數(shù)。
【文檔編號】G01B11/25GK103983210SQ201410219287
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月22日
【發(fā)明者】段發(fā)階, 伯恩, 呂昌榮, 馮帆, 傅驍, 梁春疆 申請人:天津大學(xué)