一種光纖白光干涉內(nèi)窺鏡三維測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)、電子技術(shù)、精密機械、顯微攝像等多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域，具體涉及一種光纖白光干涉內(nèi)窺鏡三維測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
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[0002]18世紀(jì)末，德國科學(xué)家Bozzine首次提出內(nèi)窺鏡的思想，并以燭光為光源成功實現(xiàn)了人體內(nèi)部直腸和子宮的觀察，從此內(nèi)窺鏡技術(shù)應(yīng)運而生。內(nèi)窺鏡是一種光機電結(jié)合的精密儀器，用于人眼所不能觀察到的物體體內(nèi)組織和結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測、工業(yè)微加工、醫(yī)學(xué)診斷、微創(chuàng)手術(shù)等領(lǐng)域。隨著CCD制備技術(shù)以及光纖傳感技術(shù)的高速發(fā)展，從最初的硬管內(nèi)窺鏡到現(xiàn)在的光纖內(nèi)窺鏡以及電子內(nèi)窺鏡，內(nèi)窺鏡技術(shù)的發(fā)展日臻成熟，僅用于顯示和觀察的內(nèi)窺鏡技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域無損化檢測的需求。因此內(nèi)窺鏡三維測量技術(shù)的相關(guān)研究也逐漸發(fā)展起來。
[0003]美國韋林工業(yè)內(nèi)窺鏡在上世紀(jì)九十年代初采用單物鏡陰影測量法首次實現(xiàn)了孔探工作中的精確測量，其測量鏡頭的照明光輸出窗口刻有一道黑色直線，當(dāng)照明光通過時會在被測物體上形成一道陰影線，鏡頭距離物體的遠近變化使陰影線在屏幕上的位置左右移動變化，而測量鏡頭上的單一物鏡的成像視角不變，主機內(nèi)的視頻成像處理器會根據(jù)直角幾何運算原理計算出測量鏡頭與被測面間的距離，這種方法的缺點是要求測量鏡頭與被測面相對垂直才能保證測量精度，因而操作難度較高，在應(yīng)用上有一定的局限性。為解決這一難題，隨后又出現(xiàn)了雙物鏡測量技術(shù)，采用雙目立體視覺原理進行測量點的三維重建，該方法不再需要鏡頭與被測物體垂直，一定程度上降低了操作上的難度，但根據(jù)雙物鏡的設(shè)計原理，其鏡頭的視野相對單物鏡減半，所能測量的區(qū)域明顯受限，并且測量點的位置及其匹配點的正確與否存在人為及系統(tǒng)誤差的可能性。為解決這一難題，韋林公司于2010年又提出一種3D相位掃描內(nèi)窺鏡測量技術(shù)，與單物鏡陰影測量法、雙物鏡立體測量法相比，該技術(shù)是內(nèi)窺檢測領(lǐng)域的一個突破性的測量技術(shù)，通過測量探頭前端的三維相位掃描鏡頭上的兩個可見光LED光柵矩陣，將頻閃發(fā)射的多條平行陰影線交叉疊加投射到被測物表面上，物體表面幾何形狀的變化會導(dǎo)致出現(xiàn)畸變的條紋，這些畸變條紋包含了物體的三維形貌信息，并且能夠精確獲得物體表面較密集的三維點云坐標(biāo)，清晰呈現(xiàn)被測目標(biāo)的三維形狀與幾何尺寸，實現(xiàn)僅用一個測量頭就能實現(xiàn)觀測和測量。隨后，Anton Schick等人基于主動式三角測量原理和數(shù)字結(jié)構(gòu)光投影技術(shù)提出了一種微型的三維掃描內(nèi)窺鏡，其探頭直徑僅為
3.6mm，能夠?qū)θ我庑螤畹墓艿肋M行三維測量，但是測量精度只能達到0.1_。
[0004]綜上所述，目前應(yīng)用最廣的兩種主流的三維測量內(nèi)窺鏡技術(shù)主要存在以下問題:采用雙目立體視覺技術(shù)的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)立體匹配精度并不高，測量精度亦不高并且點云數(shù)據(jù)很少;采用數(shù)字結(jié)構(gòu)光投影相位測量技術(shù)的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)測量精度受投影設(shè)備分辨率限制，其測量精度也不高?；跅钍想p縫干涉原理的光纖干涉條紋投影技術(shù)，可實現(xiàn)高密度條紋投射，相移精度高、速度快，相比其他條紋投射系統(tǒng)具有獨特的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)全場高精度三維形貌測量，因此結(jié)合光纖干涉技術(shù)的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)由于光纖尺寸小，干涉條紋分辨率高等優(yōu)點成為三維測量內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的研究熱點。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種光纖白光干涉內(nèi)窺鏡三維測量系統(tǒng)。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0007]一種光纖白光干涉內(nèi)窺鏡三維測量系統(tǒng)，包括光纖干涉裝置和測量探頭;其中，
[0008]光纖干涉裝置包括帶寬耦合光纖LED和光纖耦合器；
[0009]測量探頭內(nèi)部集成了光纖干涉臂和電子內(nèi)窺鏡CCD;
[0010]工作時，帶寬親合光纖LED發(fā)出的光經(jīng)過光纖親合器的一端輸入，分光后由兩個光纖干涉臂輸出，兩個光纖干涉臂的端口作為楊氏雙孔結(jié)構(gòu)形成光纖馬赫澤德干涉條紋投射方式產(chǎn)生的條紋圖像，投射到被測物體表面;電子內(nèi)窺鏡CCD采集經(jīng)被測物體調(diào)制后的條紋圖像，并輸入計算機進行圖像處理和相位計算，得到被測物三維形貌數(shù)據(jù)。
[0011]本發(fā)明進一步的改進在于，光纖干涉裝置還包括第一壓電陶瓷、第二壓電陶瓷和光探測器，兩個光纖干涉臂分別纏繞在第一壓電陶瓷和第二壓電陶瓷上，作為相移控制和相位補償;三維測量系統(tǒng)還包括信號發(fā)生器、閉環(huán)控制電路和相位控制器;其中，
[0012]工作時，光束在兩個光纖干涉臂的端面發(fā)生菲涅爾反射，使得部分光沿原路返回并在光纖耦合器另一端發(fā)生干涉，從而構(gòu)成光纖邁克爾遜干涉儀;信號發(fā)生器控制第一壓電陶瓷產(chǎn)生一定相移，光探測器轉(zhuǎn)換邁克爾遜干涉信號后送入閉環(huán)控制電路進行信號調(diào)理，再通過相位控制器輸出給第二壓電陶瓷以補償環(huán)境干擾引起的相位誤差。
[0013]本發(fā)明進一步的改進在于，閉環(huán)控制電路包括依次連接的差分放大器、低通濾波器、減法器、高通濾波器以及PID控制器。
[0014]本發(fā)明進一步的改進在于，對于靜態(tài)測量，采用七步相移算法，并結(jié)合光纖干涉條紋投射模型，恢復(fù)物體三維形貌信息；對于動態(tài)測量，采用加窗傅里葉變換法進行相位計笪并ο
[0015]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果是:
[0016]I)本發(fā)明系統(tǒng)中光學(xué)干涉裝置所包含的LED光源、光耦合器以及光探測器均采用光纖器件，具有尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、靈活性良好等特點；
[0017]2)采用光纖干涉裝置來投射條紋，可提高條紋密度，進而提高測量精度；
[0018]3)測量系統(tǒng)以帶寬耦合光纖LED作為光源，即采用白光相移干涉法克服了傳統(tǒng)的單色光相移干涉法存在的局限性，可用來測量表面粗糙、不連續(xù)的物體形貌；
[0019]4)將內(nèi)窺鏡技術(shù)與光纖白光干涉技術(shù)相結(jié)合，使得本發(fā)明系統(tǒng)同時具備靈活性以及測量精度高的特點。
【附圖說明】
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[0020]圖1為內(nèi)窺鏡三維測量系統(tǒng)示意圖。
[0021]圖2為測量探頭示