CN101561259A - 相位可控多频光纤干涉条纹投射装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多频光纤干涉条纹、三维形貌测量技术，特别涉及一种相位可控多频光纤干涉条纹投射装置。为提供一种测量精度高并且稳定可靠的相位可控多频光纤干涉条纹投射装置，本发明采用的技术方案是：包括形成出射端7、出射端8投射的马赫－泽德干涉仪，还包括迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪产生的干涉信号由单模光纤耦合器6的非入射端传送给光电探测器10；光电探测器10将光信号转换为电信号传送给伺服系统11；伺服系统11用于通过比较实际相位与目标相位来控制压电陶瓷PZT驱动装置13驱动光纤拉伸器12改变单模光纤耦合器6两输出臂光程差。本发明主要用于三维形貌测量场合。

Description

相位可控多频光纤干涉条纹投射装置

技术领域

本发明涉及多频光纤干涉条纹、三维形貌测量技术，特别涉及一种相位可控多频光纤干涉条纹投射装置。

背景技术

三维形貌测量技术在自动检测和质量控制、反求工程、机器视觉、医学诊断、文物鉴定等领域中占有重要的地位，特别是汽车车身、飞机机身、轮船船体、汽轮机叶片等加工制造中的在线曲面检测，对三维形貌测量技术提出了更高的要求，并促进其向高精度、智能化的动态测量方向发展。三维形貌测量技术可分为接触式与非接触式两大类。接触式测量易影响被测物表面形貌，且不能同时保证测量的速度与精度。鉴于接触式测量的局限性，非接触式测量越来越受到人们的青睐，其测量基于光学原理，具有高效率、无破坏性、工作距离大等特点，可以对物体进行静态或动态的测量。光学非接触式三维测量技术根据获取三维信息的基本方法可分为：被动式与主动式两大类。被动式是在自然光(包括室内可控照明光)条件下，通过摄像机等光学传感器摄取的二维灰度图像获取物体的三维信息。主动式是利用特殊的受控光源照射被测物，根据主动光源的已知结构信息获取物体的三维信息。主动式光学非接触三维测量技术中的傅立叶变换轮廓术、相移轮廓术都是将光栅条纹投射到被测物体表面，利用被调制条纹的相位场求得物体的三维轮廓信息。这两种方法均采用全场测量模式，可评价整个物体表面状况，是目前主动式光学三维形貌测量中最常用，最有前途的方法。其中傅立叶变换法只需一帧(或两帧)图像即可得到物体表面三维形貌，测量速度快，能够实现动态测量；相移法采用相对测量原理，精度较高。光栅投射法中投射条纹的质量(条纹密度、稳定性及清晰度)直接影响三维形貌的测量精度，相移法的精度还依赖于精确的相移装置，因此能够投射高密度稳定条纹的投射装置对光栅投射轮廓术(傅立叶变换轮廓术、相移轮廓术)的发展具有重要意义。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种测量精度高并且稳定可靠的相位可控多频光纤干涉条纹投射装置。本发明采用的技术方案是：包括有：激光器1和不同频率的另一激光器2、每个激光器分别对应配备有偏振控制器3和另一偏振控制器4，还包括WDM耦合器5、单模光纤耦合器6、光电探测器PD10、伺服控制系统11、光纤拉伸器12、压电陶瓷PZT驱动装置13，所述激光器1、另一激光器2发射的激光分别经偏振控制器3、另一偏振控制器4后耦合进WDM耦合器5，所述WDM耦合器5与单模光纤耦合器6相连，不同频率的激光经单模光纤耦合器6分光后分别经光纤由出射端7、另一出射端8投射，前述本发明组成部分构成马赫-泽德干涉仪，并在两出射端发生杨氏双孔干涉从而将多频干涉条纹投射到光屏14处，并由光电探测器或摄象机接收；所述单模光纤耦合器6与出射端7和另一出射端8的反射光路构成迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪产生的干涉信号由单模光纤耦合器6的非入射端9传送给光电探测器10；光电探测器10将光信号转换为电信号传送给伺服系统11；伺服系统11用于通过比较实际相位与目标相位来控制压电陶瓷PZT驱动装置13驱动光纤拉伸器12改变单模光纤耦合器6两输出臂光程差。

1、包括有：激光器(1)和不同频率的另一激光器(2)、每个激光器分别对应配备有偏振控制器(3)和另一偏振控制器(4)，还包括WDM耦合器(5)、单模光纤耦合器(6)、光电探测器PD(10)、伺服控制系统(11)、光纤拉伸器(12)、压电陶瓷PZT驱动装置(13)，所述激光器(1)、另一激光器(2)发射的激光分别经偏振控制器(3)、另一偏振控制器(4)后耦合进WDM耦合器(5)，所述WDM耦合器(5)与单模光纤耦合器(6)相连，不同频率的激光经单模光纤耦合器(6)分光后分别经光纤由出射端(7)、另一出射端(8)投射，前述本发明组成部分构成马赫-泽德干涉仪，并在两出射端发生杨氏双孔干涉从而将多频干涉条纹投射到光屏(14)处，并由光电探测器或摄象机接收；所述单模光纤耦合器(6)与出射端(7)和另一出射端(8)的反射光路构成迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪产生的干涉信号由单模光纤耦合器(6)的非入射端(9)传送给光电探测器(10)；光电探测器(10)将光信号转换为电信号传送给伺服系统(11)；伺服系统(11)用于通过比较实际相位与目标相位来控制压电陶瓷PZT驱动装置(13)驱动光纤拉伸器(12)改变单模光纤耦合器(6)两输出臂光程差。

2、根据权利要求1所述的一种相位可控多频光纤干涉条纹投射装置，其特征是，所述光纤为单模SM光纤或者保偏PM光纤。

3、根据权利要求1所述的一种相位可控多频光纤干涉条纹投射装置，其特征是，所述不同频率激光器(1)和另一激光器(2)为相干长度长的两不同频率单模激光器，其波长的选择依据WDM耦合器的适用范围和CMOS相机的光谱探测范围确定。

4、根据权利要求1所述的一种相位可控多频光纤干涉条纹投射装置，其特征是，所述出射端(7)、另一出射端(8)的光纤输出端面，其端面要良好的磨光，并封装于同一FC接头内。

5、根据权利要求1所述的一种相位可控多频光纤干涉条纹投射装置，其特征是，出射端(7)、另一出射端(8)输出端光纤纤心距按以下公式设置：

$a=\frac{\mathrm{\ΔD}\×\mathrm{\λ}}{P_2-P_1},$

P₂、P₁为光电探测器分别在D₁与D₂两点测量到的条纹周期，ΔD为D₁与D₂两点距离。

6、根据权利要求1所述的一种相位可控多频光纤干涉条纹投射装置，其特征是，光电探测器或摄象机的视场范围应要足够靠近投射系统的光轴，即满足X²＞＞Y²+Z²，X为光电探测器或摄象机沿投射方向坐标，Y、Z为光电探测器或摄象机垂直投射方向平面内二维坐标。

7、根据权利要求1所述的一种相位可控多频光纤干涉条纹投射装置，其特征是，由摄象机接收后输出到傅立叶变化法或相移法相位解调装置。

本发明可以带来以下效果：

本发明中投射装置采用全光纤光路，可减少来自背景光的干扰，以适应复杂的工业现场环境；并且可实现光纤一体化，使投射装置的搭建更为简易，有利于系统的小型化与集成化，方便便携式三维形貌测量系统的实现。利用本发明，可作为光栅投射轮廓术(傅立叶变换轮廓术、相移轮廓术)的条纹投射装置，应用于工业检测、反求工程、生物医学、机器视觉等领域中的物体表面三维形貌测量。

附图说明

图1为本发明投射装置的系统结构示意图。

图2为投射装置两出射光纤纤心距离测量示意图。

图3为利用本发明投射装置测量物体三维形貌示意图。

图1中：1、2为不同频率激光器，3、4为两个偏振控制器，5是WDM耦合器，6是3dB单模2×2光纤耦合器，7、8为光纤出射端，9是迈克尔逊干涉仪输出端，亦是3dB单模光纤耦合器输出端或称非入射端，10为光电探测器PD，11是伺服控制系统，12是光纤拉伸器，13是PZT驱动装置，14是光屏。

图2中：7、8光纤出射端及其纤心，15是可调狭缝，16是光电探测装置，17是二维移动平台。

图3中：18是投射条纹零级亮纹所在光面，19是条纹投射装置，20是CMOS摄像机21是摄像机透镜中心，22是摄像机像平面。

具体实施方式

为了提高投射条纹的密度，本发明利用光纤干涉投射技术，采用3dB单模光纤耦合器构成马赫-泽德干涉仪，入射光经耦合器分光后由两输出端输出，满足杨氏双孔干涉条件，在投射方产生干涉条纹。与传统透射式光栅相比干涉条纹密度高，有利于提高测量精度。

在3dB耦合器的入射端引入了波分复用器(WDM)，不同频率激光器发射的激光经WDM耦合进同一3dB耦合器输入端，入射光经耦合器分光后在输出方产生多频干涉条纹。投射的多频干涉条纹可为光栅投射轮廓术实现高可靠性的时域去包裹算法提供多频信息。

为了提高所投射干涉条纹的相位可控性并使投射装置能够同时应用于傅立叶变换轮廓术与相移轮廓术，本发明利用3dB耦合器与其输出端反射构成的迈克尔逊干涉仪与光电探测器监测条纹相位信息，并将相位信息提供给伺服系统；伺服系统通过比较实际相位信息与目标相位信息控制PZT光纤拉伸器改变两输出臂光程差实现投射条纹的相位控制，同时可采用通过伺服系统锁定光电探测器输出信号的方式实现干涉条纹的稳定控制。条纹的稳定控制可增加测量系统的鲁棒性与抗干扰能力，精确的相移控制可有效提高相移法的测量精度。

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明。

如图1所示，本发明的相位可控多频光纤干涉条纹投射装置结构是：该装置包括有不同频率激光器1和2，分别为每个激光器配备的偏振控制器3和4，WDM耦合器5，2×2单模3dB光纤耦合器6，光电探测器PD 10、伺服控制系统11、光纤拉伸器12、压电陶瓷PZT驱动装置13。所述激光器1、2发射的激光经偏振控制器3、4后耦合进WDM耦合器5，所述WDM耦合器与3dB单模光纤耦合器6相连，不同频率的激光经3dB耦合器分光后由出射端7、8投射，构成马赫-泽德干涉仪，并在两出射端发生杨氏双孔干涉从而将多频干涉条纹投射到光屏14处。

由于杨氏双孔干涉产生的亮条纹所在光面是以两孔为焦点的空间双曲面族，因此理论上投射到光屏上的条纹是一双曲线族，但是当满足远场近轴条件时，亮纹所在空间光面将变为平面，光屏上的双曲线族也将退化为线性直条纹，这时投射的条纹满足光栅投射轮廓术的应用要求。由以上论述知本发明的投射装置的应用需满足远场近轴条件。远场条件(x＞＞a)指投射装置的投射距离要远大于投射端光纤纤心距离；近轴条件x²＞＞y²+z²指摄像机拍摄变形条纹的视场范围要足够靠近投射系统的光轴(x为沿投射方向坐标，y，z为垂直投射方向平面内二维坐标)。

所述3dB耦合器6与其输出端7、输出端8反射光路构成迈克尔逊干涉仪，其产生的干涉信号由3dB耦合器6的非入射端即输出端9传送给光电探测器10；光电探测器将光信号转换为电信号传送给伺服系统11；伺服系统通过比较实际相位与目标相位来控制PZT驱动装置13驱动光纤拉伸器改变两输出臂光程差，从而实现精确的条纹相移控制。另外可通过锁定光电探测器的输出值实现条纹相位的稳定控制。上述伺服控制功能由软硬件系统共同实现，硬件部分的数据获取系统(DAC)用来采样PD的输出，软件系统负责计算出相位调节量以便控制PZT驱动光纤拉伸器。由于投射条纹的马赫-泽德干涉仪与监测实际相位的迈克尔逊干涉仪的光程差均由6的两输出臂产生，而迈克尔逊干涉仪还存在反射光路，因此迈克尔逊干涉仪的输出相位变化与马赫-泽德干涉仪实际投射的干涉条纹的相位变化存在2倍的关系，软件系统中计算相位调节量的算法以此为基础进行建立。

本实施例实验应用如下：

1.光纤的选择：为了能够构成马赫-泽德干涉仪实现杨氏双孔干涉投射，选用单模(SM)光纤或者保偏(PM)光纤，它们的截止波长，数值孔径(NA)，以及性价比要同时考虑，如果单模光纤产生的条纹仍不能达到满意的可见度，则可采用保偏光纤。

2.激光器的选择：选取相干长度较长的两不同频率单模激光器。它们波长的选择依据WDM耦合器的适用范围和CMOS相机的光谱探测范围。利用仿真确定两激光的理想波长以确保相位锁定和相位去包裹都能够准确的进行。

3.光纤输出端面处理：两光纤输出臂的端面要良好的磨光，并最好封装于同一FC接头内，这样可避免两输出端之间的相对移动，增强系统的稳定性。FC是英文ferrule connector缩写，表示光纤接头外部加强紧固件是金属件，为标准接头。

4.输出端光纤纤心距测量：输出端光纤纤心距是影响干涉条纹周期的重要参数，在投射装置应用于三维形貌测量之前应予以测定。如图2，光电探测装置16放置在二维移动平台17上，并在光电探测装置前放置可调狭缝15以提高测量的空间分辨率。二维移动平台17可沿条纹投射方向与垂直条纹方向移动。移动平台可使光电探测器在垂直条纹方向上移动并对条纹周期进行探测。利用移动平台使光电探测器沿条纹投射方向移动，并分别在D₁与D₂两点测量条纹周期，从而光纤纤心间距可由以下公式求得：

$P_1=\frac{D_1\mathrm{\λ}}{a}$ 与 $P_2=\frac{D_2\mathrm{\λ}}{a}\⇒a=\frac{\mathrm{\ΔD}\·\mathrm{\λ}}{P_2-P_1}$

其中P₁与P₂为条纹在D₁与D₂处的周期，D₁与D₂虽然不能够精确测量，但是通过移动平台可以测量出两位置之间的距离ΔD，从而光纤纤心距离得以精确测量。

5.利用本投射装置实现物体表面三维形貌测量：

如图3所示，选取摄像机20的镜头光学中心21作为原点，x轴平行摄像机像素水平方向，y轴平行摄像机像素垂直方向，z轴沿摄像机光轴方向。本发明投射装置19的中心位于P(L，0，0)，与原点相距为基线距离L。19所投射的条纹与y轴方向平行，零级条纹18所在光面与x轴夹角为β₀。

投射角度为β的条纹图上点S(x，y，z)的坐标满足下式：

xsinβ-zcosβ＝Lsinβ(1)

点S在摄像机像平面22中所成的像点为S_i(m，n)，其中m、n分别为水平与垂直方向像素序号(中心像素坐标为(0，0))。根据摄像机针孔透视变换模型，S与S_i之间的关系可写为：

$\frac{x}{m}=\frac{y}{n}=\frac{z}{d}---\left(2\right)$

其中d为透镜中心21到像面22的距离。

由(1)、(2)式可得S与S_i之间坐标关系可表示为：

$\left.\begin{array}{c}x=\frac{\mathrm{mL}}{m-d\·\mathrm{ctg}\left(\mathrm{\β}\right)}\\ y=\frac{\mathrm{nL}}{m-d\·\mathrm{ctg}\left(\mathrm{\β}\right)}\\ z=\frac{\mathrm{dL}}{m-d\·\mathrm{ctg}\left(\mathrm{\β}\right)}\end{array}\right\}---\left(3\right)$

条纹投射角度β与干涉条纹相位场关系为：

其中a为两光纤纤心距离，β₀为系统结构参数，可由消影法测得，当干涉条纹相位被检测到后，利用式(4)可求得β，从而利用(3)式求得S点的坐标，即物体表面的三维信息。

6.干涉条纹相位信息的解调：

式(4)中干涉条纹相位场

受物体表面高低调制，包含有物体表面的高度信息。因此本投射装置投射的条纹经物体表面调制变形后，要经过相位解调得到相位场信息方可被5中的方法利用。可应用于本投射装置所投射条纹的相位解调方法有傅立叶变化法与相移法。

傅立叶变换法：

摄像机获取的条纹图像可表示为：

其中：I为记录到的光强分布，a表示物体反射的背景光强，b表示调制度，f₀是投影到参考平面的条纹图样的空间频率，条纹相位场

对应于物体上各点的高度h(x，y)。上式可重写为：

g(x，y)＝a(x，y)+c(x，y)exp(2πif₀x)+c^*(x，y)exp(-2πif₀x)  (6)

其中：

式(6)中g(x，y)对x的傅立叶变换为：G(f，y)＝A(f，y)+C(f-f₀，y)+C^*(f-f₀，y)

由于a(x，y)，b(x，y)和

相对f₀变化缓慢，因此可滤出频谱中的C(f-f₀，y)从而得到基频成分，并将其移回原点做反变换得到c(x，y)，求出

相移法：

利用伺服控制系统控制PZT光纤拉伸器改变输出臂光程差，使得干涉条纹沿与条纹垂直方向以2π/N为步距作N步相移，可获取N帧相移条纹图像，将它们记为I_n，其中，n＝0，1，…，N-1(N≥3)。I_n可表示为：

则相位函数为：

傅立叶变换法与相移法中相位场均由反正切函数求得，因此相位信息被包裹在[-π，π]之内，要得到连续变化的真实相位场，需要对包裹相位进行去包裹处理。利用本投射装置投射的多频干涉条纹中的多频信息，可以实现高可靠性的动态时域去包裹算法，该算法可对每一点进行单独的相位去包裹，使得包裹相位图中的断点以及噪声点的不利影响得以消除。

本发明采用光纤干涉投射技术、WDM波分复用技术、基于光纤干涉的干涉条纹移相控制技术，发明了一种相位可控的多频干涉条纹投射装置。投射条纹精度高且能够同时满足傅立叶变换轮廓术和相移轮廓术的应用要求；投射条纹中的多频信息可为高可靠性的时域去包裹算法提供应用基础；整个投射装置采用全光纤光路，可实现光纤一体化，简单便携，有利于测量系统的小型化与集成化。本发明可广泛应用于主动式三维光学形貌测量，为多频光栅条纹投射轮廓术提供了一种新的应用平台和技术基础。

Claims (7)

1、一种相位可控多频光纤干涉条纹投射装置，其特征是，包括有：激光器(1)和不同频率的另一激光器(2)、每个激光器分别对应配备有偏振控制器(3)和另一偏振控制器(4)，还包括WDM耦合器(5)、单模光纤耦合器(6)、光电探测器PD(10)、伺服控制系统(11)、光纤拉伸器(12)、压电陶瓷PZT驱动装置(13)，所述激光器(1)、另一激光器(2)发射的激光分别经偏振控制器(3)、另一偏振控制器(4)后耦合进WDM耦合器(5)，所述WDM耦合器(5)与单模光纤耦合器(6)相连，不同频率的激光经单模光纤耦合器(6)分光后分别经光纤由出射端(7)、另一出射端(8)投射，前述本发明组成部分构成马赫-泽德干涉仪，并在两出射端发生杨氏双孔干涉从而将多频干涉条纹投射到光屏(14)处，并由光电探测器或摄象机接收；所述单模光纤耦合器(6)与出射端(7)和另一出射端(8)的反射光路构成迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪产生的干涉信号由单模光纤耦合器(6)的非入射端(9)传送给光电探测器(10)；光电探测器(10)将光信号转换为电信号传送给伺服系统(11)；伺服系统(11)用于通过比较实际相位与目标相位来控制压电陶瓷PZT驱动装置(13)驱动光纤拉伸器(12)改变单模光纤耦合器(6)两输出臂光程差。

2、根据权利要求1所述的一种相位可控多频光纤干涉条纹投射装置，其特征是，所述光纤为单模SM光纤或者保偏PM光纤。

3、根据权利要求1所述的一种相位可控多频光纤干涉条纹投射装置，其特征是，所述不同频率激光器(1)和另一激光器(2)为相干长度长的两不同频率单模激光器，其波长的选择依据WDM耦合器的适用范围和CMOS相机的光谱探测范围确定。

4、根据权利要求1所述的一种相位可控多频光纤干涉条纹投射装置，其特征是，所述出射端(7)、另一出射端(8)的光纤输出端面，其端面要良好的磨光，并封装于同一FC接头内。

5、根据权利要求1所述的一种相位可控多频光纤干涉条纹投射装置，其特征是，出射端(7)、另一出射端(8)输出端光纤纤心距按以下公式设置：

$a=\frac{\mathrm{\ΔD}\×\mathrm{\λ}}{P_2-P_1},$

P₂、P₁为光电探测器分别在D₁与D₂两点测量到的条纹周期，ΔD为D₁与D₂两点距离。

6、根据权利要求1所述的一种相位可控多频光纤干涉条纹投射装置，其特征是，光电探测器或摄象机的视场范围应要足够靠近投射系统的光轴，即满足X²＞＞Y²+Z²，X为光电探测器或摄象机沿投射方向坐标，Y、Z为光电探测器或摄象机垂直投射方向平面内二维坐标。

7、根据权利要求1所述的一种相位可控多频光纤干涉条纹投射装置，其特征是，由摄象机接收后输出到傅立叶变化法或相移法相位解调装置。

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