CN101963490B - 基于激光自混合干涉的确定旋转体旋转中心的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于激光自混合干涉的确定旋转体旋转中心的方法，设置一套或两套激光定位装置，激光定位装置包括固定在一维平移台上激光器、设置在旋转体上的低反射率反射镜、用于探测激光器的尾光光强的光电探测器以及与光电探测器相连的数据采集单元；在旋转体旋转过程中，带动低反射率反射镜一起旋转，形成激光自混合干涉，通过测量激光自混合干涉条纹从而确定旋转体的旋转中心。本发明的基于激光自混合干涉的确定旋转体旋转中心的方法，是一种高精度的旋转中心定位方法，在360度的三维图像重建、计算机X射线断层成像及机械加工、设备组装等领域，将具有广泛的应用前景。

Description

基于激光自混合干涉的确定旋转体旋转中心的方法

技术领域

本发明涉及激光应用技术领域，特别涉及基于激光自混合干涉的确定旋转体旋转中心的方法。

背景技术

激光自混合干涉是指激光器输出光被外部物体反射或散射后，部分光反馈回激光器内，与激光腔内光相混合后，引起激光器输出功率发生变化的现象，也可称为光回馈，即激光器输出的光反馈自身的谐振腔内。光回馈引起的功率变化输出信号与传统的双光束干涉信号类似，外部反射物的移动导致回馈光的光程出现变化时，激光器输出功率将出现周期变化。激光自混合干涉系统仅有一个光学通道，并且可以做到“绝对”测量，相对传统的激光干涉系统，具有结构简单、紧凑、易准直等优点，在许多场合可以代替传统干涉仪。

当激光束入射到一旋转物体时，如果激光束偏离被测物体的旋转中心时，被测物体的角度变化将导致回馈光的光程变化，将出现激光自混合干涉现象，参见中国发明专利ZL200610123674.6：基于激光自混合干涉的微小角度测量方法及装置。

在结构光投影三维面型测量中，如果要实现360度的三维图像重建，通常是将被测物体置于一旋转台上，旋转台带动被测物体进行旋转，将360度内多个角度拍摄测量得到的三维图像进行拼接，即可获得被测物体360度的三维图像重建。在多角度三维图像的拼接过程中，需要精确确定三维重建几何坐标，其中被测物体的旋转中心几何位置非常关键，旋转中心几何位置的定位误差会引起不同角度面型的拼接误差，在拼接处出现明显的不连贯。在计算机X射线断层成像系统中，是将X射线进行旋转扫描成像，转台旋转中心的确定同样是非常关键，其定位误差会引起计算机断层成像图像的伪影。在机械加工、设备组装等领域也经常遇到旋转中心的精确定位问题。

发明内容

本发明的目的在于提供基于激光自混合干涉的确定物体旋转中心位置的方法，该方法精度高。

本发明提供两种方案，第一种方案为：

一种基于激光自混合干涉的确定旋转体旋转中心的方法，

——设置一套激光定位装置，激光定位装置：

包括激光器，激光器固定在一维平移台上，一维平移台的平移方向与激光束垂直，激光束与旋转体的转轴方向垂直，一维平移台的平移方向与旋转体的转轴方向垂直；所述激光束由激光器发射；

还包括设置在旋转体上的低反射率反射镜，低反射率反射镜的法线与激光束基本重合，从而使激光束经过低反射率反射镜反射后的光线将反馈到激光器的激光腔中，形成激光自混合干涉；

还包括用于探测激光器的尾光光强的光电探测器以及与光电探测器相连的数据采集单元；

——在旋转体旋转过程中，带动低反射率反射镜一起旋转，激光束入射到低反射率反射镜，通常情况下，在入射角为±0.05°的范围内从低反射率反射镜反射的光线将反馈到激光器的激光腔中，形成激光自混合干涉，通过光电探测器和数据采集单元即可获得激光自混合干涉信号，形成激光自混合干涉条纹；

——移动一维平移台，使激光器在垂直激光束的方向上移动，当激光自混合干涉条纹随着激光器的移动逐渐变稀直至消失，此时表明激光束已通过旋转体的旋转中心；

——当激光自混合干涉条纹消失时，在旋转体上标记一条对应激光束的直线，该直线通过旋转体的旋转中心；

——然后转动旋转体一定角度，激光束与上述所标记的直线的交点或激光束与上述所标记的直线在与旋转体转轴垂直的平面上的投影的交点即为旋转体的旋转中心。

本发明的第二种方案为：

一种基于激光自混合干涉的确定旋转体旋转中心的方法，

——设置两套激光定位装置；每套激光定位装置中：

包括激光器，激光器固定在一维平移台上，一维平移台的平移方向与激光束垂直，激光束与旋转体的转轴方向垂直，一维平移台的平移方向与旋转体的转轴方向垂直；所述激光束由激光器发射；

还包括设置在旋转体上的低反射率反射镜，低反射率反射镜的法线与激光束基本重合，从而使激光束经过低反射率反射镜反射后的光线将反馈到激光器的激光腔中，形成激光自混合干涉；

还包括用于探测激光器的尾光光强的光电探测器以及与光电探测器相连的数据采集单元；

两激光束的交角为10～90°；

——在旋转体旋转过程中，带动低反射率反射镜一起旋转，激光束入射到低反射率反射镜，通常情况下，在入射角为±0.05°的范围内从低反射率反射镜反射的光线将反馈到原激光器的激光腔中，形成激光自混合干涉，通过光电探测器和数据采集单元即可获得激光自混合干涉信号，形成激光自混合干涉条纹；

——移动其中一套激光定位装置的一维平移台，使该套激光定位装置的激光器在垂直该激光器的激光束的方向上移动，当该套激光定位装置的激光自混合干涉条纹随着激光器的移动逐渐变稀直至消失，此时表明该套激光定位装置的激光器发射的激光束已通过旋转体的旋转中心；

——移动另外一套激光定位装置的一维平移台，使该套激光定位装置的激光器在垂直该激光器的激光束的方向上移动，当该套激光定位装置的激光自混合干涉条纹随着激光器的移动逐渐变稀直至消失，此时表明该套激光定位装置的激光器发射的激光束已通过旋转体的旋转中心；

——当两套激光定位装置各自的激光器发出的激光束均通过旋转体的旋转中心时，两激光束的交点或两激光束在与旋转体转轴垂直的平面上的投影的交点即为旋转体的旋转中心。

上述的低反射率反射镜是指反射率不大于5％的反射镜，可以为平面反射镜或楔形反射镜。楔形反射镜的楔角最好为大于1度。

本发明的第一种方案采用一套激光定位装置，因此需要先标定一条直线，第二种方案采用两套激光定位装置，定位后的激光束的交点就是旋转体的旋转中心，更直观，且精度更高。

我们曾发现当激光束入射到一旋转物体时，如果激光束偏离被测物体的旋转中心时，被测物体的角度变化将导致回馈光的光程变化，将出现激光自混合干涉现象，但最近我们又发现如果激光束通过被测物体的旋转中心时，被测物体的角度变化将不会导致回馈光的光程变化，也就不会出现激光自混合干涉现象。本发明正是利用这一现象，用来确定旋转体的旋转中心。

本发明的方法基于一种激光自混合干涉现象：

激光自混合干涉，是指激光器输出光被外部物体反射或散射后，部分光反馈回激光器谐振腔内，与激光腔内的光场相混合后进行干涉。当外部物体移动时，反馈光的光程将发生变化，腔内自混合干涉引起激光器输出功率也将出现周期性变化，在弱反馈水平下，激光器输出功率的变化和双光束干涉信号类似。

激光自混合干涉效应通常可用如图1所示的三腔镜法-珀腔来解释。激光器谐振腔的两个端面和被测靶面构成了两个法-珀腔。激光器发射的光在外腔中传播到靶面，一部分输出光被反射返回到激光腔，和激光腔内的光形成自混合干涉，自混合干涉的结果使得激光器发射光的振幅和频率受到调制。在反馈较弱的情况下，可不考虑外腔多重反馈，激光器的输出功率可表示为：

$p=p_0[1+\mathrm{\μ}\cos \left(4\mathrm{\π}\frac{L}{\mathrm{\λ}}\right)]---\left(1\right)$

其中，L是外腔的长度，p₀为无反馈光时激光器输出的功率，λ为激光波长，μ为与反馈量有关的比例系数。

当被测靶面旋转一微小角度θ时，如图1所示，外腔的长度将发生改变。设旋转中心O到A点的距离为d，激光入射点B到点A的距离为h，那么外腔的长度改变量为：

$\mathrm{\ΔL}=d(\frac{h}{d}-\mathrm{tg}\frac{\mathrm{\θ}}{2})\mathrm{tg\θ}---\left(2\right)$

在微小角度近似下，有：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{tg\θ}\≈\mathrm{\θ}\\ \mathrm{tg}\frac{\mathrm{\θ}}{2}\mathrm{tg\θ}\≈\frac{{\mathrm{\θ}}^2}{2}\≈0\end{array}\right.---\left(3\right)$

则激光器的输出功率可表示为：

$p=p_0[1+\mathrm{\μ}\cos \left(4\mathrm{\π}\frac{L_0+\mathrm{h\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)]---\left(4\right)$

式中，L₀为θ等于零时的外腔的长度。显然根据(4)式，激光输出功率是随θ按余弦关系变化的干涉信号，当θ每改变λ/2h时，干涉信号变化一个周期。显然，h越小，自混合干涉信号越稀疏，当h为零时，自混合干涉信号消失。因此我们可以逐渐使h变小，观察自混合干涉信号，如果自混合干涉信号消失，可以判断此时h为零，激光束通过旋转体的旋转中心。

由于光干涉法具有光波长级的高测量精度(约几百个纳米)，本发明的基于激光自混合干涉的确定旋转体旋转中心的方法，是一种高精度的旋转中心定位方法，在360度的三维图像重建、计算机X射线断层成像及机械加工、设备组装等领域，将具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是自混合干涉外腔长度与角度的关系示意图；

图2是具体实施方式示意图；

图3是实施例示意图；

图4是h为6mm时自混合信号随角度变化的曲线。

图5是h为3mm时自混合信号随角度变化的曲线。

图6是h为0mm时自混合信号随角度变化的曲线。

图中，1-旋转体；2-低反射率反射镜；3-激光器；4-一维平移台；5-光电探测器；6-数据采集单元；7-步进电机。

具体实施方式

如图2所示，激光定位装置包括激光器3，激光器3固定在一维平移台4上，一维平移台4的平移方向与激光束垂直，激光器3发射的激光束与旋转体1的转轴垂直，一维平移台4的平移方向还与旋转体1的转轴垂直。在旋转体1上设置一个低反射率反射镜2；在被测旋转物体1旋转过程中，激光器3从前端发射激光束入射到低反射率反射镜2，当从低反射率反射镜2反射回的光线反馈到激光器3的腔内时，形成激光自混合干涉，用一光电探测器5从激光器3的后端探测尾光光强，再经数据采集单元6获得激光自混合干涉信号；移动一维平移台4，使激光器3在垂直激光束的方向上移动，激光自混合干涉条纹随着激光器3的移动逐渐变稀直至条纹消失，此时表明激光束已通过旋转体的旋转中心；

此后转动物体，激光束都将通过旋转体1的旋转中心，由此即可确定旋转体1的旋转中心。

实施例

如图3所示，本发明方法可用于确定被步进电机7驱动的旋转体的旋转中心。激光器3的参数为：腔长为250毫米、输出功率为3毫瓦、波长为632.8nm，低反射率反射镜2为楔形反射镜，其楔角为3度。楔形反射镜2固定在旋转体1上，旋转体1可由步进电机7推动旋转。自混合干涉信号由光电探测器5从激光器后端探测尾光光强获得。移动一维平移台4可带动激光器3移动，从而改变图中的h值，每改变一次h值，测一次自混合干涉信号，直至发现干涉信号消失，即h为零，此时激光束通过旋转体1的中心。

图4为实测到的h为6mm时自混合信号随角度变化的曲线；图5为实测到的h为3mm时自混合信号随角度变化的曲线；图6为实测到的h为0时自混合信号随角度变化的曲线。从这些图中可以看出当h的值变小时干涉条纹逐渐变稀，条纹变小，当h为0时自混合干涉条纹消失，由此可确定此时激光束所在的直线通过旋转平台的中心。将旋转平台转过一角度，再测一次获得第二条通过旋转平台中心的直线。两直线的交点即为平台的旋转中心。

Claims (4)

1.一种基于激光自混合干涉的确定旋转体旋转中心的方法，其特征在于：

——设置一套激光定位装置，激光定位装置：

包括激光器，激光器固定在一维平移台上，一维平移台的平移方向与激光束垂直，激光束与旋转体的转轴方向垂直，一维平移台的平移方向与旋转体的转轴方向垂直；所述激光束由激光器发射；

还包括设置在旋转体上的低反射率反射镜，低反射率反射镜的法线与激光束基本重合，从而使激光束经过低反射率反射镜反射后的光线将反馈到激光器的激光腔中，形成激光自混合干涉；

还包括用于探测激光器的尾光光强的光电探测器以及与光电探测器相连的数据采集单元；

——在旋转体旋转过程中，带动低反射率反射镜一起旋转，激光束入射到低反射率反射镜，通常情况下，在入射角为±0.05°的范围内从低反射率反射镜反射的光线将反馈到激光器的激光腔中，形成激光自混合干涉，通过光电探测器和数据采集单元即可获得激光自混合干涉信号，形成激光自混合干涉条纹；

——移动一维平移台，使激光器在垂直激光束的方向上移动，当激光自混合干涉条纹随着激光器的移动逐渐变稀直至消失，此时表明激光束已通过旋转体的旋转中心；

——当激光自混合干涉条纹消失时，在旋转体上标记一条对应激光束的直线，该直线通过旋转体的旋转中心；

——然后转动旋转体一定角度，激光束与上述所标记的直线的交点或激光束与上述所标记的直线在与旋转体转轴垂直的平面上的投影的交点即为旋转体的旋转中心。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：低反射率反射镜为平面反射镜或楔形反射镜。

3.一种基于激光自混合干涉的确定旋转体旋转中心的方法，其特征在于：

——设置两套激光定位装置；每套激光定位装置中：

包括激光器，激光器固定在一维平移台上，一维平移台的平移方向与激光束垂直，激光束与旋转体的转轴方向垂直，一维平移台的平移方向与旋转体的转轴方向垂直；所述激光束由激光器发射；

还包括设置在旋转体上的低反射率反射镜，低反射率反射镜的法线与激光束基本重合，从而使激光束经过低反射率反射镜反射后的光线将反馈到激光器的激光腔中，形成激光自混合干涉；

还包括用于探测激光器的尾光光强的光电探测器以及与光电探测器相连的数据采集单元；

两激光束的交角为10～90°；

——在旋转体旋转过程中，带动低反射率反射镜一起旋转，激光束入射到低反射率反射镜，通常情况下，在入射角为±0.05°的范围内从低反射率反射镜反射的光线将反馈到原激光器的激光腔中，形成激光自混合干涉，通过光电探测器和数据采集单元即可获得激光自混合干涉信号，形成激光自混合干涉条纹；

——移动其中一套激光定位装置的一维平移台，使该套激光定位装置的激光器在垂直该激光器的激光束的方向上移动，当该套激光定位装置的激光自混合干涉条纹随着激光器的移动逐渐变稀直至消失，此时表明该套激光定位装置的激光器发射的激光束已通过旋转体的旋转中心；

——移动另外一套激光定位装置的一维平移台，使该套激光定位装置的激光器在垂直该激光器的激光束的方向上移动，当该套激光定位装置的激光自混合干涉条纹随着激光器的移动逐渐变稀直至消失，此时表明该套激光定位装置的激光器发射的激光束已通过旋转体的旋转中心；

——当两套激光定位装置各自的激光器发出的激光束均通过旋转体的旋转中心时，两激光束的交点或两激光束在与旋转体转轴垂直的平面上的投影的交点即为旋转体的旋转中心。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：低反射率反射镜为平面反射镜或楔形反射镜。

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