CN102679908A - 一种双波长光纤干涉条纹投射三维形貌动态测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双波长光纤干涉条纹投射三维形貌动态测量方法，涉及三维形貌测量领域，构建双波长光纤干涉条纹投射系统；根据所述双波长光纤干涉条纹投射系统获取三维投射模型；所述双波长光纤干涉条纹投射系统根据所述三维投射模型获取物体表面三维形貌信息。本方法利用杨氏双孔干涉模型、光纤波分复用技术和马赫-泽德非平衡干涉仪结构实现光纤干涉条纹投射，利用光纤端面菲涅尔反射干涉条纹信号实现初始相位的测量，利用激光器电流注入法实现投射条纹相位调制。本发明结构简单，易于实现，提高了测量精度、避免了电压和亮度的非线性关系产生的误差，抗干扰能力强，并具有动态测量与监控能力。

Description

一种双波长光纤干涉条纹投射三维形貌动态测量方法

技术领域

本发明涉及三维形貌测量领域，尤其涉及一种双波长光纤干涉条纹投射三维形貌动态测量方法。

背景技术

主动式光学三维形貌测量技术目前广泛用于工业检测、反求工程、生物医学和机器视觉等领域。例如：复杂叶轮和叶片的面形检测，口腔牙型测量，医学辅助诊断和各种实物模型的三维信息记录与仿形等。其中，相位轮廓术是三维形貌测量的研究热点之一。条纹投射相位测量轮廓术基于面结构光投射的三角法测量原理，可以实现高精度的物体表面三维形貌的动态和静态测量，其关键是求解物体表面的相位分布，再通过透视几何关系和投射系统的结构参数，实现深度信息的间接测量。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

1）传统条纹投射装置方式采用光栅投影并结合机械平移装置实现相移，该方法数据处理简单，但条纹密度与相移精度都相对较低；

2）采用数字投影仪(DLP)投射条纹，数字条纹图可由计算机生成，该方法通过编程实现了非机械精确相移，并可实现自适应测量，但条纹密度受投影仪分辨率的限制，电压和亮度的非线性关系带来了系统误差。

发明内容

本发明提供了一种双波长光纤干涉条纹投射三维形貌动态测量方法，本发明提高了测量精度、避免了电压和亮度的非线性关系产生的误差，详见下文描述：

一种双波长光纤干涉条纹投射三维形貌动态测量方法，所述方法包括以下步骤：

(1)构建双波长光纤干涉条纹投射系统；

(2)根据所述双波长光纤干涉条纹投射系统获取三维投射模型；

(3)所述双波长光纤干涉条纹投射系统根据所述三维投射模型获取物体表面三维形貌信息。

所述双波长光纤干涉条纹投射系统，包括：第一激光器、第二激光器、第一光隔离器、第二光隔离器、波分复用耦合器、3dB耦合器、第一加法器、第二加法器、WDM分路器、第一光电探测器、第二光电探测器、伺服反馈控制系统、CCD采集相机和上位机，

所述第一激光器发出的第一激光经过所述第一光隔离器后进入所述波分复用耦合器；所述第二激光器发出的第二激光经过所述第二光隔离器后进入所述波分复用耦合器，所述波分复用耦合器通过输入臂将两束激光耦合入所述3dB耦合器，所述3dB耦合器分成2路传播，分别进入信号臂光纤和参考臂光纤；所述信号臂光纤和所述参考臂光纤的输出端产生干涉条纹信号；所述信号臂光纤和所述参考臂光纤端面的菲涅尔反射使得反射光束原路返回并在输出臂输出，所述WDM分路器将所述反射光束分成第三激光和第四激光；所述第一光电探测器将所述第三激光、所述第二光电探测器将所述第四激光传输至所述伺服反馈控制系统中对初始相位进行测量，所述伺服反馈控制系统通过所述第一加法器对所述第一激光器进行正弦相位调制；通过所述第二加法器对所述第二激光器进行正弦相位调制；同时，利用所述CCD采集相机对所述干涉条纹信号进行采集，通过所述上位机对所述伺服反馈控制系统中寄存器进行设置，控制所述CCD采集相机曝光信号和相位调制信号之间的相位差，完成同步积分的过程。

所述伺服反馈控制系统包括：CPU控制单元、直接数字频率合成器和滤波器，

所述CPU控制单元产生控制信号，所述控制信号控制所述直接数字频率合成器输出可变频率的方波和正弦波，所述方波用于调整所述相机曝光信号；所述正弦波经所述滤波器后用于调整所述相位调制信号，通过对所述CPU控制单元中的寄存器设置，控制所述相机曝光信号和所述相位调制信号之间的相位差。

所述三维投射模型具体为：

所述CCD采集相机的镜头光学中心作为原点，x轴平行所述CCD采集相机的像素水平方向，y轴平行所述CCD采集相机的像素垂直方向，z轴沿所述CCD采集相机的光轴方向；所述信号臂光纤和所述参考臂光纤的投射中心位于P(L,0,0)，与原点相距为基线距离L；投射中心所投射的条纹与y轴方向平行，投射角度为β的条纹图上点S(x，y，z)的坐标满足下式：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{\mathrm{mL}}{m-h\×Q\tan \mathrm{\β}}\\ y=\frac{\mathrm{nL}}{m-h\×Q\tan \mathrm{\β}}\\ z=-\frac{\mathrm{hL}}{m-h\×Q\tan \mathrm{\β}}\end{array}\right.$

其中，m和n分别为水平与垂直方向像素序号，h为所述镜头光学中心到所述CCD采集相机的像平面的距离，Q为常数。

所述投射角度β具体为：

λ₁为所述第一激光器的波长；λ₂为所述第二激光器的波长；

为调制所述第一激光器时得到的相位信息；

为调制所述第二激光器时得到的相位信息；INT表示取整；R=Λ/λ₁；Λ=λ₁λ₂/|λ₁-λ₂|；a为所述信号臂光纤和所述参考臂光纤之间距离；

β₀为投射条纹零级亮纹所在光面与x轴夹角。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

本发明提供了一种双波长光纤干涉条纹投射三维形貌动态测量方法，本方法利用杨氏双孔干涉模型、光纤波分复用技术和马赫-泽德非平衡干涉仪结构实现光纤干涉条纹投射，利用光纤端面菲涅尔反射干涉条纹信号实现初始相位的测量，利用激光器电流注入法实现投射条纹相位调制。本发明结构简单，易于实现，提高了测量精度、避免了电压和亮度的非线性关系产生的误差，抗干扰能力强，并具有动态测量与监控能力。

附图说明

图1为本发明提供的双波长光纤干涉条纹投射系统的结构示意图；

图2为本发明提供的分时同步积分原理图；

图3为本发明提供的CCD相机曝光信号与相位调制信号的同步电路原理图；

图4为本发明提供的三维投射模型的示意图；

图5为本发明提供的一种双波长光纤干涉条纹投射三维形貌动态测量方法的流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：第一激光器；       2：第二激光器；

3：第一光隔离器；     4：第二光隔离器；

5：波分复用耦合器；   6：3dB耦合器；

7：第一加法器；       8：第二加法器；

9：WDM分路器；        10：第一光电探测器；

11：第二光电探测器；  12：伺服反馈控制系统；

13：CCD采集相机；     14：上位机；

15：镜头光学中心；    16：投射条纹零级亮纹所在光面；

17：投射中心；        18：CCD采集相机的像平面；

19：CPU控制单元；     20：直接数字频率合成器；

21：滤波器；          a：输入臂；

b：输出臂；           c：信号臂光纤；

d：参考臂光纤。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了提高测量精度、避免电压和亮度的非线性关系产生的误差，本发明实施例提供了一种双波长光纤干涉条纹投射三维形貌动态测量方法，参见图1、图2、图3、图4和图5，详见下文描述：

101：构建双波长光纤干涉条纹投射系统；

双波长光纤干涉条纹投射系统，包括：第一激光器1、第二激光器2、第一光隔离器3、第二光隔离器4、WDM（Wavelength Division Multiplexer，波分复用耦合器）5、3dB耦合器6、第一加法器7、第二加法器8、WDM分路器9、第一光电探测器10、第二光电探测器11、伺服反馈控制系统12、CCD采集相机13和上位机14，

第一激光器1发出的第一激光经过第一光隔离器3后进入WDM耦合器5，第二激光器2发出的第二激光经过第二光隔离器4后进入WDM耦合器5，WDM耦合器5通过输入臂a将两束激光耦合入3dB耦合器6，3dB耦合器6分成2路传播，分别进入信号臂光纤c和参考臂光纤d；信号臂光纤c和参考臂光纤d的输出端产生干涉条纹信号；信号臂光纤c和参考臂光纤d端面的菲涅尔反射使得反射光束原路返回并在输出臂b输出，WDM分路器9将反射光束分成第三激光和第四激光；第一光电探测器10将第三激光、第二光电探测器11将第四激光传输至伺服反馈控制系统12中对初始相位进行测量，伺服反馈控制系统12通过第一加法器7对第一激光器1进行正弦相位调制；通过第二加法器8对第二激光器2进行正弦相位调制；同时，利用CCD采集相机13对干涉条纹信号进行采集，通过上位机14对伺服反馈控制系统12中寄存器进行设置，控制CCD采集相机13相机曝光信号和相位调制信号之间的相位差θ，完成同步积分的过程。

其中，第三激光和第一激光的波长相同，第四激光和第二激光的波长相同。

其中，参见图2，Im1(t)和Im2(t)是分别加在第一激光器1和第二激光器2上的正弦调制电流，S1(t)+S2(t)为第一激光器1和第二激光器2产生的干涉信号，能够精确计算相位分布并且可以保留最初的CCD采集相机13的空间分辨率。

其中，参见图3，伺服反馈控制系统12包括：CPU控制单元19、直接数字频率合成器20和滤波器21，

CPU控制单元19产生控制信号，控制信号控制直接数字频率合成器20输出可变频率的方波和正弦波，方波用于调整相机曝光信号；正弦波经滤波器21后用于调整相位调制信号，通过对CPU控制单元19中的寄存器设置，控制相机曝光信号和相位调制信号之间的相位差。

参见图4，T为第一激光器1和第二激光器2的内调制周期，通过控制相机曝光信号和相位调制信号之间的相位差θ，使得二者精确同步。

其中，第一光隔离器3和第二光隔离器4防止了反射光束（光纤端面反射光）进入第一激光器1和第二激光器2，起保护隔离作用。

其中，第一激光器1和第二激光器2发出的激光经过分光后由信号臂光纤c和参考臂光纤d输出，构成马赫-泽德干涉仪，并满足杨氏双孔干涉条件，从而在信号臂光纤c和参考臂光纤d的输出端产生干涉条纹。

其中，信号臂光纤c和参考臂光纤d端面的菲涅尔反射使得反射光束原路返回并在输出臂b输出构成迈克尔逊干涉结构。

其中，双波长光纤干涉条纹投射系统因为采用正弦相位调制高速同步积分，对于振动等动态信号具有测量能力。

102：根据双波长光纤干涉条纹投射系统获取三维投射模型；

其中，参见图4，三维投射模型具体为：CCD采集相机13的镜头光学中心15作为原点，x轴平行CCD采集相机13的像素水平方向，y轴平行CCD采集相机13的像素垂直方向，z轴沿CCD采集相机13的光轴方向。信号臂光纤c和参考臂光纤d的投射中心17位于P(L,0,0)，与原点相距为基线距离L。投射中心17所投射的条纹与y轴方向平行，投射条纹零级亮纹所在光面16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CCD采集相机13的像平面18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：

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

其中h为镜头光学中心15到CCD采集相机13的像平面18的距离，Q为常数。

由(1)和(2)式可得S与S_i之间坐标关系可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{\mathrm{mL}}{m-h\×Q\tan \mathrm{\β}}\\ y=\frac{\mathrm{nL}}{m-h\×Q\tan \mathrm{\β}}\\ z=-\frac{\mathrm{hL}}{m-h\×Q\tan \mathrm{\β}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

在远场傍轴条件下：

其中，为物体表面相位信息；λ为激光器波长；a为信号臂光纤c和参考臂光纤d之间距离；

为初始相位。通过对初始相位的测量，提高双波长光纤干涉条纹投射系统的测量精度。

103：双波长光纤干涉条纹投射系统根据三维投射模型获取物体表面三维形貌信息。

其中，当伺服反馈控制系统12接收到第一光电探测器10和第二光电探测器11信号后，探测并计算得到补偿信号(及初始相位

)。同时，利用上位机14中寄存器的改变，对CCD采集相机13的曝光时间进行控制。

参见图2，Im1(t)和Im2(t)是分别加在第一激光器1和第二激光器2上的正弦调制电流，S1(t)+S2(t)为第一激光器1和第二激光器2产生的干涉信号。通过传统的双波长干涉的方式来计算，调制第一激光器1时得到的相位信息

调制第二激光器2时得到的相位信息

之间的差值为：

其中

Λ=λ₁λ₂/|λ₁-λ₂|       (6)

λ₁为第一激光器1的波长；λ₂为第二激光器2的波长，由式(4)、(5)和(6)得

其中R＝Λ/λ₁，INT表示取整。将式(7)带入式(3)中求得三维形貌信息。

综上所述，本发明实施例提供了一种双波长光纤干涉条纹投射三维形貌动态测量方法，本方法利用杨氏双孔干涉模型、光纤波分复用技术和马赫-泽德非平衡干涉仪结构实现光纤干涉条纹投射，利用光纤端面菲涅尔反射干涉条纹信号实现初始相位的测量，利用激光器电流注入法实现投射条纹相位调制。本发明实施例结构简单，易于实现，提高了测量精度、避免了电压和亮度的非线性关系产生的误差，抗干扰能力强，并具有动态测量与监控能力。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双波长光纤干涉条纹投射三维形貌动态测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)构建双波长光纤干涉条纹投射系统；

(2)根据所述双波长光纤干涉条纹投射系统获取三维投射模型；

(3)所述双波长光纤干涉条纹投射系统根据所述三维投射模型获取物体表面三维形貌信息。

2.根据权利要求1所述的一种双波长光纤干涉条纹投射三维形貌动态测量方法，其特征在于，所述双波长光纤干涉条纹投射系统，包括：第一激光器、第二激光器、第一光隔离器、第二光隔离器、波分复用耦合器、3dB耦合器、第一加法器、第二加法器、WDM分路器、第一光电探测器、第二光电探测器、伺服反馈控制系统、CCD采集相机和上位机，

所述第一激光器发出的第一激光经过所述第一光隔离器后进入所述波分复用耦合器；所述第二激光器发出的第二激光经过所述第二光隔离器后进入所述波分复用耦合器，所述波分复用耦合器通过输入臂将两束激光耦合入所述3dB耦合器，所述3dB耦合器分成2路传播，分别进入信号臂光纤和参考臂光纤；所述信号臂光纤和所述参考臂光纤的输出端产生干涉条纹信号；所述信号臂光纤和所述参考臂光纤端面的菲涅尔反射使得反射光束原路返回并在输出臂输出，所述WDM分路器将所述反射光束分成第三激光和第四激光；所述第一光电探测器将所述第三激光、所述第二光电探测器将所述第四激光传输至所述伺服反馈控制系统中对初始相位进行测量，所述伺服反馈控制系统通过所述第一加法器对所述第一激光器进行正弦相位调制；通过所述第二加法器对所述第二激光器进行正弦相位调制；同时，利用所述CCD采集相机对所述干涉条纹信号进行采集，通过所述上位机对所述伺服反馈控制系统中寄存器进行设置，控制所述CCD采集相机曝光信号和相位调制信号之间的相位差，完成同步积分的过程。

3.根据权利要求2所述的一种双波长光纤干涉条纹投射三维形貌动态测量方法，其特征在于，所述伺服反馈控制系统包括：CPU控制单元、直接数字频率合成器和滤波器，

所述CPU控制单元产生控制信号，所述控制信号控制所述直接数字频率合成器输出可变频率的方波和正弦波，所述方波用于调整所述相机曝光信号；所述正弦波经所述滤波器后用于调整所述相位调制信号，通过对所述CPU控制单元中的寄存器设置，控制所述相机曝光信号和所述相位调制信号之间的相位差。

4.根据权利要求2所述的一种双波长光纤干涉条纹投射三维形貌动态测量方法，其特征在于，所述三维投射模型具体为：

所述CCD采集相机的镜头光学中心作为原点，x轴平行所述CCD采集相机的像素水平方向，y轴平行所述CCD采集相机的像素垂直方向，z轴沿所述CCD采集相机的光轴方向；所述信号臂光纤和所述参考臂光纤的投射中心位于P(L,0,0)，与原点相距为基线距离L；投射中心所投射的条纹与y轴方向平行，投射角度为β的条纹图上点S(x，y，z)的坐标满足下式：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{\mathrm{mL}}{m-h\×Q\tan \mathrm{\β}}\\ y=\frac{\mathrm{nL}}{m-h\×Q\tan \mathrm{\β}}\\ z=-\frac{\mathrm{hL}}{m-h\×Q\tan \mathrm{\β}}\end{array}\right.$

其中，m和n分别为水平与垂直方向像素序号，h为所述镜头光学中心到所述CCD采集相机的像平面的距离，Q为常数。

5.根据权利要求2所述的一种双波长光纤干涉条纹投射三维形貌动态测量方法，其特征在于，所述投射角度刀具体为：

λ₁为所述第一激光器的波长；λ₂为所述第二激光器的波长；

为调制所述第一激光器时得到的相位信息；

为调制所述第二激光器时得到的相位信息；INT表示取整；R=Λ/λ₁；Λ=λ₁λ₂/|λ₁-λ₂|；a为所述信号臂光纤和所述参考臂光纤之间距离；

β₀为投射条纹零级亮纹所在光面与x轴夹角。

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