CN102679909B - 一种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法，涉及相位轮廓测量领域，构建光纤干涉条纹投射系统；根据所述光纤干涉条纹投射系统获取条纹投射测量模型；所述光纤干涉条纹投射系统根据所述条纹投射测量模型获取物体表面相位信息构建初始相位差及相位调制度系数的测量控制系统；获取初始相位及相位调制度系数k。本方法通过信号臂光纤和参考臂光纤端面菲涅尔反射，分析干涉信号优化相位调制度系数及测量初始相位，本方法结构简单，提高了测量精度，减少了计算量，避免了泄漏、混频和栅栏效应产生的误差。

Description

一种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法

技术领域

本发明涉及相位轮廓测量领域，尤其涉及一种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法。

背景技术

相位测量轮廓术是一种重要的三维测量方法。这种方法通过获取全场条纹的空间信息重建物体表面的三维信息，具有较高的测量精度，也容易实现计算机辅助的自动测量，主要包括莫尔轮廓术、相移法和傅立叶变换法。

莫尔轮廓术是用一块基准光栅，来检测由被测轮廓面调制的像栅，通过分析莫尔图样描绘出物体的等高线推算出被测物体的表面轮廓。该方法具有全场测量、装置简单等特点。相移法是向被测物体表面投射强度成正弦变化的光栅条纹移动，进而对得到的图像进行解调。傅立叶变换法与相移法相似，将光栅条纹投射到被测物体表面，通过求解条纹的相位场，根据相位与物体表面高度的关系得到物体的三维轮廓信息。不同的是傅立叶变换法解调相位信息时是通过对变形条纹图进行傅立叶变换等方法得到包裹相位图，再经相位去解包裹技术得到连续的相位分布图。

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）莫尔轮廓术受表面倾斜度和阴影等条件的限制使测量精度降低；

2）相移法精确移动光栅需要增加系统复杂性与不稳定性；

3）傅立叶变换法用一幅图像即可得到相位信息，但计算量大，容易产生泄漏、混频和栅栏效应产生误差。

发明内容

本发明提供了一种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法，本发明提高了测量精度、减少了计算量，避免了泄漏、混频和栅栏效应产生的误差，详见下文描述：

一种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法，所述方法包括以下步骤：

(1)构建光纤干涉条纹投射系统；

(2)根据所述光纤干涉条纹投射系统获取条纹投射测量模型；

(3)所述光纤干涉条纹投射系统根据所述条纹投射测量模型获取物体表面相位信息

(4)构建初始相位差及相位调制度系数的测量控制系统；

(5)获取初始相位及相位调制度系数k。

所述光纤干涉条纹投射系统具体包括：激光器、光隔离器、3dB耦合器、加法器、光电探测器、CCD采集相机、伺服反馈控制系统和上位机；

所述激光器发出的激光经过所述光隔离器后通过输入臂耦合入所述3dB耦合器中，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第一反射光束原路返回并在输出臂输出，所述光电探测器检测所述第一反射光束并转换为第一电信号，将所述第一电信号送入到所述伺服反馈控制系统中；所述伺服反馈控制系统接收到所述第一电信号后通过相位生成载波调制得到所述信号臂光纤和所述参考臂光纤的相位差；所述伺服反馈控制系统通过所述加法器对所述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。

所述条纹投射测量模型具体为：

选取所述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；所述投射中心所投射的条纹与y轴方向平行，条纹图上点S(x，y，z)上投射角度为β；

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

其中，m和n分别为水平与垂直方向像素序号，h为镜头光学中心到像平面的距离，Q为常数。

所述初始相位差及相位调制度系数的测量控制系统具体包括：激光器、光隔离器、3dB耦合器、加法器、光电探测器、伺服反馈控制系统、上位机、第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜；

所述激光器发出的激光经过所述光隔离器后通过输入臂耦合入所述3dB耦合器中，所述3dB耦合器分成2路传播，分别进入所述信号臂光纤和所述参考臂光纤；所述信号臂光纤和所述参考臂光纤的输出端经过所述第一法拉第旋转镜和所述第二法拉第旋转镜后，使得第二反射光束原路返回并在所述输出臂输出，所述光电探测器检测所述第二反射光束并转换为第二电信号，将所述第二电信号送入到所述伺服反馈控制系统中；所述伺服反馈控制系统接收到所述第二电信号后通过所述相位生成载波调制得到所述信号臂光纤和所述参考臂光纤的相位差；所述伺服反馈控制系统通过所述加法器对所述激光器进行正弦相位调制；在所述上位机中获取所述初始相位及所述相位调制度系数。所述伺服反馈控制系统包括：模数转换模块、FPGA解调模块和数模输出控制模块；

通过所述FPGA解调模块产生正弦信号经过所述数模输出控制模块和所述加法器后调制所述激光器；所述模数转换模块接收所述光电探测器转换的所述第二电信号后进行采样处理，将处理后所述第二电信号传输至所述FPGA解调模块进行全数字处理。

所述通过所述初始相位差及相位调制度系数的测量控制系统获取初始相位及相位调制度系数k具体包括：

所述光电探测器接受所述第二反射光束S(t)，通过对所述第二反射光束S(t)的处理后进行迭代，求出所述相位调制度系数k；通过所述相位生成载波调制获取所述初始相位

本发明提供的技术方案的有益效果是：

本发明提供了一种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法，本方法通过信号臂光纤c和参考臂光纤d端面菲涅尔反射，分析干涉信号优化相位调制度系数及测量初始相位，本方法结构简单，提高了测量精度，减少了计算量，避免了泄漏、混频和栅栏效应产生的误差。

附图说明

图1为本发明提供的光纤干涉条纹投射系统的结构示意图；

图2为本发明提供的条纹投射测量模型的示意图；

图3为本发明提供的初始相位差及相位调制度系数的测量控制系统的结构示意图；

图4为本发明提供的李莎如图的示意图；

图5为本发明提供的一种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法的流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：激光器               2：光电隔离器；

3：3dB耦合器；          4：加法器；

5：光电探测器；         6：CCD采集相机；

7：伺服反馈控制系统；   8：上位机；

9：镜头光学中心；       10：像平面；

11：投射中心；          12：投射条纹零级亮纹所在光面；

13：第一法拉第旋转镜；  14：第二法拉第旋转镜；

71：模数转换模块；      72：FPGA解调模块；

73：数模输出控制模块；  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、减少计算量，避免泄漏、混频和栅栏效应产生的误差，本发明实施例提供了一种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法，参见图1、图2、图3、图4和图5，详见下文描述：

101：构建光纤干涉条纹投射系统；

光纤干涉条纹投射系统，包括：激光器1、光隔离器2、3dB耦合器3、加法器4、光电探测器5、CCD采集相机6、伺服反馈控制系统7和上位机8；

激光器1发出的激光经过光隔离器2后通过输入臂a耦合入3dB耦合器3中，3dB耦合器3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第一反射光束原路返回并在输出臂b输出，光电探测器6检测第一反射光束并转换为第一电信号，将第一电信号送入到伺服反馈控制系统7中；伺服反馈控制系统7接收到第一电信号后通过PGC调制（PhaseGenerated Carrier，相位生成载波）得到信号臂光纤c和参考臂光纤d的相位差；伺服反馈控制系统7通过加法器4对激光器1进行正弦相位调制；同时，利用CCD采集相机6对干涉条纹信号进行采集，通过上位机8对伺服反馈控制系统7中寄存器进行设置，控制CCD采集相机6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。

其中，光隔离器2防止了第一反射光束（光纤端面反射光）进入激光器，起保护隔离作用。其中，激光器1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第一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，伺服反馈控制系统7通过加法器4对激光器1进行正弦相位调制具体为：伺服反馈控制系统7输出调制电流和偏置电流经加法器4后对激光器1进行正弦相位调制。

102：根据光纤干涉条纹投射系统获取条纹投射测量模型；

其中，参见图2，条纹投射测量模型具体为：选取CCD采集相机6的镜头光学中心9作为原点，x轴平行CCD采集相机6的像素水平方向，y轴平行CCD采集相机6的像素垂直方向，z轴沿CCD采集相机6的光轴方向。信号臂光纤c和参考臂光纤d的投射中心11位于P(L,0,0)，与原点相距为基线距离L。投射中心11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12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CCD采集相机6的像平面10中所成的像点为S_i(m,n)，i的取值为不同像素值，m和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CCD采集相机6的针孔透视变换模型，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9到像平面10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：

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

103：光纤干涉条纹投射系统根据条纹投射测量模型获取物体表面相位信息

在远场傍轴条件下：

其中，为物体表面相位信息，λ为激光器1的波长，a为信号臂光纤c和参考臂光纤d距离，为初始相位。

在忽略激光器1的功率变化时，干涉信号s(x,y,t)为：

其中，ω为调制角频率，CCD采集相机6曝光信号和相位调制信号相位延迟为θ，A和B是干涉仪的背景光强系数和对比度系数，k为相位调制度系数，在式(4)中定义。令

其中，J₀(k)、J_2n(k)和J_2n+1(k)均为第一类贝塞尔展开式，通过CCD采集相机6同步采集四幅图像的信号E_p为：

$E_p=\frac{4}{T}{\∫}_{\frac{p-1}{4}T}^{\frac{p}{4}T}s(x,y,t)\mathrm{dt},$ p=1,2,3,4                (7)

T为激光器1的内调制周期，相位角由式(7)得

由式(4)和(8)知，初始相位及相位调制度系数k直接影响到相位轮廓测量的精度，因此本方法通过PGC补偿技术对其进行测量及控制。

104：构建初始相位差及相位调制度系数的测量控制系统；

其中，参见图3，初始相位差及相位调制度系数的测量控制系统包括：激光器1、光隔离器2、3dB耦合器3、加法器4、光电探测器5、伺服反馈控制系统7、上位机8、第一法拉第旋转镜13和第二法拉第旋转镜14；

激光器1发出的激光经过光隔离器2后通过输入臂a耦合入3dB耦合器3中，3dB耦合器3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的输出端经过第一法拉第旋转镜13和第二法拉第旋转镜14后，使得第二反射光束原路返回并在输出臂b输出，光电探测器6检测第二反射光束并转换为第二电信号，将第二电信号送入到伺服反馈控制系统7中；伺服反馈控制系统7接收到第二电信号后通过PGC调制得到信号臂光纤c和参考臂光纤d的相位差；伺服反馈控制系统7通过加法器4对激光器1进行正弦相位调制；在上位机8中获取初始相位及相位调制度系数k。

其中，伺服反馈控制系统7包括：模数转换模块71、FPGA解调模块72和数模输出控制模块73；

通过FPGA解调模块72产生正弦信号经过数模输出控制模块73和加法器4后调制激光器1；模数转换模块71接收光电探测器6转换的第二电信号后进行采样处理，将处理后第二电信号传输至FPGA解调模块72进行全数字处理。

105：获取初始相位及相位调制度系数k，通过初始相位对相位角进行修正。

在忽略激光器1功率变化时，光电探测器5接受第二反射光束S(t)为：

S(t)=C+Dcos[kcos(ωt+θ)+α]=C+Dcos(α)[J₀(k)-2J₂(k)cos(2ωt+2θ)+…]

-Dsin(α)[2J₁(k)cos(ωt+θ)-2J₃(k)cos(3ωt+3θ)...]        (9)

其中，C为信号臂光纤c和参考臂光纤d端面反射形成迈克尔逊干涉仪的背景光强系数，D为对比度系数，α为初始相位的2倍。

S(t)通过中心频率为ω的带通滤波器后，与幅值为G₁的信号G₁cos(ωt+θ)相乘，经低通滤波，得到V₁：

V₁=-DG₁sin(α)J₁(k)       (10)

通过中心频率为2ω的带通滤波器后，与幅值为G₂的信号G₂cos(2ωt+2θ)相乘，经低通滤波，得到V₂：

V₂=-DG₂cos(α)J₂(k)       (11)

通过中心频率为3ω的带通滤波器后，与幅值为G₃的信号G₃cos(3ωt+3θ)相乘，经低通滤波，得到V₃：

V₃=DG₃sin(α)J₃(k)        (12)

由于G₁，G₂和G₃为常数，由式(10)和式(12)得

$\frac{J_1\left(k\right)}{J_3\left(k\right)}=-\frac{V_1{G}_3}{V_3{G}_1}---\left(13\right)$

进而迭代寻优求出相位调制度系数k，同时通过观察V₂实现对信号量大小的监测。此测量方法可以实时反馈和测量相位调制度系数k，同时反馈稳定相位调制度。

其中，上述通过对第二反射光束S(t)的处理后进行迭代，求出相位调制度系数k的步骤为本领域技术人员公知的技术，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

其中，初始相位可以利用PGC方法求解。通过全数字的PGC解调方法，图4为处理后的两正交信号V₁,V₂构成的李莎如图，信号噪声比优于50dB，实现了初始相位的求解。

综上所述，本发明实施例提供了一种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法，本方法通过信号臂光纤c和参考臂光纤d端面菲涅尔反射，分析干涉信号优化相位调制度系数及测量初始相位，本方法结构简单，提高了测量精度，减少了计算量，避免了泄漏、混频和栅栏效应产生的误差。

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 (6)

1.一种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)构建光纤干涉条纹投射系统；

(2)根据所述光纤干涉条纹投射系统获取条纹投射测量模型；

(3)所述光纤干涉条纹投射系统根据所述条纹投射测量模型获取物体表面相位信息

(4)构建初始相位差及相位调制度系数的测量控制系统；

(5)获取初始相位及相位调制度系数k。

2.根据权利要求1所述的一种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法，其特征在于，所述光纤干涉条纹投射系统具体包括：激光器、光隔离器、3dB耦合器、加法器、光电探测器、CCD采集相机、伺服反馈控制系统和上位机；

所述激光器发出的激光经过所述光隔离器后通过输入臂耦合入所述3dB耦合器中，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第一反射光束原路返回并在输出臂输出，所述光电探测器检测所述第一反射光束并转换为第一电信号，将所述第一电信号送入到所述伺服反馈控制系统中；所述伺服反馈控制系统接收到所述第一电信号后通过相位生成载波调制得到所述信号臂光纤和所述参考臂光纤的相位差；所述伺服反馈控制系统通过所述加法器对所述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所述的一种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法，其特征在于，所述条纹投射测量模型具体为：

选取所述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(c)和所述参考臂光纤(d)的投射中心位于P(L,0,0)，与原点相距为基线距离L；所述投射中心所投射的条纹与y轴方向平行，条纹图上点S(x，y，z)上投射角度为β；

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

其中，m和n分别为水平与垂直方向像素序号，h为镜头光学中心到像平面的距离，Q为常数。

4.根据权利要求2所述的一种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法，其特征在于，所述初始相位差及相位调制度系数的测量控制系统具体包括：激光器、光隔离器、3dB耦合器、加法器、光电探测器、伺服反馈控制系统、上位机、第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜；

所述激光器发出的激光经过所述光隔离器后通过输入臂耦合入所述3dB耦合器中，所述3dB耦合器分成2路传播，分别进入所述信号臂光纤和所述参考臂光纤；所述信号臂光纤和所述参考臂光纤的输出端经过所述第一法拉第旋转镜和所述第二法拉第旋转镜后，使得第二反射光束原路返回并在所述输出臂输出，所述光电探测器检测所述第二反射光束并转换为第二电信号，将所述第二电信号送入到所述伺服反馈控制系统中；所述伺服反馈控制系统接收到所述第二电信号后通过所述相位生成载波调制得到所述信号臂光纤和所述参考臂光纤的相位差；所述伺服反馈控制系统通过所述加法器对所述激光器进行正弦相位调制；在所述上位机中获取所述初始相位及所述相位调制度系数。

5.根据权利要求4所述的一种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法，其特征在于，所述伺服反馈控制系统包括：模数转换模块、FPGA解调模块和数模输出控制模块；

通过所述FPGA解调模块产生正弦信号经过所述数模输出控制模块和所述加法器后调制所述激光器；所述模数转换模块接收所述光电探测器转换的所述第二电信号后进行采样处理，将处理后所述第二电信号传输至所述FPGA解调模块进行全数字处理。

6.根据权利要求4所述的一种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法，其特征在于，所述通过所述初始相位差及相位调制度系数的测量控制系统获取初始相位及相位调制度系数k具体包括：

所述光电探测器接受所述第二反射光束S(t)，通过对所述第二反射光束S(t)的处理后进行迭代，求出所述相位调制度系数k；通过所述相位生成载波调制获取所述初始相位