CN103512512B - 一种外调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统，本发明基于光纤干涉条纹投射、大调制度正弦相位调制、同步积分的高精度相位轮廓测量，同时利用光纤端面菲涅尔反射干涉信号进行处理求解出干扰信号并反馈到压电陶瓷控制回路中，提高测量精度。结构简单，易于实现。由于整个系统采用闭环结构，抗干扰能力强，并具有实时测量与监控能力；并且本系统通过高压处理电路提高了对压电陶瓷的控制效果，满足了实际应用中的多种需要。

Description

一种外调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统

技术领域

本发明涉及相位轮廓测量领域，特别涉及一种外调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统。

背景技术

三维曲面或三维形貌测量技术目前是精密测量中的先进技术，是科学分析、工业控制、生物工程、生物医学以及材料科学等方面进行科学研究的重要手段；特别是飞机机身、汽轮机叶片、光刻投影物镜等装备加工制造中的在线曲面检测环节，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。传统条纹投射装置方式有采用光栅投影并结合机械平移装置实现相移，这种方式条纹密度与相移精度都相对较低；同时还需要精密的相移装置和标准的正弦光栅，避免相移不准和光场的非正弦性引入的测量误差。近几年发展了一种大调制度正弦相位调制同步积分相位轮廓术，可实现较高精度的动态三维形貌测量。其中，对于信号进行调制可采用基于非平衡干涉仪结构的内调制技术，通过改变激光器输出光波长进而实现相位调节。但该方法对于激光器进行调节，容易产生伴生调幅，影响测量精度。

发明内容

本发明提供了一种外调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统，本发明提高了测量精度，实现了实时三维形貌的测量，详见下文描述：

一种外调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统，所述三维形貌测量系统包括：激光器，

所述激光器通过光隔离器后由a臂耦合入3dB耦合器中，再经过所述3dB耦合器分成两路传播，分别进入信号臂c和参考臂d，构成马赫-泽德干涉仪，并满足杨氏双孔干涉条件，在输出端产生干涉条纹；其中，信号臂c和参考臂d的光纤分别缠绕在两个压电陶瓷上，通过调节其中一个压电陶瓷的驱动电压，达到正弦相位调制；

信号臂c和参考臂d的菲涅尔反射使得部分光束原路返回并在耦合器另一端b臂输出，从而构成迈克尔逊干涉结构；再由光电探测器将光信号转化为电信号后送入反馈控制系统中；所述反馈控制系统进行处理后得到干扰信号，所述干扰信号与外输入的压电陶瓷正弦调制信号一起送入到压电陶瓷光纤相位控制器中，通过改变高压驱动中电流的输入进而将干扰信号反馈到反馈控制系统中；

所述干涉条纹投射到物体表面得到干涉图像经过CCD相机采集后送入到上位机中，在所述上位机中利用正弦相位调制同步积分算法对图像进行处理得到图像的相位信息，最终通过相位信息求解出物体表面三维形貌信息。

所述压电陶瓷光纤相位控制器包括：低压处理电路、调零和调偏置电路、高压处理电路，

所述低压处理电路由外接的低压稳压电源控制，所述低压处理电路输入干扰信号和外接的压电陶瓷正弦调制信号，所述调零和调偏置电路对所述低压处理电路进行处理，所述低压处理电路处理信号后将送入由高压稳压电源控制的高压处理电路中，最终由所述高压处理电路处理后对所述压电陶瓷进行高压控制。

所述外输入的压电陶瓷正弦调制信号幅值由外接的三角波以及所述光电探测器探测到的光信号确定的调制电压与相位调制度关系决定。

所述高压处理电路包括：

第一级放大电路为：第一三极管、第二三极管组成甲乙类互补功率放大电路，在第一三极管、第二三极管的基极之间有第一电阻、第二电阻，第三电阻为甲乙类功率放大的负载；

第二级放大电路为：第三三极管、第四三极管组成的共射级电压放大电路，第一二极管、第二二极管限定电流方向；第四电阻为第二级放大电路的负载；

第三级放大电路为：第五三极管、第六三极管和第七三极管组成的电流放大电路；

第四级电路为：第五电阻、第六电阻和第八三极管组成的电流电压转换电路，第五电阻、第六电阻电阻值相等，上一级的电流放大电路中放大后的电流通过第五电阻、第六电阻，在第五电阻、第六电阻上完成电流到电压的转换，电解电容平波对转换后的电压信号进行平波处理。

第五级放大电路为：第九三极管、第十三极管、第十一三极管和第十二三级管，第七电阻、第八电阻，第二电容、第三电容组成的电流放大电路；第九三极管和第十一三极管为两只NPN型三极管，组成共集—共集型组合放大电路；第十三极管和第十二三极管为两只PNP型三极管，组成共集—共集型组合放大电路；第七电阻和第二电容组成一阶滤波电路，第八电阻和第三电容组成一阶滤波电路；

第六级为过载保护电路，第九电阻、第十电阻串联分压，第十电阻上电压即为输出电压；第十一电阻为限流电阻，起保护作用。

本发明提供的技术方案的有益效果是：针对动态测量要求及光纤干涉条纹投射的特点，在大调制度正弦相位调制同步积分的基础上，本发明提出了一种基于光纤干涉条纹投射、大调制度正弦相位调制、同步积分的高精度相位轮廓测量系统，同时利用光纤端面菲涅尔反射干涉信号进行处理求解出干扰信号并反馈到压电陶瓷控制回路中，提高测量精度。结构简单，易于实现。由于整个系统采用闭环结构，抗干扰能力强，并具有实时测量与监控能力；并且本系统通过高压处理电路提高了对压电陶瓷的控制效果，满足了实际应用中的多种需要。

附图说明

图1为本发明提供的外调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统的原理图；

图2为本发明提供的压电陶瓷光纤相位控制器的结构示意图；

图3为正弦信号与三角波求解相位调制度；

图4为高压处理电路。

图1中，1为激光器，2为光隔离器，3为3dB耦合器，4为压电陶瓷，5为光电探测器，6为反馈控制系统，7为正弦调制信号，8为压电陶瓷光纤相位控制器，9为CCD相机，10为上位机；a臂为激光输入端；b、c、d分别为输出端。

图2中，11为低压稳压电源，12为低压处理电路，13为调零和调偏置电路，14为高压稳压电源，15为高压处理电路。

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，实现实时三维形貌的测量，本发明实施例提供了一种外调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统，参见图1，详见下文描述：

第一部分为外调制光纤干涉条纹投射系统，如图1所示。激光器1发出的激光通过光隔离器2后由a臂耦合入3dB耦合器3中，再经过3dB耦合器3分成两路传播，分别进入信号臂c和参考臂d。分光后分别由c、d臂输出，满足杨氏双孔干涉条件，在满足远场近轴条件时构成马赫-泽德干涉结构，在输出端产生干涉条纹。其中，c、d两臂光纤分别缠绕在两个压电陶瓷4上，通过调节其中一个压电陶瓷4的驱动电压，达到正弦相位调制的目的。

第二部分为外调制反馈控制系统，如图1所示。两输出臂c，d端面的菲涅尔反射使得部分光束原路返回并在耦合器另一端b臂输出，从而构成迈克尔逊干涉结构。再由光电探测器5将光信号转化为电信号后送入反馈控制系统6中。在反馈控制系统6中，对于光电探测器5接受到的信号进行处理后得到干扰信号，干扰信号与外输入的压电陶瓷正弦调制信号7一起送入到压电陶瓷光纤相位控制器8中，通过改变高压驱动中电流的输入进而将干扰信号反馈到反馈控制系统6中，使反馈控制系统6稳定，达到正弦相位调制及反馈控制的目的。

第三部分为图像采集部分，如图1所示。干涉条纹投射到物体表面得到干涉图像经过CCD相机9采集后送入到上位机10中，在上位机10中利用正弦相位调制同步积分算法对图像进行处理得到图像的相位信息，最终通过相位信息求解出物体表面三维形貌信息。

其中，由于控制压电陶瓷需采用高压电路进行驱动，因此在图2中显示本发明中压电陶瓷光纤相位控制器8的内部结构。压电陶瓷正弦调制信号7和干扰信号一同送入到由低压稳压电源11控制的低压处理电路12中，并在信号输入之前通过调零和调偏置电路13对低压处理电路12进行处理，提高控制精度。低压处理电路12处理信号后将其送入由高压稳压电源14控制的高压处理电路15中，最终由高压处理电路15处理后对压电陶瓷4进行高压控制。

其中，在正弦相位调制同步积分测量方法中，相位调制度的控制与测量在测量结果中起到至关重要的作用，因此本发明对压电陶瓷4进行正弦调制前应进行相位调制度的测量。采用的方法为先对压电陶瓷光纤相位控制器8输入三角波(作为相位调制系数)，观察由光电探测器5探测到的正弦信号，通过正弦信号与三角波之间关系求解出相位调制度。如图3所示，当压电陶瓷光纤相位控制器8输入-2.0V-+2.0V之间变化的三角波时，接收的光纤端面菲涅尔反射干涉信号，光纤端面菲涅尔反射干涉正弦信号变化的周期为2个周期，由此得出压电陶瓷光纤相位控制器8的电压相位转化系数为k_p＝0.131rad/V。因此通过调节压电陶瓷正弦调制信号7的幅值，将其与电压相位转化系数相乘求解出相位调制度。

参见图4，高压处理电路15的电源供电电压为±100V，低压处理部分的输出信号作为高压处理部分的输入信号，记为Vin。第一级放大电路为：第一三极管T1、第二三极管T2组成甲乙类互补功率放大电路，在第一三极管T1、第二三极管T2的基极之间有第一电阻R1、第二电阻R2，形成的压差可以消除功率放大时的交越失真，第三电阻R3为甲乙类功率放大的负载。第二级放大电路为：第三三极管T3、第四三极管T4组成的共射级电压放大电路，第一二极管D1、第二二极管D2限定电流方向，起保护作用。第四电阻R4为第二级放大电路的负载。第三级放大电路为：第五三极管T5、第六三极管T6和第七三极管T7组成的电流放大电路。电流放大时，第三二极管D3、第四二极管D4发光强弱变化，可以直观看到电流放大效果，便于调试。第四级电路为：第五电阻R5、第六电阻R6和第八三极管T8组成的电流电压转换电路。第五电阻R5、第六电阻R6电阻值相等，上一级的电流放大电路中放大后的电流通过第五电阻R5、第六电阻R6，在第五电阻R5、第六电阻R6上完成电流到电压的转换，电解电容C1平波对转换后的电压信号进行平波处理。第五级放大电路为：第九三极管T9、第十三极管T10、第十一三极管T11和第十二三级管T12，第七电阻R7、第八电阻R8，第二电容C2、第三电容C3组成的电流放大电路。其中，第九三极管T9和第十一三极管T11为两只NPN型三极管，组成共集—共集型组合放大电路；第十三极管T10和第十二三极管T12为两只PNP型三极管，组成共集—共集型组合放大电路；第七电阻R7和第二电容C2组成一阶滤波电路，第八电阻R8和第三电容C3组成一阶滤波电路。第六级为过载保护电路，第九电阻R9、第十电阻R10串联分压，第十电阻R10上电压即为输出电压。第十一电阻R11为限流电阻，起保护作用。经过第一级到第六级电路处理，输出信号Uout即可对压电陶瓷进行正弦调制。

其中，本发明实施例中的电路器件除了做特殊说明的以外，均不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

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 (3)

1.一种外调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统，其特征在于，所述三维形貌测量系统包括：激光器，

所述激光器通过光隔离器后由a臂耦合入3dB耦合器中，再经过所述3dB耦合器分成两路传播，分别进入信号臂c和参考臂d，构成马赫-泽德干涉仪，并满足杨氏双孔干涉条件，在输出端产生干涉条纹；其中，信号臂c和参考臂d的光纤分别缠绕在两个压电陶瓷上，通过调节其中一个压电陶瓷的驱动电压，达到正弦相位调制；

信号臂c和参考臂d的菲涅尔反射使得部分光束原路返回并在耦合器另一端b臂输出，从而构成迈克尔逊干涉结构；再由光电探测器将光信号转化为电信号后送入反馈控制系统中；所述反馈控制系统进行处理后得到干扰信号，所述干扰信号与外输入的压电陶瓷正弦调制信号一起送入到压电陶瓷光纤相位控制器中，通过改变高压驱动中电流的输入进而将干扰信号反馈到反馈控制系统中；

所述干涉条纹投射到物体表面得到干涉图像经过CCD相机采集后送入到上位机中，在所述上位机中利用正弦相位调制同步积分算法对图像进行处理得到图像的相位信息，最终通过相位信息求解出物体表面三维形貌信息；

所述高压处理电路包括：

第一级放大电路为：第一三极管、第二三极管组成甲乙类互补功率放大电路，在第一三极管、第二三极管的基极之间有第一电阻、第二电阻，第三电阻为甲乙类功率放大的负载；

第二级放大电路为：第三三极管、第四三极管组成的共射级电压放大电路，第一二极管、第二二极管限定电流方向；第四电阻为第二级放大电路的负载；

第三级放大电路为：第五三极管、第六三极管和第七三极管组成的电流放大电路；

第四级电路为：第五电阻、第六电阻和第八三极管组成的电流电压转换电路，第五电阻、第六电阻电阻值相等，上一级的电流放大电路中放大后的电流通过第五电阻、第六电阻，在第五电阻、第六电阻上完成电流到电压的转换，电解电容平波对转换后的电压信号进行平波处理；

第五级放大电路为：第九三极管、第十三极管、第十一三极管和第十二三级管，第七电阻、第八电阻，第二电容、第三电容组成的电流放大电路；第九三极管和第十一三极管为两只NPN型三极管，组成共集—共集型组合放大电路；第十三极管和第十二三极管为两只PNP型三极管，组成共集—共集型组合放大电路；第七电阻和第二电容组成一阶滤波电路，第八电阻和第三电容组成一阶滤波电路；

第六级为过载保护电路，第九电阻、第十电阻串联分压，第十电阻上电压即为输出电压；第十一电阻为限流电阻，起保护作用。

2.根据权利要求1所述的一种外调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统，其特征在于，所述压电陶瓷光纤相位控制器包括：低压处理电路、调零和调偏置电路、高压处理电路，

所述低压处理电路由外接的低压稳压电源控制，所述低压处理电路输入干扰信号和外接的压电陶瓷正弦调制信号，所述调零和调偏置电路对所述低压处理电路进行处理，所述低压处理电路处理信号后将送入由高压稳压电源控制的高压处理电路中，最终由所述高压处理电路处理后对所述压电陶瓷进行高压控制。

3.根据权利要求1所述的一种外调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统，其特征在于，所述外输入的压电陶瓷正弦调制信号幅值由外接的三角波、所述光电探测器探测到的光信号确定的调制电压与相位调制度关系决定。