CN103698768B - 点源全息图测距装置及测距方法 - Google Patents

点源全息图测距装置及测距方法 Download PDF

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    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only

Abstract

本发明公开了一种点源全息图测距装置及测距方法，该装置沿着光路前进方向依次设置有半导体激光器（10）、平面反射镜（9）、测量点（1）、透镜（2）、线偏振片（3）、1/4波片（4）、双折射晶体（5）、线偏振片（6）、电子耦合器件（7）以及计算机处理系统（8），所述装置在线偏振片（3）与线偏振片（6）的光轴相互垂直时采集第一全息图，在二者的光轴相互平行时采集第二全息图，根据该第一全息图和第二全息图的差值处理得到测量点（1）的实际距离。本发明由于采用了共轴光路测量系统，可以大大增强系统的抗干扰性，具有稳定、高效率及不受被测表面特性影响的特点，可以达到1微米的测量精度，在工业领域具有广泛的应用前景。

Description

点源全息图测距装置及测距方法
技术领域
本发明涉及一种激光测距装置及测距方法，具体涉及到一种点源全息图测距装置及测距方法。
背景技术
自激光面世以来，激光测距技术在大地勘测、工业控制及三维外形轮廓获取等方面具有重要的应用，并不断得到飞速的发展。
飞行时间法是一种典型的激光测距技术。这种技术中，通过向合作目标发射激光脉冲，测量激光脉冲从合作目标返回的时间来获得待测距离。该技术利用了激光脉冲持续时间短，能量在时间上相对集中，瞬时功率大的特点，在有合作目标的情况下，脉冲激光测距可以达到极远的测程。在进行几公里的近程测距时，如果精度要求不高，即使不使用合作目标，仅仅利用被测目标对脉冲激光的漫反射也可以进行测距。飞行时间法一般进行中长程距离的测量，测量精度一般为1米左右。
相位法是另外一种典型的激光测距技术。这种技术利用固定频率的高频正弦信号，对连续激光进行幅度调制并测定调制光往返一次所产生的相位延迟，再根据调制信号的频率，换算该相位延迟所代表的距离。相位法激光测距一般用于中短程距离的测量，测量精度最高可以达到毫米量级。
三角法是用一束激光照射到被测物体上产生光斑，由物体表面散射或反射的光经过透镜将光斑成像在焦平面上，焦平面上放置位置敏感器件。当物体移动或用光束扫描物体外形轮廓时，光斑位置发生移动，其位于焦平面附近的像相应的发生位置变化，通过位置敏感器件可以测出物体的位移量或其外形轮廓。三角法测距时容易受测量斜面的限制。
上述现有的测距技术存在一些缺陷，例如，当应用到工业领域的三维面型测量时，这些技术的测距精度达不到要求，并且容易受到测量表面结构的影响而导致测量结果不稳定。因此，需要开发一种新型的激光测距技术，以克服现有技术的上述缺陷。
发明内容
本发明涉及到一种点源全息图测距装置及测距方法，其利用点光源拍摄全息图的共光路测量系统，可以达到1微米的测量精度，且具有抗干扰性好，稳定、高效率及不受被测表面特性影响的特点，在工业领域具有广泛的应用前景。
根据本发明的第一方面，提供了一种点源全息图测距装置，沿着光路前进方向依次设置有半导体激光器10、平面反射镜9、测量点1、透镜2、线偏振片3、1/4波片4、双折射晶体5、线偏振片6、电子耦合器件（CCD）7以及计算机处理系统8，其中：半导体激光器10用于发出激光；反射镜9设置在半导体激光器10的前方，用于将激光的光路改变至测量点1上；测量点1将激光漫反射出；透镜2用于会聚测量点1漫反射的光，并将测量点成像在1/4波片4之后；线偏振片3设置成偏振方向能够绕系统主轴旋转，用于改变入射光线的偏振方向；1/4波片4设置成其光轴沿竖直方向；双折射晶体5设置成Z轴沿系统主轴方向，y轴沿竖直方向，x-y面与系统主轴垂直；线偏振片6设置成光轴与竖直方向的夹角为右偏45°，用于改变入射光线的偏振方向；CCD7用于采集全息图像信号并发送给计算机处理系统8；计算机处理系统8用于对所接收的全息图像信号进行处理以得到测量点1到透镜的实际距离；其中所述CCD7在线偏振片3与线偏振片6的光轴相互垂直时采集第一全息图，在二者的光轴相互平行时采集第二全息图，所述计算机处理系统8根据该第一全息图和第二全息图的差值处理得到测量点1的实际距离。
其中，将线偏振片3设置成使其光轴方向相对竖直方向左偏45°以实现与线偏振片6的光轴相互垂直，将线偏振片3设置成使其光轴方向相对竖直方向右偏45°以实现与线偏振片6的光轴相互平行。
可选的，所述透镜2设置成使测量点1成像在1/4波片4与双折射晶体5之间。
可选的，所述线偏振片3是液晶光阀，通过控制液晶光阀的电压实现其偏振方向的改变。
可选的，所述的双折射晶体5是LiNbO3或方解石。
其中，所述计算机处理系统8通过下述步骤处理得到测量点1到透镜2的距离：
1）将所得到的第一全息图和第二全息图进行滤波处理；
2）标定所述第一和第二全息图相位零点的位置；
3）将第二全息图减去第一全息图，得到的数据分别进行二值化和骨架化处理，分别得到二值化图像和骨架化图像；
4）根据所述二值化图像确定每个亮条纹的位置信息；
5）根据所述骨架化图像确定每个亮条纹的相位信息；
6）根据每个亮条纹所对应的位置信息和相位信息分别计算出测量点的位置，对这些测量点位置值求出平均值以得到最终的测量点位置值。
根据的本发明的另一方面，提供了一种点源全息图测距方法，所述方法沿着光路前进方向依次设置有半导体激光器10、平面反射镜9、测量点1、透镜2、线偏振片3、1/4波片4、双折射晶体5、线偏振片6、CCD7以及计算机处理系统8，该方法包括下述步骤：将线偏振片3与线偏振片6的光轴设置成相互垂直以采集第一全息图；将线偏振片3与线偏振片6的光轴设置成相互平行以采集第二全息图；根据该第一全息图和第二全息图的差值处理得到测量点1的实际距离。
其中，将线偏振片6设置成光轴与竖直方向的夹角为右偏45°，将线偏振片3设置成使其光轴方向相对竖直方向左偏45°以实现与线偏振片6的光轴相互垂直，以及将线偏振片3设置成使其光轴方向相对竖直方向右偏45°以实现与线偏振片6的光轴相互平行。
其中，通过下述步骤处理得到测量点1到透镜2的距离：
1）将所得到的第一全息图和第二全息图进行滤波处理；
2）标定所述第一和第二全息图相位零点的位置；
3）将第二全息图减去第一全息图，得到的数据分别进行二值化和骨架化处理，分别得到二值化图像和骨架化图像；
4）根据所述二值化图像确定每个亮条纹的位置信息；
5）根据所述骨架化图像确定每个亮条纹的相位信息；
6）根据每个亮条纹所对应的位置信息和相位信息分别计算出测量点的位置，对这些测量点位置值求出平均值以得到最终的测量点位置值。
本发明的点源全息图测距装置及测距方法由于采用了共轴光路测量系统，可以大大增强系统的抗干扰性，具有稳定、高效率及不受被测表面特性影响的特点，可以达到1微米的测量精度。另外，也有利于将光路部分集成在一个较小的体积空间内，便于将其与其它系统，如工业控制系统、测绘系统等实现整合设计，在工业领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1显示了本发明的点源全息图测距装置的结构示意图；
图2显示了本发明点源全息图测距装置中双折射晶体的工作示意图；
图3显示了本发明点源全息图测距装置中CCD采集到的全息图像示意图，图3a为线偏振片3和6光轴垂直时拍摄的全息图像，图3b为线偏振片3和6光轴平行时拍摄的全息图像；
图4显示了经过处理后得到的二值化图像和骨架化图像,其中图4a为二值化图像，图4b为骨架化图像。
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明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
图1显示了本发明的点源全息图测距装置的结构示意图。
如图1所示，本发明的点源全息图测距装置主要包括光路部分和计算机处理系统8，其中，光路部分沿着光路前进方向依次包括：半导体激光器10、平面反射镜9、测量点1、透镜2、线偏振片3、1/4波片4、双折射晶体5、线偏振片6以及电子耦合器件（CCD）7。
半导体激光器10用于发出激光。在一个优选实施例中，半导体激光器10发出直径为0.5mm，波长为650nm的激光。但本发明不限制于此，也可以根据具体情况采用其它类型或波段的激光器。
反射镜9设置在半导体激光器10的前方，用于将半导体激光器10发出的激光的光路改变至测量点1上。半导体激光器10发出的激光经反射镜9反射后照射到测量点1，测量点1将激光漫反射出。
透镜2用于会聚测量点1漫反射的光，并将测量点成像在1/4波片4之后。在一个优选实施例中，测量点1成像在1/4波片4与双折射晶体5之间，但本发明不限制于此，也可以将测量点成像在双折射晶体5的表面或内部，而不影响本实施例的实施。
其中，测量点1与透镜2的距离与像点与透镜2的距离满足透镜成像公式：
1 f = 1 u + 1 v - - - ( 1 )
其中f为透镜焦距，u为测量点1距离透镜2的距离，v为像点距离透镜2的距离。
线偏振片3用于改变入射光线的偏振方向。在本发明的优选实施例中，线偏振片3设置成偏振方向能够绕系统主轴旋转。可选的，线偏振片3可以采用液晶光阀，通过控制液晶光阀的电压实现偏振方向的变化。例如，通过改变液晶光阀上所加电压至指定值，可以产生相当于线偏振片3旋转了90°的效果。
1/4波片4与产生的激光具有相同波长。在本发明的优选实施例中，可以选用波长为650nm的1/4波片，并将1/4波片的光轴设置成沿竖直方向。
双折射晶体5用于将入射光分解为垂直于光轴（o振动）的o光和平行于光轴（e振动）e光这两个分量。在本发明的优选实施例中，双折射晶体5可以采用LiNbO3，方解石等双折射晶体，该双折射晶体优选的设置成主轴（Z轴）沿系统主轴方向，y轴沿竖直方向，x轴沿水平方向，双折射晶体的x-y面与系统主轴垂直（参见图2）。
图2显示了本发明点源全息图测距装置中双折射晶体的工作示意图。
具体来说，如图1和图2所示，测量点的光线经透镜作用后，通过像点向前传播，以锥光的形式入射到双折射晶体5。当光线通过双折射晶体5时，除了沿着双折射晶体5光轴方向的光线以外，其它的光线将被分解为o光和e光。当从双折射晶体出射时，o光和e光的相位差为：
其中，θ为光线入射双折射晶体5时的折射角，λ为入射激光的波长，no、ne分别为双折射晶体在入射波长下相对于o光和e光的主折射率，C为双折射晶体5沿光轴方向的长度，Δn＝no一ne。
线偏振片6用于改变入射光线的偏振方向。在本发明的优选实施例中，线偏振片6的光轴设置成与竖直方向的夹角为右偏45°。
CCD7用于采集全息图像信号并发送给计算机处理系统8。CCD7经数据线和计算机处理系统8相连。本发明的优选实施例中，CCD的尺寸为1/2英寸，但换用其它类型的CCD不影响本实施例的效果。
图3显示了本发明点源全息图测距装置中CCD采集到的全息图像示意图。
在CCD7的接收面上，与系统主轴具有相同距离的圆周上o光和e光具有相同的相位差，而随着圆周半径变大，该相位差变大，因而使得CCD7采集的全息图像为周期性结构，如图3所示。
参见图3，如果能够确定全息图像上光线相位与圆周半径的关系，则可以根据几何光学关系，得到测量点像点的位置，进而得到测量点的位置信息。
进一步，当测量点与透镜之间距离u发生改变时，像点位置v也发生改变。这就使得到达CCD7表面相同位置的光线θ发生改变，从而使得CCD7采集到的全息图像发生改变。通过CCD7监控全息图像的改变，可以获知测量点位置的改变。
计算机处理系统8通过数据线电连接到CCD7，用于接收CCD7所采集的采集全息图像信号，对该信号进行处理以得到测量点1到透镜的实际距离。在本发明中，计算机处理系统8包括计算机主机、显示器、点源全息图处理程序等部件。
下面介绍本发明的点源全息图测距装置的测距方法。
本实施例的点源全息图由如下方式获得：
1）采用半导体激光器10照明测量点；
2）保持线偏振片3、1/4波片4、线偏振片6的表面与系统主轴垂直，然后，将线偏振片3的光轴方向相对竖直方向左偏45°，1/4波片4的光轴方向沿竖直方向，线偏振片6的光轴方向相对竖直方向右偏45°（即线偏振片3和6的光轴相互垂直）；
3）双折射晶体5主轴方向沿系统主轴方向，双折射晶体的x、y面与系统主轴垂直，y轴与竖直方向重合（参见图2）；
4）CCD7采集一张第一全息图（如图3a所示），并输送至计算机处理系统8；
5）调整线偏振片3的主轴方向为相对竖直方向右偏45°（即线偏振片3和6的主轴相互平行），CCD7采集一张第二全息图（如图3b所示），并输送至计算机处理系统8。
本实施例的点源全息图是由与CCD7相连的计算机处理系统8进行处理。通过运行计算机处理系统的点源全息图处理程序，可以获得测量点距离透镜的距离。
本实施例的计算机处理系统中的点源全息图处理程序采用下述方法获得测量点到透镜的距离u，包括：
1）将所得到的第一全息图和第二全息图（图3a和图3b）进行滤波处理；
2）标定全息图相位零点（几何中心）的位置；
3）将第二全息图（图3b）减去第一全息图（图3a），得到的数据分别进行二值化和骨架化处理，分别得到二值化图像图4a和骨架化图像图4b；
4）根据二值化图像图4a确定每个亮条纹的位置信息；
具体的说，根据图4a读出全息图由相位零点沿x方向至全息图边缘每个亮条纹的级次n，该级次n代表了亮条纹在全息图中所处的位置信息；
5）根据骨架化图像图4b确定每个亮条纹的相位信息。
具体的说，根据图4b读出全息图由边缘至相位零点每个亮条纹中心在全息图中所处的位置坐标，再根据步骤4）可以确定该坐标所对应的整数相位，该整数相位代表了亮条纹在全息图中所处的相位信息。
6）根据每个亮条纹所对应的位置信息和相位信息分别计算出测量点的位置，对这些测量点位置值求出平均值以得到最终的测量点位置值。
【实施例1】
图3是本发明的点源全息图测距装置采集到的点源全息图。第一全息图图3a为线偏振片3和6的光轴相互垂直时所拍摄的全息图，第二全息图图3b是线偏振片3和6光轴平行时拍摄的全息图。图3a和图3b分别满足公式：
将图3b减去图3a得到一张新的图，满足下式：
由该图可以得到CCD7平面上每一个点的相位信息。将该图分别进行二值化和骨架化处理，分别得到二值化图像图4a和骨架化图像图4b。
图4显示了经过处理后得到的二值化图像和骨架化图像。
由图4a可以确定每一个亮条纹数的级次（例如，亮条纹的总数为19，各个亮条纹的级次分别是1、2……19），由图4b可以确定每一个亮条纹的中心位置，即相位整数倍的位置。
由下式得到对应某一级亮条纹k在双折射晶体内与系统主轴的夹角：
θ = 2 λk n e 2 / [ Cn o ( n o - n e ) ( n o + n e ) ]
再由双折射角θ与像点到CCD平面间的距离z之间的关系式z＝r/θno(式中r是CCD面上某一级亮条纹k的径向距离)可以得到像点的位置，并由（1）式得到测量点的位置。
本发明的点源全息图测距装置及测距方法由于采用了共轴光路测量系统，可以大大增强系统的抗干扰性，具有稳定、高效率及不受被测表面特性影响的特点，可以达到1微米的测量精度。另外，也有利于将光路部分集成在一个较小的体积空间内，便于将其与其它系统，如工业控制系统、测绘系统等实现整合设计，在工业领域具有广泛的应用前景。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (7)

1.一种点源全息图测距装置，沿着光路前进方向依次设置有半导体激光器(10)、平面反射镜(9)、测量点(1)、透镜(2)、第一线偏振片(3)、1/4波片(4)、双折射晶体(5)、第二线偏振片(6)、电子耦合器件(7)以及计算机处理系统(8)，其中：
半导体激光器(10)用于发出激光；
平面反射镜(9)设置在半导体激光器(10)的前方，用于将激光的光路改变至测量点(1)上；
测量点(1)将激光漫反射出；
透镜(2)用于会聚测量点(1)漫反射的光，并将测量点成像在1/4波片(4)之后；
第一线偏振片(3)设置成偏振方向能够绕系统主轴旋转，用于改变入射光线的偏振方向；
1/4波片(4)设置成其光轴沿竖直方向；
双折射晶体(5)设置成Z轴沿系统主轴方向，y轴沿竖直方向，x-y面与系统主轴垂直；
第二线偏振片(6)设置成光轴与竖直方向的夹角为右偏45°，用于改变入射光线的偏振方向；
电子耦合器件(7)用于采集全息图像信号并发送给计算机处理系统(8)；
计算机处理系统(8)用于对所接收的全息图像信号进行处理以得到测量点(1)到透镜的实际距离；其中
所述电子耦合器件(7)在第一线偏振片(3)与第二线偏振片(6)的光轴相互垂直时采集第一全息图，在二者的光轴相互平行时采集第二全息图，所述计算机处理系统(8)根据该第一全息图和第二全息图的差值处理得到测量点(1)到透镜的实际距离，其中，所述实际距离通过下述步骤处理得到：
1)将所得到的第一全息图和第二全息图进行滤波处理；
2)标定所述第一和第二全息图相位零点的位置；
3)将第二全息图减去第一全息图，得到的数据分别进行二值化和骨架化处理，分别得到二值化图像和骨架化图像；
4)根据二值化图像读出全息图由相位零点沿x方向至全息图边缘每个亮条纹的级次n，该级次n代表了每一亮条纹在全息图中所处的位置信息；
5)根据骨架化图像读出全息图由边缘至相位零点每个亮条纹中心在全息图中所处的位置坐标，再根据步骤4)确定该坐标所对应的整数相位，该整数相位代表了亮条纹在全息图中所处的相位信息；
6)根据每个亮条纹所对应的位置信息和相位信息分别计算出测量点的位置，对这些测量点位置值求出平均值以得到最终的测量点位置值，其中，测量点的位置通过以下方法获得：
由公式得到对应某一级亮条纹k在双折射晶体(5)内与系统主轴的夹角，再由双折射角θ与像点到电子耦合器件(7)平面间的距离z之间的关系z＝r/θno得到像点的位置，并根据公式1/f＝1/u+1/v得到测量点的位置，其中，r是电子耦合器件(7)面上某一级亮条纹k的径向距离，θ为光线入射双折射晶体(5)时的双折射角，λ为入射光的波长，no、ne分别为双折射晶体(5)在入射波长下相对于垂直于光轴的o光和平行于光轴的e光的主折射率，C为双折射晶体(5)沿光轴方向的长度，f为透镜焦距，u为测量点距离透镜(2)的距离，v为像点距离透镜的距离。
2.根据权利要求1所述的点源全息图测距装置，其中，将第一线偏振片(3)设置成使其光轴方向相对竖直方向左偏45°以实现与第二线偏振片(6)的光轴相互垂直，将第一线偏振片(3)设置成使其光轴方向相对竖直方向右偏45°以实现与第二线偏振片(6)的光轴相互平行。
3.根据权利要求1所述的点源全息图测距装置，所述透镜(2)设置成使测量点(1)成像在1/4波片(4)与双折射晶体(5)之间。
4.根据权利要求1所述的点源全息图测距装置，所述第一线偏振片(3)是液晶光阀，通过控制液晶光阀的电压实现其偏振方向的改变。
5.根据权利要求1所述的点源全息图测距装置，其特征在于，所述的双折射晶体(5)是LiNbO3或方解石。
6.一种点源全息图测距方法，所述方法沿着光路前进方向依次设置有半导体激光器(10)、平面反射镜(9)、测量点(1)、透镜(2)、第一线偏振片(3)、1/4波片(4)、双折射晶体(5)、第二线偏振片(6)、电子耦合器件(7)以及计算机处理系统(8)，该方法包括下述步骤：
将第一线偏振片(3)与第二线偏振片(6)的光轴设置成相互垂直以采集第一全息图；
将第一线偏振片(3)与第二线偏振片(6)的光轴设置成相互平行以采集第二全息图；
根据该第一全息图和第二全息图的差值处理得到测量点(1)的实际距离，其中，通过下述步骤处理得到测量点(1)到透镜(2)的实际距离：
1)将所得到的第一全息图和第二全息图进行滤波处理；
2)标定所述第一和第二全息图相位零点的位置；
3)将第二全息图减去第一全息图，得到的数据分别进行二值化和骨架化处理，分别得到二值化图像和骨架化图像；
4)根据二值化图像读出全息图由相位零点沿x方向至全息图边缘每个亮条纹的级次n，该级次n代表了每一亮条纹在全息图中所处的位置信息；
5)根据骨架化图像读出全息图由边缘至相位零点每个亮条纹中心在全息图中所处的位置坐标，再根据步骤4)确定该坐标所对应的整数相位，该整数相位代表了亮条纹在全息图中所处的相位信息；
6)根据每个亮条纹所对应的位置信息和相位信息分别计算出测量点的位置，对这些测量点位置值求出平均值以得到最终的测量点位置值，其中，测量点的位置通过以下方法获得：
由公式得到对应某一级亮条纹k在双折射晶体(5)内与系统主轴的夹角，再由双折射角θ与像点到电子耦合器件(7)平面间的距离z之间的关系z＝r/θno得到像点的位置，并根据公式1/f＝1/u+1/v得到测量点的位置，其中，r是电子耦合器件(7)面上某一级亮条纹k的径向距离，θ为光线入射双折射晶体(5)时的双折射角，λ为入射光的波长，no、ne分别为双折射晶体(5)在入射波长下相对于垂直于光轴的o光和平行于光轴的e光的主折射率，C为双折射晶体(5)沿光轴方向的长度，f为透镜焦距，u为测量点距离透镜(2)的距离，v为像点距离透镜的距离。
7.根据权利要求6所述的点源全息图测距方法，其中，将第二线偏振片(6)设置成光轴与竖直方向的夹角为右偏45°，将第一线偏振片(3)设置成使其光轴方向相对竖直方向左偏45°以实现与第二线偏振片(6)的光轴相互垂直，以及将第一线偏振片(3)设置成使其光轴方向相对竖直方向右偏45°以实现与第二线偏振片(6)的光轴相互平行。
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