CN103759649A - 一种非接触式锥光全息测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非接触式锥光全息测量系统，包括有发射激光束的激光系统、将经过扩束准直系统的激光光束汇聚到被测物一点的光反射系统、收集返回光的光接收系统和偏振分光棱镜；光反射系统包含有沿激光束前进线路上排布的光阑、λ/4玻片和物镜；光接收系统在光的传播路线上有双折射晶体、偏振片和光学照相装置，光学照相装置与计算机相连；激光系统包括激光光源和λ/2玻片，激光光源下方的扩束准直系统包括扩束器和准直透镜。本发明设计合理，结构简单，实用于尺寸为101～102mm的常见工业零部件表面高度信息的测量；能够综合利用数字图像处理技术和光学全息技术，进一步提高产品的测量精度。
Description
技术领域
本发明属于光电检测技术领域，具体涉及一种基于相位-高度法的非接触式锥光全息测量系统。
背景技术
目前，随着工业测量领域的不断扩展以及对测量精度和测量速度的要求不断提高，传统的接触式测量已经无法满足工业界的需求。而非接触式测量由于其良好的精确性和实时性，成为测量领域的热点。在光学方面，非接触式测量方法主要有双目、多目视觉测量、三角法测量、激光扫描测量和数字全息测量等等。锥光全息法是数字全息测量方法中的一种，它是以晶体光学为基础的偏振光干涉测量方法，其原理是：当一束光聚焦到被测物表面一点时，该点向各个方向散射的光以锥光束的形态返回，返回光透过双折射晶体分裂成寻常光与非寻常光分量，这两个分量发生干涉形成全息图，根据全息图的干涉条纹获取被测点的位置信息。获取位置信息的方法有光强-高度法和相位-高度法两种，即通过全息图中包含的光强信息或相位信息来获得被测高度。这样，通过对不同点的测量从而完成对被测物表面形貌及距离的测量。
相比于一般全息法，锥光全息法对光源的相干性要求较低，具备较强的抗干扰能力和环境适应性。然而，目前国内外对锥光全息系统的测量方法几乎都是利用全息图的光强信息来获取被测量，如国际专利号US8129703，主要采用多幅图相移技术，通过调节晶体前后的偏振片的偏振轴与波片光轴的夹角实现相移，进而改变系统的光强传递函数，然后根据多幅相移全息图的光强信息来获得被测表面的高度信息；但是这种光强-高度法的缺点是对光源的波动较为敏感，且存在移相误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于相位-高度法的非接触式锥光全息测量系统，该系统记录的锥光全息图中不仅包含光强信息，而且也包含相位信息，随着被测高度的变化，测得图像上的条纹数量及条纹宽度也发生变化，即全息图上的条纹相位信息随着被测量的变化而变化，从而通过对不同点的测量完成对被测物表面形貌及距离的测量。
基于上述见解，本发明是这样实现的：
一种基于相位-高度法的高精度非接触式锥光全息测量系统，包括有发射激光束的激光系统、将经过扩束准直系统的激光光束汇聚到被测物一点的光反射系统、收集返回光的光接收系统和偏振分光棱镜，其特征在于，所述的光反射系统包含有沿激光束前进线路上排布的光阑、λ/4玻片和物镜；光接收系统在光的传播路线上有双折射晶体、偏振片和光学照相装置；所述的光阑和双折射晶体位于偏振分光棱镜的两侧。
所述测量系统还包括一个与光学照相装置相连的计算机。
上述的激光系统位于扩束准直系统的上方，包括激光光源和激光光源下方的λ/2玻片；所述的激光光源为带温控设备的激光光源。
上述的扩束准直系统由扩束器和准直透镜组成。
上述的光学照相装置是以电荷耦合器件作为光敏感器和光电转换器的高分辨率CCD。
与现有的光强-高度法技术相比，本发明装置不需要记录多幅相移全息图，系统中只需要采用单偏振片结构，简化了光学系统，更侧重于通过后期的相位信息提取来恢复高度信息；本发明设计合理，结构简单紧凑，实用于尺寸为101～102mm的常见工业零部件表面高度信息的测量；能够综合利用数字图像处理技术和光学全息技术，进一步提高产品的测量精度。
附图说明
图1：本发明整体结构示意图，箭头为光路。
其中：1、计算机2、激光光源3、λ/2玻片4、扩束准直系统41、扩束器42、准直透镜5、偏振分光棱镜6、光阑7、λ/4玻片8、物镜9、被测物10、双折射晶体11、偏振片12、光学照相装置。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明基于相位-高度法的高精度非接触式锥光全息测量系统做进一步详细的说明。
如图1所示，一种基于相位-高度法的高精度非接触式锥光全息测量系统，包括有发射激光束的激光系统、将经过扩束准直系统4的激光光束汇聚到被测物9一点的光反射系统、收集返回光的光接收系统和偏振分光棱镜5。所述的光反射系统包含有沿激光束前进线路上排布的光阑6、λ/4玻片7和物镜8；光接收系统在光的传播路线上有双折射晶体10、偏振片11和光学照相装置12。
光接收系统和光反射系统位于偏振分光棱镜5水平方向的两侧，激光系统位于偏振分光棱镜5的正上方；光阑6和双折射晶体10位于偏振分光棱镜的两侧，光阑6的另一侧为λ/4玻片7和物镜8，物镜8的另一侧放置被测物9；双折射晶体10的另一侧为偏振片11和光学照相装置12；光学照相装置12与计算机1相连，光学照相装置优选为以电荷耦合器件作为光敏感器和光电转换器的高分辨率CCD。
激光系统位于扩束准直系统4的正上方，包括激光光源2和激光光源下方的λ/2玻片3；激光光源2优选为带温控设备的激光光源。扩束准直系统4由扩束器41和准直透镜42组成；
本发明所述的激光光源2、扩束器41、准直透镜42、偏振分光棱镜5、光阑6、物镜8、双折射晶体10、偏振片11、CCD12和玻片优选为如表1所述参数的元件：
表1锥光全息系统元件参数
使用本发明设备时，按下述步骤进行：
（1）、测量系统的各个工件固定在三维位移平台的支架上，被测物体9的表面正对系统的物镜8，打开激光器2的电源开关，调节物镜8使之前后移动，使激光汇聚到被测物9表面上一点；
（2）、打开计算机1和光学照相装置CCD12的电源开关，并打开计算机1中CCD图像采集软件MaxIm DL5，旋转λ/2和λ/4波片，使记录平面上全息图的背景光亮度降到最低；然后旋转偏振片11使全息图的亮度增大到最大，此时的全息图图像质量最佳；
（3）、沿水平方向微调双折射晶体10的位置，使得记录平面上所观察到的全息条纹密度增大，从而提高系统的分辨能力，当条纹的密度增大到接近CCD12分辨极限时，停止调节；
（4）、打开计算机1中CCD的图像处理软件Matlab，在MaxIm DL软件中将图像的曝光时间设定为1/1000秒，然后点击MaxIm DL5软件界面的“start”按钮，采集该点的锥光全息图，当图片传输到计算机上时，保存为“.GIFf”格式，图片位数保存为16位；继续调节三维位移平台横向移动，最小位移能达到0.01mm，因此可以每隔0.01mm记录一幅全息图并保存下来；
（5）、将步骤4中保存的全息图进行Matlab图像处理，步骤依次为：中心线提取处理，计算条纹宽度，计算被测高度；每个步骤都对应一个Matlab程序，在Matlab软件中打开程序，按照备注操作运行程序并查看结果。
本发明基于相位-高度法原理进行锥光全息测量，锥光全息图中不仅包含光强信息，而且也包含相位信息，随着被测高度的变化，测得图像上的条纹数量及条纹宽度也发生变化，即全息图上的条纹相位信息随着被测量的变化而变化，从而通过对不同点的测量完成对被测物表面形貌及距离的测量；本发明设计合理，结构简单，实用于尺寸为101～102mm的常见工业零部件表面高度信息的测量；能够综合利用数字图像处理技术和光学全息技术，进一步提高产品的测量精度。
尽管本发明依照其优选实施方式描述，但是存在落入本发明范围内的改变、置换和各种替代等同物。这里提供的示例仅是说明性的，而不是对本发明的限制。
Claims (5)
1.一种非接触式锥光全息测量系统，包括有发射激光束的激光系统、将经过扩束准直系统（4）的激光光束汇聚到被测物（9）一点的光反射系统、收集返回光的光接收系统和偏振分光棱镜（5），其特征在于，所述的光反射系统包含有沿激光束前进线路上排布的光阑（6）、λ/4玻片（7）和物镜（8）；光接收系统在光的传播路线上有双折射晶体（10）、偏振片（11）和光学照相装置（12）；所述的光阑（6）和双折射晶体（10）位于偏振分光棱镜（5）的两侧。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括一个与光学照相装置（12）相连的计算机（1）。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述的激光系统位于扩束准直系统（4）的上方，包括激光光源（2）和激光光源（2）下方的λ/2玻片（3）；所述的激光光源（2）为带温控设备的激光光源。
4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述的扩束准直系统（4）由扩束器（41）和准直透镜（42）组成。
5.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述的光学照相装置（12）是以电荷耦合器件作为光敏感器和光电转换器的高分辨率CCD。
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