CN104698468A - 光纤光学相干测距装置和光纤光学测距方法 - Google Patents

光纤光学相干测距装置和光纤光学测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤光学相干测距装置和光纤光学相干测距方法，该测距装置包括：带波长扫描的解调单元、光学头、以及用于将解调单元发出的激光传导至光学头上的单模光纤传导单元，其中，光学头包括准直透镜系统和参考面，其中准直透镜系统用于将单模光纤传导单元的光纤端面输出的激光准直；参考面用于将经过准直的激光的一部分反射回光纤端面并耦合进入单模光纤；以及解调单元用于检测单模光纤内的相干光并且用于根据相干光计算参考面与被测表面之间的距离，其中，相干光由从被测表面反射或者散射的光和从参考面反射的光耦合进入同一单模光纤中进行相干形成。本发明可对非光学反射表面如非抛光的金属、塑料等表面进行测距。

Description

光纤光学相干测距装置和光纤光学测距方法
技术领域
本发明涉及一种光纤光学相干测距装置和光纤光学测距方法。
背景技术
测距在现代工业自动化领域广泛的应用，而远距离光学测距由于其没有电火花隐患，在油、汽等易爆特殊环境下，有很好的安全特性而广受青睐。然而现有的光学测距技术由于本身的特点，在亚微米到几十毫米的范围内精确测距遇到相应的挑战。如激光雷达等测距方法只适用远距离测量；传统的相干光学测距需要被测表面光滑形成平面反射，且光路对准要求十分严格，被测表面相对于测量光的微小角度偏移将导致测量失败。
本申请人在相干测距技术的研究中发现：通常的有一定粗糙度的表面，如金属加工表面，不能像光学表面一样反射光，无论什么角度的光照射到其表面，都会在较大的空间角范围内产生散射光，散射光的传播方向分散，相干性降低。两部分从不同表面散射的光合在一起将很难形成相干条纹，无法进行相干测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光纤光学相干测距装置和光纤光学相干测距方法，以实现对非光滑表面的相干光学测距。
为此，本发明的一方面提供了一种光纤光学相干测距装置，包括：带波长扫描的解调单元、光学头、以及用于将解调单元发出的激光传导至光学头上的单模光纤传导单元，其中，光学头包括准直透镜系统和参考面，其中准直透镜系统用于将单模光纤传导单元的光纤端面输出的激光准直；参考面用于将经过准直的激光的一部分反射回光纤端面并耦合进入单模光纤；以及解调单元用于检测单模光纤内的相干光并且用于根据相干光计算参考面与被测表面的距离，其中，相干光由从被测表面反射或者散射的光和从参考面反射的光耦合进入同一单模光纤中进行相干形成。
进一步地，上述解调单元包括：控制和信号处理单元、波长或频率可调谐的激光器、以及光电检测器，其中，光电检测器用于检测单模光纤内的相干光，控制和信号处理单元用于控制激光器输出的激光的波长和频率，并且用于在扫描范围内根据相干光的变化计算参考面与被测表面的距离。
进一步地，上述光纤光学相干测距装置包括多个光学头和与多个光学头一一对应设置的多个单模光纤传导单元，其中，解调单元包括与多个光学头一一对应设置的多个光电检测器，其中，激光器通过分路器将激光分别提供给单模光纤传导单元。
进一步地，上述单模光纤传导单元包括单模光纤和在单模光纤的传输路径上设置的回光分路器件。
进一步地，上述回光分路器件为光纤分路器或光纤回路器。
进一步地，上述参考面为准直透镜系统的一个表面。
进一步地，上述参考面在独立于准直透镜系统的参考片上形成。
根据本发明的另一方面，提供了一种光纤光学相干测距方法，包括以下步骤：获得相干光，相干光由从被测表面反射或者散射的光和从参考面反射的光耦合进入同一单模光纤中进行相干形成；以及根据相干光计算被测表面与参考面之间的距离。
进一步地，上述入射在参考面上的光为经过准直的光。
进一步地，上述入射在被测表面上的光为经过准直的光。
根据本发明的光纤光学相干测距方法和装置，其中相干光由从被测表面反射或散射的光与从参考面反射的光耦合进同一单模光纤芯的光进行相干而获得，如此可对非光学反射表面如非抛光的金属、塑料等表面进行测距。本发明有效地降低了在测距应用时对光路对准的要求，从拓展了相干光学测距在自动化和光学传感中的应用范围。
除了上面所描述的目的、特征、和优点之外，本发明具有的其它目的、特征、和优点，将结合附图作进一步详细的说明。
附图说明
构成本说明书的一部分、用于进一步理解本发明的附图示出了本发明的优选实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。图中：
图1示出了根据本发明的光纤相干测距装置的实施例一的框图；
图2示出了根据本发明的光纤相干测距装置的实施例二的框图；
图3示出了根据本发明的光纤相干测距装置中光学头的第一实施例的结构示意图；
图4示出了根据本发明的光纤相干测距装置中光学头的第二实施例的结构示意图；以及
图5示出了根据本发明的光纤相干测距装置中光学头的第三实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本发明的光纤光学相干测量方法，应用了单模光纤的光学滤波特性，将从被测表面反射或散射的光耦合进单模光纤芯并且与从参考面反射的光耦合进同一单模光纤芯的光进行相干，由于两部分从不同位置散射或反射的光同时耦合进光纤芯，两部分光被光纤芯进行了空间滤波，它们的空间相干性得到了恢复，从不同位置散射或反射并耦合进入光纤芯的两部分光将进行很好的相干，从而使得从光纤芯输出到光电探测器的相干光携带了精确的散射点的位置信息。
根据本发明设计的相干光学测距装置包括带波长扫描的解调单元、光学头和单模光纤传导单元。解调单元发出波长可以调谐的激光，激光通过光纤单元传导到光学头上；光学头由准直透镜系统和参考面构成，参考面可以是透镜系统的一个表面；准直透镜将从光纤端面输出的激光准直，准直光经过参考面时，参考面将部分光(第一部分光)反射回光纤端面并耦合进入光纤，而其它光通过准直透镜系统后，形成平行光或设计的有较小会聚角的光从光头输出；从光学头输出的光照射到被测物体表面(即被测表面)，被测表面反射或散射，部分反射或散射光(第二部分光)被耦合进光纤；第一部分光和第二部分光在光纤芯内相干，相干后的光被传导回解调单元的光电探测器中；探测器探测到的光能量与光波长及参考面到被测测物体表面的距离相关。
当解调单元输出的激光波长或频率在一定范围内变化时，探测到光能量随波长或频率变化产生周期性变化，而变化周期与参考面与被测物体的光程成固定的关系。这样，通过波长扫描，并对探测器测到的光信号的周期信进行分析，就准确地计算出参考面与被测物体的距离。根据本发明的测距装置特点是可以对非光学反射表面如非抛光的金属、塑料等表面进行测距。
图1示意了根据本发明的光纤相干测距装置的实施例一的框图。根据本发明的光纤相干测距装置由解调单元100、单模光纤传导单元200、和光学头300三部分组成，图中400为被测表面。解调单元100至少包括一套控制和信号处理单元101、一个波长或频率可调谐的激光器102、以及一个光电检测器103。控制和信号处理单元101包含激光器控制软件可根据设计控制调谐激光器102输出激光的波长或频率。单模光纤传导单元200由若干单模光纤201和回光分路器件202组成，回光分路器件202可以是光纤分路器(coupler)也可以是光纤回路器(circulator)。
根据本发明的以上设置允许激光器102根据控制单元101的指令发出特定波长或频率的光，该特定波长的光被耦合进入单模光纤201中，并被导引到回光分路器件202中，202再将光通过光纤201送人光学头300中。光学头300内设置准直透镜系统，并能将从光纤端面输出的光准直后投射到被测表面400上，同时光学头300设置有参考面能将部分光直接反射回光纤201的纤芯中。被测表面可以是光滑的光学表面也可以是精加工的机械表面如铝塑料等表面。准直的光投射的被测表面400上后被被测表面散射，在较大的空间角中有光分布。
光学头能将被测表面散射回的部分光扑捉，并将其会聚耦合回光纤201的光纤芯中。这样有两部分光回到光纤芯中并安原来相反的方向传播，两部分光在光纤芯中相干并同过回光分路器件202将部分相干光导入到光电探测器103中。光电探测器103检测光强信号。光信号被控制和信号分析单元101采集和记录。当控制和信号分析单元进行波长扫描时，其所记录到的光强信号将随波长的变化而变化，形成周期变化的信号。变化的周期与参考面和被测表面之间的光程相关。控制和信号分析单元101通过分析信号周期根据下式来算出参考面和被测表面之间的距离： d = N λ 1 λ 2 2 n ( λ 2 - λ 1 ) = Nc 2 n ( f 2 - f 1 ) . 其中N是测到的周期数，n是折射率，λ2-λ1是波长扫描范围，f2-f1是频率扫描范围，c是光速。
图2示意了根据本发明的光纤相干测距装置的实施例二的框图。根据本发明的本实施例与上面实施例一类似，由解调单元100、单模光纤传导单元200、和光学头300三部分组成。解调单元100至少包括一套控制和信号处理单元101、一个波长或频率可调谐的激光器102、和多个光电检测器103a、103b、103c。控制和信号处理单元101包含激光器控制软件可根据设计控制调谐激光器102输出激光的波长或频率。单模光纤传导单元包括若干单模光纤201、一个分路器203、及多个回光分路器件202a、202b、202c。回光分路器可以是光纤分路器(coupler)也可以是光纤回路器(circulator)。分路器203将从激光器102发出的激光通过光纤系统分成多路并分别输送多个回光分路器中。
光学头300由多个结构相同的光学头单元300a、300b、300c……组成。本实施例的结构安排允许一个回光分路器和与其相连一个光学头及一个光电探测器，如202a、300a及103a，构成独立的测距单元。独立的测距单元(图2中a、b、c等字母区分)的功能实现与实施方式例1描述的过程类似。不同的是，独立的测试单元通过分光器203共用扫描激光光源102，并通过同一控制和信号处理单元101采集处理不同光学头来的距离信息，同步运算，同时给出不同点的距离测量结果。
图3示意了根据本发明的光纤相干测距装置中光学头结构设计的实施例一。如图3所示，本实施例的光学头包括光纤10、透镜系统20、相关机械结构件，由于机械结构件不涉及本发明的特点，本图中略去。根据本发明的光学头所用光纤10为单模光纤，图示中中间灰色部分代表光纤芯。本实施例的透镜系统由单个或多个球面或非球面透镜组成，图中以多个球面透镜系统20举例。根据本发明，光纤10的端面落在的透镜系统20的焦点平面附近，这样从光纤端面输出的发散的单模光1通过透镜系统20后变为平行光(准直光)2从光学头输出。
透镜系统20内设置一参考面，如图示20-2，参考面制成具有一定比例的反射率R1，可将部分光3反射回光纤端面，并以一定的耦合率T1耦合进光纤芯。除参考面外透镜系统的其他表面，如20-1，20-3，20-4，都镀增透膜使被它们反射而耦合回光纤芯的光功率几乎为零。根据本实施例设计的光学头，当输出的准直光2到达被测表面散射或反射时，部分光4可被光学头接受并耦合进光纤芯。从参考面反射的部分光3和从被测表面散射回到光纤芯的部分光4将在光纤芯内干涉。参考面的反射率R1和耦合率T1可根据被测表面的类型及对应的散射率和耦合率来调整，当两部分光在光纤芯内功率相近时干涉效果最佳，距离测量的分辨率最优化。
图4示意了根据本发明的光纤相干测距装置中光学头结构设计的实施例二。如图4所示，本实施例的光学头包括光纤10、柱状透镜系统20、及相关机械结构件，由于机械结构件不涉及本发明的特点，本图中略去。根据本发明的光学头所用光纤10为单模光纤，图示中中间灰色部分代表光纤芯。本实施例所示意的透镜系统20是由径向有折射率梯度材料制成的透镜(GRIN)。由于透镜系统采用了梯度折射率材料，GRIN透镜端面可以制成平面。根据本发明，光纤10的端面落在的GRIN透镜系统20的焦点平面附近，这样从光纤端面输出的发散的单模光1通过透镜系统20后变为平行光(准直光)2从光学头输出。本实施例的GRIN透镜20具有两个端面20-1和20-2。前端面20-1近光纤端面镀增透膜或与中心光轴有一定的角度，这样从20-1反射的光可忽略或无法耦合回光纤芯。
透镜后端面20-2设置为参考面。参考面20-2制成具有一定比例的反射率R1，可将部分光3反射回光纤端面，并以一定的耦合率T1耦合进光纤芯。根据本实施例设计的光学头，当输出的准直光2到达被测表面散射或反射时，部分光4可被光学头接受并耦合进光纤芯。从参考面反射的部分光3和从被测表面散射回到光纤芯的部分光4将在光纤芯内干涉。参考面的反射率R1和耦合率T1可根据被测表面的类型及对应的散射率和耦合率来调整，当两部分光在光纤芯内功率相近时干涉效果最佳，距离测量的分辨率最优化。
图5示意了根据本发明的光纤相干测距装置中光学头结构设计的实施例三。如图5所示，本实施例的光学头包括光纤10、透镜系统20、参考片30及相关机械结构件，由于机械结构件不涉及本发明的特点，本图中略去。根据本发明的光学头所用光纤10为单模光纤，图示中中间灰色部分代表光纤芯。透镜系统可是单个或多个球面或非球面透镜组成，也可以是梯度折射率材料制成的GRIN透镜，图中以多个球面透镜系统20举例。根据本发明，光纤10的端面落在的透镜系统20的焦点平面附近，这样从光纤端面输出的发散的单模光1通过透镜系统20后变为平行光(准直光)2。
根据本实施例的设计，透镜系统20内的所有表面都镀有增透膜，因而由于各个表面反射而耦合回光纤芯的光功率可以忽略。参考片30是一小角度棱镜，透光面30-1和30-2具有一定角度；其中一个表面设置为参考面(例如图5中透光面30-2)，参考面制成具有一定比例的反射率R1，并放置成合适的角度，使之可将部分光3反射回光纤端面，并以一定的耦合率T1耦合进光纤芯，另一表面(如图5中透光面30-1)镀增透膜，并且与光轴有一定角度，在其表面反射的光无法重现耦合进光纤芯。根据本实施例设计的光学头，当从光学头输出的准直光2到达被测表面散射或反射时，部分光4可被光学头接受并耦合进光纤芯。从参考面30-2反射的部分光3和从被测表面散射回到光纤芯的光4将在光纤芯内干涉。参考面的反射率R1和耦合率T1可根据被测表面的类型及对应的散射率和耦合率来调整，当两部分光在光纤芯内功率相近时干涉效果最佳，距离测量的分辨率最优化。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种光纤光学相干测距装置，其特征在于，包括：带波长扫描的解调单元、光学头、以及用于将所述解调单元发出的激光传导至所述光学头上的单模光纤传导单元，其中
所述光学头包括准直透镜系统和参考面，其中所述准直透镜系统用于将所述单模光纤传导单元的光纤端面输出的激光准直；所述参考面用于将经过准直的激光的一部分反射回所述光纤端面并耦合进入单模光纤；以及
所述解调单元用于检测所述单模光纤内的相干光并且用于根据所述相干光计算所述参考面与被测表面的距离，其中，所述相干光由从所述被测表面反射或者散射的光和从所述参考面反射的光耦合进入同一单模光纤中进行相干形成。
2.根据权利要求1所述的光纤光学相干测距装置，其特征在于，所述解调单元包括：控制和信号处理单元、波长或频率可调谐的激光器、以及光电检测器，其中，所述光电检测器用于检测所述单模光纤内的相干光，所述控制和信号处理单元用于控制所述激光器输出的激光的波长和频率、并且用于在扫描范围内根据所述相干光的变化计算所述参考面与所述被测表面的距离。
3.根据权利要求2所述的光纤光学相干测距装置，其特征在于，包括多个所述光学头和与多个所述光学头一一对应设置的多个单模光纤传导单元，其中，所述解调单元包括与所述多个光学头一一对应设置的多个所述光电检测器，其中，所述激光器通过分路器将所述激光分别提供给所述单模光纤传导单元。
4.根据权利要求1所述的光纤光学相干测距装置，其特征在于，所述单模光纤传导单元包括单模光纤和在所述单模光纤的传输路径上设置的回光分路器件。
5.根据权利要求4所述的光纤光学相干测距装置，其特征在于，所述回光分路器件为光纤分路器或光纤回路器。
6.根据权利要求1所述的光纤光学相干测距装置，其特征在于，所述参考面为所述准直透镜系统的一个表面。
7.根据权利要求1所述的光纤光学相干测距装置，其特征在于，所述参考面在独立于所述准直透镜系统的参考片上形成。
8.一种光纤光学相干测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
获得相干光，所述相干光由从被测表面反射或者散射的光和从参考面反射的光耦合进入同一单模光纤中进行相干形成；以及
根据所述相干光计算所述被测表面与所述参考面之间的距离。
9.根据权利要求8所述的光纤光学相干测距方法，其特征在于，入射在所述参考面上的光为经过准直的光。
10.根据权利要求8所述的光纤光学相干测距方法，其特征在于，入射在所述被测表面上的光为经过准直的光。
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