CN108489387B - 一种光纤干涉式小孔内表面三维成像检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光纤干涉式小孔内表面三维成像检测系统，实现对小孔内表面形貌三维成像及孔径、孔光洁度、孔圆度信息测量。包括由激光光纤干涉单元(1)、微型90度出光光学系统(2)、导电滑环(3)、干涉信号处理单元(4)组成的可旋转式90度出光激光光纤干涉位移测量系统，由相机(5)组成的表面光学成像系统，由旋转平台驱动器(6)、旋转平台(7)、直线位移平台驱动器(8)、直线位移平台(9)组成的三维机械扫描系统和计算机(10)。系统利用激光干涉位移测量系统进行孔内表面三维点云测量，并运用点云处理算法进行孔内表面三维重构，是一种新型的小孔内表面形貌及孔径、孔光洁度、孔圆度高精度、非接触、自动化测量系统。

Description

一种光纤干涉式小孔内表面三维成像检测系统
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，具体涉及一种光纤干涉式小孔内表面三维成像检测系统。
背景技术
工业发展过程中，机械制造水平的提高与精密测量技术是密不可分的，精密测量技术是保证产品质量的重要手段，也是进行科学研究的重要基础。随着机械工业、航空航天业、国防业的不断发展，对小尺寸精密零件，尤其是对小孔的高难度、高精度、自动化检测提出了更高的要求。
针对小孔的测量，目前主要有接触式测量和非接触式测量。接触式测量主要包括塞规法、千分尺、三坐标测量法等。其中塞规法和千分尺测量方法简单，操作方便，但其测量精度有限，无法完成小孔的精密测量，且不易自动化；三坐标测量法成本高，不适合现场测量。非接触式测量包括电容式测量、气动测量和光学显微成像等。电容式测量响应快，操作方便，但其测量精度易受材料性质和外界干扰，测量精度不稳定；气动测量精度高，但对供气要求较高，且气动测量系统对喷嘴与被测工件间隙有较高要求，间隙过大或过小，都会引起测量非线性误差，测量范围窄；光学显微成像在几何测量领域应用较为广泛，其精度较高，然而大多只是对平面二维图形或零件进出口的尺寸和形状进行检测，深孔检测困难。以上常用小孔测量方法各有优缺点，然而要适用于小孔径、高纵深比精密小孔内部的高精度、非接触、自动化的检测较困难，因此，如何开发适用于小孔径、高纵深比精密小孔内表面形貌及孔径、孔光洁度、孔圆度等高精度自动检测系统，成为小孔测量方面亟需解决的一个难题。
发明内容
针对目前小孔检测方向从单一孔径检测向孔内表面高精度自动化三维成像发展，且对孔径小、纵深比较大的小孔实现高精度、高效率、宽范围、无损的自动化成像检测较为困难的问题。本发明克服现有技术的不足，提供一种光纤干涉式小孔内表面自动化三维成像检测系统，实现孔径小、纵深比较大的小孔内表面形貌及孔径、孔光洁度、孔圆度等高精度自动检测。其中，该系统利用激光光纤干涉位移测量系统进行高精度高效非接触位移测量，其位移测量精度优于检测激光的半波长，测量范围较宽；系统利用三维机械扫描系统实现激光光纤干涉位移测量系统对小孔内表面形貌的三维自动化扫描检测；系统利用点云数据处理算法实现小孔内表面形貌的三维重构；系统使用微型垂直出光光学系统可将本系统应用于深孔检测。
本发明所提出的技术问题是通过以下技术方案来实现的：包括由激光光纤干涉单元1、微型90度出光光学系统2、导电滑环3、干涉信号处理单元4组成的可旋转式90度出光激光光纤干涉位移测量系统，由相机5组成的表面光学成像系统，由旋转平台驱动器6、旋转平台7、直线位移平台驱动器8、直线位移平台9组成的三维机械扫描系统和计算机10。激光光纤干涉单元1发射激光，通过微型90度出光光学系统2垂直出射至待测小孔内表面，经表面反射后的激光耦合进微型90度出光光学系统2并沿原路返回至激光光纤干涉单元1，在其内部与参考光发生光干涉，干涉光电流信号经过导电滑环3送入干涉信号处理单元4从而获取孔内表面的起伏位移，结合相机5表面光学成像系统成像获取孔表面孔径信息，得到微型90度出光光学系统2距离孔内表面径向距离信息。计算机10通过旋转平台驱动器6和直线位移平台驱动器8分别控制旋转平台7和直线位移平台9实现可旋转式90度出光激光光纤干涉位移测量系统完成至上而下三维扫描检测，最终得到孔内表面三维点云信息，点云数据经计算机10点云处理算法处理后，即可实现小孔内表面形貌高精度、非接触、自动化三维成像及孔径、孔光洁度、孔圆度等高精度测量。
本发明所提供的一种光纤干涉式小孔内表面三维成像检测系统，其中微型90度出光光学系统2距离孔内表面径向距离信息的测量由激光光纤干涉单元1、微型90度出光光学系统2、导电滑环3、干涉信号处理单元4组成的可旋转式90度出光激光光纤干涉位移测量系统和由相机5组成的表面光学成像系统完成，激光光纤干涉位移测量系统测量小孔内表面起伏位移，相机表面光学成像系统拍摄测量得到微型90度出光光学系统2起始位置距小孔内表面的绝对距离，整合两系统测得的距离信息即可获取单点的微型90度出光光学系统2距离孔内表面径向距离信息。
进一步限定，所述的可旋转式90度出光激光光纤干涉位移测量系统，包括零差激光光纤干涉测距系统和外差激光光纤干涉测距系统两种类型，位移检测精度优于检测激光的半波长。其中斐索激光光纤干涉系统和基于光纤3×3耦合器的激光光纤迈克尔逊干涉系统，能够有效消除环境因素对系统带来的干扰，提高系统稳定性，实现高精度测量，是本发明具有代表性的激光光纤干涉测距系统构成方式。
进一步限定，所述的可旋转式90度出光激光光纤干涉位移测量系统，微型90度出光光学系统2由光纤准直器、90度出光反射镜及光纤引导细杆组成，可保证检测激光垂直入射小孔内表面，从而完成细长深孔的内表面检测。导电滑环3解决电缆缠绕问题。
进一步限定，所述的相机表面光学成像系统，相机5为高分辨率工业相机，相机5拍摄小孔表面光学图像，图像经超分等图像处理后，可得到微型90度出光光学系统2起始位置距小孔内表面的绝对距离，其精度在微米量级。
本发明所提供的一种光纤干涉式小孔内表面三维成像检测系统，其中激光光纤干涉位移测量系统进行孔内表面三维扫描工作由三维机械扫描系统实现，扫描系统由旋转平台驱动器6、旋转平台7、直线位移平台驱动器8、直线位移平台9组成，旋转平台驱动器6控制旋转平台7实现的环向旋转，直线位移平台驱动器8控制直线位移平台9实现激光光纤位移测量单元的直线位移，旋转平台安装于位移平台上，在两个运动平台的配合工作下，实现系统三维扫描。
本发明所提供的一种光纤干涉式小孔内表面三维成像检测系统，其中小孔内表面三维点云信息处理系统由点云滤波、点云配准、点云插值、曲面重构几个处理过程构成。
本发明的有益效果是：结合高精度激光光纤干涉位移测量系统、高精度相机表面成像系统、三维机械扫描系统、点云处理系统，实现小孔内表面三维扫描成像及像及孔径、孔光洁度、孔圆度等信息高精度测量。系统具有检测精度高、抗电磁干扰、体积小等特点，能实现适用于小孔径、高纵深比精密小孔内部的高精度、非接触、自动化的三维检测。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图；
图2是本发明中斐索光纤干涉仪的示意图；
图3是本发明中基于3×3光纤耦合器的迈克尔逊光纤干涉仪的示意图；
图中，1-激光光纤干涉单元，2-微型90度出光光学系统，3-导电滑环，4-干涉信号处理单元，5-相机，6-旋转平台驱动器，7-旋转平台，8-直线位移平台驱动器，9-直线位移平台，10-计算机，111-激光器一，112-光纤一，113-探测器，114-光纤三，115-光纤环形器，116-光纤二，117-光纤端面，121-激光器二，122-光隔离器，123-光纤四，124-探测器一，125-光纤七，126-探测器二，127-光纤八，128-光纤3×3耦合器，129-光纤五，130-光纤全反镜，131-弃用光纤，132-光纤六，133-光纤准直器。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述：
本发明的基本原理如下：激光光纤干涉单元1发射激光，通过微型90度出光光学系统2垂直出射至待测小孔内表面，经表面反射后的激光耦合进微型90度出光光学系统2并沿原路返回至激光光纤干涉单元1，在其内部与参考光发生光干涉，干涉光电流信号经过导电滑环3送入干涉信号处理单元4从而获取孔内表面的起伏位移，结合相机5表面光学成像系统成像获取孔表面孔径信息，得到微型90度出光光学系统2距离孔内表面径向距离信息。计算机10通过旋转平台驱动器6和直线位移平台驱动器8分别控制旋转平台7和直线位移平台9实现可旋转式90度出光激光光纤干涉位移测量系统完成至上而下三维扫描检测，最终得到孔内表面三维点云信息，点云数据经计算机10点云处理算法处理后，即可实现小孔内表面形貌高精度、非接触、自动化三维成像及孔径、孔光洁度、孔圆度等高精度测量。
小孔内表面三维成像检测系统的核心是微型90度出光光学系统2距离孔内表面径向距离信息的测量，其由两部分组成：激光光纤干涉位移测量系统测量小孔内表面起伏位移，表面光学成像系统获取孔表面孔径信息并得到90度出光光学系统2起始位置距小孔内表面的绝对距离。整合两系统测得的距离信息即可获取单点的微型90度出光光学系统2距离孔内表面径向距离信息。
可旋转式90度出光激光光纤干涉位移测量系统，由激光光纤干涉单元1、微型90度出光光学系统2、导电滑环3、干涉信号处理单元4组成。该系统包括零差激光光纤干涉测距系统和外差激光光纤干涉测距系统两种类型，位移检测精度优于检测激光的半波长。其中，微型90度出光光学系统2由光纤准直器、90度出光反射镜及光纤引导细杆组成，可保证检测激光垂直入射小孔内表面，从而完成细长深孔的内表面检测。导电滑环3解决电缆缠绕问题。
表面光学成像系统由相机5组成，相机5为高分辨率工业相机，相机5拍摄小孔表面光学图像，图像经超分等图像处理后，可得到微型90度出光光学系统2起始位置距小孔内表面的绝对距离，其精度在微米量级。
三维扫描系统由旋转平台驱动器6、旋转平台7、直线位移平台驱动器8、直线位移平台9组成，旋转平台驱动器6控制旋转平台7实现的环向旋转，直线位移平台驱动器8控制直线位移平台9实现激光光纤位移测量单元的直线位移，旋转平台安装于位移平台上，在两个运动平台的配合工作下，实现系统三维扫描。
三维点云信息处理系统由点云滤波、点云配准、点云插值、曲面重构几个处理过程构成。具体操作如下：1)采用中值滤波以及邻域平均法对数据进行平滑滤波操作，去除点云数据中的点状噪声。2)运用迭代最近点算法实现点云数据的倾斜平移校正，完成数据配准。3)针对稀疏点云，通过三角剖分细化插值方法使得稀疏点云插值为密集点云，达到生成平滑曲面的数据量。(4)采用三角网格法进行场景表示，简单、快速、能很好的逼近物体表面。
激光光纤干涉位移测量系统中，为提高检测精度和系统稳定性，减小环境干扰，本发明可利用如下两种代表性的光纤干涉系统：
图2是斐索干涉系统，激光器一111发出激光经光纤一112传输后进入光纤环形器115的1号端口，并从光纤环形器115的2号端口输出，经过光纤二116传输后到达光纤端面117，由于光纤端面117本身具有一定反射率，光纤中传输的光信号小部分发生反射并沿原路返回，作为参考光。另一大部分透射出光纤端面117，作为检测信号光，到达待测表面后，经过待测样品表面反射后耦合进光纤端面117，信号光与参考光发生干涉，干涉光信号从光纤环形镜115的3号端口输出，经光纤三114传输后由探测器113接收。由于参考光和信号光是沿着同一条光路传输，受到的外界干扰如机械振动、温度起伏对信号光和参考光的影响是相同的，故可以较好地克服此类干扰问题，极大提高检测精度。
图3是由一个光纤3×3耦合器构成光纤迈克尔逊干涉仪，激光器二121发出的激光经光隔离器122、光纤四123传输后进入光纤3×3耦合器128，进入耦合器的光被分为3路，一路光经光纤五129传输至光纤全反镜130上，经全反镜130反射后沿原路返回，作为参考光。另一路光经光纤六132传输，并经光纤准直器133后以平行光出射，作为信号光。信号光到达待测表面，经待测样品表面反射后耦合进光纤六132，信号光和参考光在光纤3×3耦合器128上再次相遇并发生干涉，干涉光信号经过耦合器后，又被分为3路光，并经光纤四123、光纤七125、光纤八127传输，经光纤四123传输的干涉光被光隔离器122隔离，避免反射光对激光器二121造成影响，经光纤七125传输的干涉光被探测器一124接收，经光纤八127传输的干涉光被探测器二126接收。由于光纤3×3耦合器具有调整分光强度及相位的特性，且可做双端检测，属于平衡检测，能有效抑制外界干扰，提高系统稳定性，从而提高检测精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种光纤干涉式小孔内表面三维成像检测系统，包括由激光光纤干涉单元(1)、微型90度出光光学系统(2)、导电滑环(3)、干涉信号处理单元(4)组成的可旋转式90度出光激光光纤干涉位移测量系统，由相机(5)组成的表面光学成像系统，由旋转平台驱动器(6)、旋转平台(7)、直线位移平台驱动器(8)、直线位移平台(9)组成的三维机械扫描系统和计算机(10)，其特征在于，激光光纤干涉单元(1)发射激光，通过微型90度出光光学系统(2)垂直出射至待测小孔内表面，经表面反射后的激光耦合进微型90度出光光学系统(2)并沿原路返回至激光光纤干涉单元(1)，在其内部与参考光发生光干涉，干涉光电流信号经过导电滑环(3)送入干涉信号处理单元(4)从而获取孔内表面的起伏位移，结合相机(5)表面光学成像系统成像获取孔表面孔径信息，得到微型90度出光光学系统(2)距离孔内表面径向距离信息，计算机(10)通过旋转平台驱动器(6)和直线位移平台驱动器(8)分别控制旋转平台(7)和直线位移平台(9)实现可旋转式90度出光激光光纤干涉位移测量系统完成至上而下三维扫描检测，最终得到孔内表面三维点云信息，点云数据经计算机(10)点云处理算法处理后，即可实现小孔内表面形貌高精度、非接触、自动化三维成像及孔径、孔光洁度、孔圆度高精度测量。
2.根据权利要求1所述的一种光纤干涉式小孔内表面三维成像检测系统，其特征在于：微型90度出光光学系统(2)距离孔内表面径向距离信息的测量由激光光纤干涉单元(1)、微型90度出光光学系统(2)、导电滑环(3)、干涉信号处理单元(4)组成的可旋转式90度出光激光光纤干涉位移测量系统和由相机(5)组成的表面光学成像系统完成，激光光纤干涉位移测量系统测量小孔内表面起伏位移，相机表面光学成像系统拍摄测量得到微型90度出光光学系统(2)起始位置距小孔内表面的绝对距离，整合两系统测得的距离信息即可获取单点的微型90度出光光学系统(2)距离孔内表面径向距离信息。
3.根据权利 要求1所述的一种光纤干涉式小孔内表面三维成像检测系统，其特征在于：可旋转式90度出光激光光纤干涉位移测量系统包括零差激光光纤干涉测距系统和外差激光光纤干涉测距系统两种类型，位移检测精度优于检测激光的半波长，其中代表性的激光光纤干涉测距系统有斐索激光光纤干涉系统和基于光纤3×3耦合器的激光光纤迈克尔逊干涉系统，其能够有效消除环境因素对系统带来的干扰，提高系统稳定性，实现高精度测量。
4.根据权利 要求1所述的一种光纤干涉式小孔内表面三维成像检测系统，其特征在于：可旋转式90度出光激光光纤干涉位移测量系统中微型90度出光光学系统(2)由光纤准直器、90度出光反射镜及光纤引导细杆组成，可保证检测激光垂直入射小孔内表面，从而完成细长深孔的内表面检测，导电滑环(3)解决电缆缠绕问题。
5.根据权利 要求1所述的一种光纤干涉式小孔内表面三维成像检测系统，其特征在于：相机表面光学成像系统中相机(5)为高分辨率工业相机，相机(5)拍摄小孔表面光学图像，图像经超分图像处理后，可得到微型90度出光光学系统(2)起始位置距小孔内表面的绝对距离，其精度在微米量级。
6.根据权利要求1所述的一种光纤干涉式小孔内表面三维成像检测系统，其特征在于：激光光纤干涉位移测量系统进行孔内表面三维扫描工作由三维机械扫描系统实现，三维机械扫描系统由旋转平台驱动器(6)、旋转平台(7)、直线位移平台驱动器(8)、直线位移平台(9)组成，旋转平台驱动器(6)控制旋转平台(7)实现的环向旋转，直线位移平台驱动器(8)控制直线位移平台(9)实现激光光纤位移测量单元的直线位移，旋转平台安装于位移平台上，在两个运动平台的配合工作下，实现系统三维扫描。
7.根据权利要求1所述的一种光纤干涉式小孔内表面三维成像检测系统，其特征在于：小孔内表面三维曲面重建由三维点云信息处理系统实现，系统由点云滤波、点云配准、点云插值、曲面重构处理过程构成。
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