CN110146154A - 一种用于物体振动测量的点衍射干涉装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于物体振动测量的点衍射干涉装置及方法，包括：光源，发射初始光至光路处理模块；光路处理模块，将初始光转换为若干束出射光并入射至测量模块；测量模块，连接被测物体，采集入射光产生的干涉图并处理。单纵模激光器发出的激光经光路处理模块后射入测量模块；入射光经偏振数字相机前置的偏振片阵列后发生干涉；记录四步移相干涉图及各瞬态位置的干涉图；根据干涉图对不同瞬态位置空间三维坐标值进行分析，测量出物体振动过程。本发明通过将被测物体与测量探头固定，并利用偏振数字相机来采集振动过程中各个瞬态位置的干涉图，通过对各个瞬态位置的空间三维坐标进行分析，实现了对物体振动的测量，提高了装置的抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，尤其是涉及一种用于物体振动测量的点衍射干涉装置及方法。
背景技术
随着工业生产和加工的不断发展，对物体的振动测试要求也越来越高。研究物体振动主要有两种方法：一种是利用传感器接收到的信号来进行对物体振动特性的研究；另一种是利用光学干涉的方法。1965年由Powell等人所提出的利用连续时间曝光的全息术是目前一种研究物体振动测量的常用方法，被广泛应用于机械振动等的分析中。但是该方法对介质和装置的稳定性要求高，装置复杂。激光扫频测振仪被用于扫描测量乐器表面多个点的振动情况，来分析材料等因素对鼓振动发声的影响。但是这种方法测量速度相对较慢。国内对振动测量也有深入的研究，四川大学利用高帧频相机和结构光三维传感技术对鼓膜振动进行了研究，实现了对振动过程的动态分析。之后又利用普通CCD相机采集通过光栅投影到薄膜表面的变形正弦条纹，称之为时间平均条纹，只需要获得一幅变形条纹图，便可以对薄膜振动进行定性分析。这种方法获取数据的速度快，并且装置简单，但是实验仅在低频(0～300Hz)范围内进行。近年来，基于点衍射干涉的三坐标测量系统由于其便携性和实时性，被广泛应用于实现高精度的空间三维坐标的测量。光纤点衍射干涉系统是通过光纤出射端产生的点衍射波前作为高精度球面波前，一部分由被测面反射作为检测波前，另一部分作为参考波前，两者经透镜成像发生干涉，由CCD探测器接收干涉条纹，通过分析干涉条纹计算被测面的误差。但是现有的基于点衍射干涉的三坐标测量系统只能用于测量固定物体的空间三维坐标，无法实现测量物体的振动情况。
公开号CN108801438A的发明申请公开了一种振动信号测量装置，所述梁的静电激励振动装置由交流信号源、静电驱动极板、底板、悬臂梁、侧板、声波、开关和导线组成；所述光电探测器信号探测装置由支撑圆环块、衍射光栅、衍射光、入射光、衍射级、衬底、光电探测器和导电薄膜组成；悬臂梁在交流信号激励作用下产生受迫振动；振动时会产生声波，声波薄膜振动，利用衍射光与反射光发生干涉效应，检测梁的振动。
上述测量装置对周围环境的要求较高，容易被其他声波干扰，导致测量的精准度欠佳，不利于振动的有效测量。
发明内容
针对现有的基于点衍射的空间三维坐标测量系统难以实现对物体振动情况的测量，且其他现有测量系统功能较弱，对周围环境要求高，精确度较差的问题，本发明提供了一种用于物体振动测量的点衍射干涉装置及方法，通过将被测物体与测量模块固定，采集振动过程中各个瞬态位置的干涉图并分析，最终实现对物体振动过程的测量。
以下是本发明的技术方案。
一种用于物体振动测量的点衍射干涉装置，包括：光源，发射初始光至光路处理模块；光路处理模块，将初始光转换为若干束出射光并入射至测量模块；测量模块，连接被测物体，采集入射光产生的干涉图并处理。本方案将测量模块与被测物体连接，通过测量模块内干涉图的分析，能够实现间接测量被测物的振动，且精准度较高。
作为优选，所述光源包括单纵模激光器；所述光路处理模块包括偏振片、二分之一波片、偏振分光棱镜、四分之一波片Ⅰ、光纤耦合器Ⅰ、亚微米孔径光纤Ⅰ、四分之一波片Ⅱ、反射镜、四分之一波片Ⅲ、光纤耦合器Ⅱ及亚微米孔径光纤Ⅱ；所述测量模块包括测量探头、偏振数字相机及计算机；所述单纵模激光器发出的光经偏振片和二分之一波片射入偏振分光棱镜，入射光被分为透射光p和反射光s，透射光p经四分之一波片Ⅲ被光纤耦合器Ⅱ耦合入亚微米孔径光纤Ⅱ，反射光s经四分之一波片Ⅱ到达反射镜后被反射回来，再经四分之一波片Ⅰ被光纤耦合器Ⅰ耦合入亚微米孔径光纤Ⅰ，所述亚微米孔径光纤Ⅰ的出射端与亚微米孔径光纤Ⅱ的出射端与测量探头相连接，所述被测物体与测量探头无相对位移的机械连接，所述偏振数字相机与计算机电连接。通过上述结构，将激光分为两束不同的圆偏振光，经光纤耦合器Ⅱ和光纤耦合器Ⅰ分别在亚微米孔径光纤Ⅱ和亚微米孔径光纤Ⅰ出射端产生点衍射波前W2和W1，最后由偏振数字相机采集干涉图。被测物的振动带动测量探头，因此干涉图的变化也代表了被测物的位置变化。
作为优选，所述亚微米孔径光纤Ⅰ的出射端以及亚微米孔径光纤Ⅱ的出射端为使用抛光技术加工的圆锥形，圆锥形高度为10μm，出光口的孔径为0.5μm。
作为优选，所述亚微米孔径光纤Ⅰ的出射端与亚微米孔径光纤Ⅱ的出射端平行设置。
作为优选，所述四分之一波片Ⅲ和四分之一波片Ⅰ的快轴方向与X轴呈45°夹角。
作为优选，所述偏振数字相机设有前置偏振片阵列。两束圆偏振光经偏振数字相机前置的偏振片阵列后发生干涉，并随着偏振片透光轴方向旋转，干涉条纹相位随之改变，偏振片透光轴每旋转45°，对应干涉条纹相位变化为90°，类推得到瞬态四步移相的干涉图。
本方案还包括一种用于物体振动测量的点衍射干涉方法，用于上述装置，包括以下步骤：
S01：单纵模激光器发出的激光经光路处理模块后射入测量模块；
S02：入射光经偏振数字相机前置的偏振片阵列后发生干涉；
S03：记录四步移相干涉图及各瞬态位置的干涉图；
S04：根据干涉图对不同瞬态位置空间三维坐标值进行分析，测量出物体振动过程。
作为优选，所述步骤S01的具体过程包括：单纵模激光器发出的光经偏振片和二分之一波片射入偏振分光棱镜，入射光被分为透射光p和反射光s，透射光p经四分之一波片Ⅲ被光纤耦合器Ⅱ耦合入亚微米孔径光纤Ⅱ，反射光s经四分之一波片Ⅱ到达反射镜后被反射回来，再经四分之一波片Ⅰ被光纤耦合器Ⅰ耦合入亚微米孔径光纤Ⅰ，最终出射两束旋向相反的圆偏振光。
作为优选，步骤S04包括：根据干涉图并利用四步移相算法解调出干涉场中获得各个像素点对应的相位信息，根据相位与测量探头空间坐标的对应关系建立数学模型，利用迭代算法求解出空间三维坐标，对被测物体振动过程中取得多个瞬态位置的干涉图，分别得到其空间三维坐标，用于分析物体的振动特性。
作为优选，所述单纵模激光器发出的激光波长为532nm。
本发明的实质性效果包括：通过将被测物体与测量探头固定，并利用偏振数字相机来采集振动过程中各个瞬态位置的干涉图，通过对解得的各个瞬态位置的空间三维坐标进行分析，实现了对物体振动的测量，提高了装置的抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的测量模型示意图；
图中包括：1-单纵模激光器、2-偏振片、3-二分之一波片、4-偏振分光棱镜、5-四分之一波片Ⅰ、6-光纤耦合器Ⅰ、7-亚微米孔径光纤Ⅰ、8-四分之一波片Ⅱ、9-反射镜、10-四分之一波片Ⅲ、11-光纤耦合器Ⅱ、12-亚微米孔径光纤Ⅱ、13-测量探头、14-被测物体、15-偏振数字相机、16-计算机。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本技术方案作进一步阐述。
如图1所示为一种用于物体振动测量的点衍射干涉装置，包括单纵模激光器1、偏振片2、二分之一波片3、偏振分光棱镜4、四分之一波片Ⅰ5、光纤耦合器Ⅰ6、亚微米孔径光纤Ⅰ7、四分之一波片Ⅱ8、反射镜9、四分之一波片Ⅲ10、光纤耦合器Ⅱ11、亚微米孔径光纤Ⅱ12、测量探头13、被测物体14、偏振数字相机15及计算机16。图1中带箭头的粗线表示光线，不带箭头的细线表示电路连接。单纵模激光器1为单纵模偏振激光器，其发出激光的波长为532nm。四分之一波片Ⅰ5和四分之一波片Ⅲ10的快轴方向都与x轴成45°夹角。偏振数字相机15受机械振动影响小。被测物体14被固定在测量探头13上，两者无相对位移的一同振动。亚微米孔径光纤Ⅰ7和亚微米孔径光纤Ⅱ12出射端利用抛光技术将其加工为圆锥形，圆锥高度为10μm，出光口的孔径为0.5μm。亚微米孔径光纤Ⅰ7和亚微米孔径光纤Ⅱ12出射端被共线加工在测量探头13上，两者距离D为125μm。偏振数字相机15和计算机16电连接。
本实施例还包括一种用于物体振动测量的点衍射干涉方法，具体过程为：单纵模激光器1发出波长532nm的激光，由偏振分光棱镜4分为两束，p偏振光和s偏振光经快轴方向与X轴呈45°夹角的四分之一波片Ⅲ10和四分之一波片Ⅰ5变为两个旋向相反的圆偏振光，经光纤耦合器Ⅱ11和光纤耦合器Ⅰ6分别在亚微米孔径光纤Ⅱ12和亚微米孔径光纤Ⅰ7出射端产生点衍射波前W2和W1。两个旋向相反的圆偏振光经偏振数字相机15前置的偏振片阵列后发生干涉，并随着偏振片透光轴方向旋转，干涉条纹相位随之改变，偏振片透光轴每旋转45°，对应干涉条纹相位变化为90°，类推得到四步移相的干涉图；瞬态位置的干涉条纹图由偏振数字相机15采集，偏振数字相机15的分辨率为2448×2048，像素大小为3.45μm；利用四步移相算法得到偏振数字相机15上各点对应的相位分布；根据干涉场的相位分布建立数学模型，利用迭代算法求解测量探头13三维坐标值；被测物体14被固定在测量探头13，被测物体14与测量探头13一起无相对位移的振动，通过偏振数字相机15采集振动过程中各个瞬态位置的干涉相位图，对不同瞬态位置空间三维坐标值的分析，实现对物体振动过程的测量。
用于物体振动测量的偏振型点衍射干涉装置的测量模型如图2所示。通过干涉相位差矩阵和亚微米孔径光纤Ⅰ7和亚微米孔径光纤Ⅱ12出射端的光程差的对应关系，建立了以偏振数字相机15为坐标原点的空间坐标系。亚微米孔径光纤Ⅰ7出射端的空间坐标为(x1，y1，z1)，亚微米孔径光纤Ⅱ12出射端的空间坐标为(x2，y2，z2)，两者的距离为S，任意像素点P(x，y，z)到亚微米孔径光纤Ⅰ7和亚微米孔径光纤Ⅱ12出射端的光程可以表示为
利用四步移相算法解调出干涉场中任意像素点P(x，y，z)对应的相位差(x，y，z)可以表示为
因为P(x，y，z)的相位分布与亚微米孔径光纤Ⅰ7出射端的空间坐标(x1，y1，z1)、亚微米孔径光纤Ⅱ12出射端的空间坐标(x2，y2，z2)有着对应关系，所以可以得到相位差的非线性方程f(Ω)，
其中为偏振数字相机15中心O的相位差，为偏振数字相机15上任意一点的相位差，δ为测量探头13中心O'的相位差。至少取6个点构成超定方程F(Ω)，
通过最小二乘法得到Ω，通过求解方程ψ(Ω)全局最优解得到空间坐标Ω，利用数值迭代重构算法求解目标方程，从而得到测量探头13的三维坐标值。
本实施例偏振数字相机15采集振动过程各个瞬态位置的干涉图。计算机分析处理干涉图并利用四步移相算法解调出干涉场中获得各个像素点对应的相位信息，根据相位与测量探头13空间坐标的对应关系建立数学模型，利用迭代算法求解出空间三维坐标。对被测物体振动过程中取得多个瞬态位置的干涉图，分别得到其空间三维坐标，实现对物体振动过程的测量。
应当说明的是，该具体实施例仅用于对技术方案的进一步阐述，不用于限定该技术方案的范围，任何基于此技术方案的修改、等同替换和改进等都应视为在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于物体振动测量的点衍射干涉装置，其特征在于，包括：
光源，发射初始光至光路处理模块；
光路处理模块，将初始光转换为若干束出射光并入射至测量模块；
测量模块，连接被测物体(14)，采集入射光产生的干涉图并处理。
2.根据权利要求1所述的一种用于物体振动测量的点衍射干涉装置，其特征在于，所述光源包括单纵模激光器(1)；所述光路处理模块包括偏振片(2)、二分之一波片(3)、偏振分光棱镜(4)、四分之一波片Ⅰ(5)、光纤耦合器Ⅰ(6)、亚微米孔径光纤Ⅰ(7)、四分之一波片Ⅱ(8)、反射镜(9)、四分之一波片Ⅲ(10)、光纤耦合器Ⅱ(11)及亚微米孔径光纤Ⅱ(12)；所述测量模块包括测量探头(13)、偏振数字相机(15)及计算机(16)；所述单纵模激光器(1)发出的光经偏振片(2)和二分之一波片(3)射入偏振分光棱镜(4)，入射光被分为透射光p和反射光s，透射光p经四分之一波片Ⅲ(10)被光纤耦合器Ⅱ(11)耦合入亚微米孔径光纤Ⅱ(12)，反射光s经四分之一波片Ⅱ(8)到达反射镜(9)后被反射回来，再经四分之一波片Ⅰ(5)被光纤耦合器Ⅰ(6)耦合入亚微米孔径光纤Ⅰ(7)，所述亚微米孔径光纤Ⅰ(7)的出射端与亚微米孔径光纤Ⅱ(12)的出射端与测量探头(13)相连接，所述被测物体(14)与测量探头(13)无相对位移的机械连接，所述偏振数字相机(15)与计算机(16)电连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于物体振动测量的点衍射干涉装置，其特征在于，所述亚微米孔径光纤Ⅰ(7)的出射端以及亚微米孔径光纤Ⅱ(12)的出射端为使用抛光技术加工的圆锥形，圆锥形高度为10μm，出光口的孔径为0.5μm。
4.根据权利要求2或3所述的一种用于物体振动测量的点衍射干涉装置，其特征在于，所述亚微米孔径光纤Ⅰ(7)的出射端与亚微米孔径光纤Ⅱ(12)的出射端平行设置。
5.根据权利要求2所述的一种用于物体振动测量的点衍射干涉装置，其特征在于，所述四分之一波片Ⅲ(10)和四分之一波片Ⅰ(5)的快轴方向与X轴呈45°夹角。
6.根据权利要求2所述的一种用于物体振动测量的点衍射干涉装置，其特征在于，所述偏振数字相机(15)设有前置偏振片阵列。
7.一种用于物体振动测量的点衍射干涉方法，用于权利要求1所述的一种用于物体振动测量的点衍射干涉装置，其特征在于，包括以下步骤：
S01：单纵模激光器(1)发出的激光经光路处理模块后射入测量模块；
S02：入射光经偏振数字相机(15)前置的偏振片阵列后发生干涉；
S03：记录四步移相干涉图及各瞬态位置的干涉图；
S04：根据干涉图对不同瞬态位置空间三维坐标值进行分析，测量出物体振动过程。
8.根据权利要求7所述的一种用于物体振动测量的点衍射干涉方法，其特征在于，所述步骤S01的具体过程包括：单纵模激光器(1)发出的光经偏振片(2)和二分之一波片(3)射入偏振分光棱镜(4)，入射光被分为透射光p和反射光s，透射光p经四分之一波片Ⅲ(10)被光纤耦合器Ⅱ(11)耦合入亚微米孔径光纤Ⅱ(12)，反射光s经四分之一波片Ⅱ(8)到达反射镜(9)后被反射回来，再经四分之一波片Ⅰ(5)被光纤耦合器Ⅰ(6)耦合入亚微米孔径光纤Ⅰ(7)，最终出射两束旋向相反的圆偏振光。
9.根据权利要求7所述的一种用于物体振动测量的点衍射干涉方法，其特征在于，步骤S04包括：根据干涉图并利用四步移相算法解调出干涉场中获得各个像素点对应的相位信息，根据相位与测量探头(13)空间坐标的对应关系建立数学模型，利用迭代算法求解出空间三维坐标，对被测物体振动过程中取得多个瞬态位置的干涉图，分别得到其空间三维坐标，用于分析物体的振动特性。
10.根据权利要求7所述的一种用于物体振动测量的点衍射干涉方法，其特征在于，所述单纵模激光器(1)发出的激光波长为532nm。
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