CN110160443A - 一种用于瞬态三坐标测量的光纤点衍射干涉装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于瞬态三坐标测量的光纤点衍射干涉装置，包括：光源，提供初始的入射光至光路调整模块；光路调整模块，将入射光分为若干束偏振光射出；数字偏振相机，接收出射光并采集所需干涉图像；计算机，与数字偏振相机连接，处理图像信息。本发明的实质性效果包括：采用偏振数字相机采集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得到的旋向相反的圆偏振光，两个旋向相反的偏振光经偏振数字相机前置的偏振片阵列后发生干涉，随着偏振片的透光轴方向旋转，干涉条纹相位也随之改变，无需PZT来实现微位移，降低了检测系统元件的复杂程度，提高了点衍射干涉系统的抗干扰能力。

Description

一种用于瞬态三坐标测量的光纤点衍射干涉装置及方法

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瞬态三坐标测量的光纤点衍射干涉装置及方法。

背景技术

随着工业测量需求的不断增长，对三维绝对位移测量系统的测量精度和测量速度要求也越来越高。基于点衍射干涉的三维坐标测量系统，由于其便携性和实时性等特点为实现无导轨三坐标测量提供了一种可行的方法。点衍射干涉仪中的一种常见结构是光纤点衍射干涉系统，其中单模光纤出射端产生的高精度点衍射波前一部分由被测面反射后，返回到单模光纤出射端，再经过一次反射称为检测波前与参考波前经透镜成像后发生干涉，产生的干涉条纹由CCD探测器接收，通过分析干涉图计算得到待测面的误差。近年来点衍射干涉技术快速发展，提出了多光纤点衍射干涉仪。一根光纤产生的点衍射波前经待测物体反射成为检测波前，另一根光纤产生的点衍射波前作为参考波前，两者发生干涉，产生的干涉条纹被CCD探测器所接收。通过由计算机控制的压电陶瓷(PZT)得到微小位移，使得与PZT连接的反射镜也响应发生微位移，再利用多步移相算法得到相位差矩阵。最后利用迭代算法对相位矩阵对应的数学模型进行求解，便获得探头的三维绝对位移量。多光纤点衍射干涉仪的优点是可以耦合不用性质的光束，并且可以方便地调节条纹对比度。

授权公告号CN104390603B的发明公开了一种微球面型短相干点衍射干涉测量系统及测量方法。该发明装置包括短相干激光器、第一λ/2波片、直角反射镜、偏振分光棱镜、第一角锥棱镜、第一平面镜、第二角锥棱镜、PZT移相器、延迟平台、第二λ/2波片、光纤耦合镜、单模保偏光纤、会聚透镜、针孔镜、第一准直透镜、λ/4波片、显微物镜、第二平面镜、第二准直透镜、偏振片、面阵CCD和计算机；方法采用λ/4波片结合偏振片的光路结构，对干涉场内的光束进行选择，降低其中的直流分量，提高干涉条纹的对比度，实现对比度的优化可调。

现有技术多光纤点衍射干涉仪采用PZT来实现相移，但是PZT响应频率有限，一般在1kHz以下。因此要实现多步相移需要一个相对较长的时间间隔，无法实现瞬态位置三坐标的测量，只能测量固定点三维坐标值。

发明内容

针对现有技术无法实现瞬态位置三坐标的测量的问题，本发明提供了一种用于瞬态三坐标测量的光纤点衍射干涉装置及方法，将偏振数字相机与点衍射干涉相结合，省去了PZT移相器，以实现对瞬态三维坐标的测量。

以下是本发明的技术方案。

一种用于瞬态三坐标测量的光纤点衍射干涉装置，包括：光源，提供初始的入射光至光路调整模块；光路调整模块，将入射光分为若干束偏振光射出；数字偏振相机，接收出射光并采集所需干涉图像；计算机，与数字偏振相机连接，处理图像信息。通过数字偏振相机，省去了PZT移相器，实现瞬态三维坐标的测量。

作为优选，所述光路调整模块包括：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、亚微米孔径光纤Ⅱ以及测量探头；位置关系为：入射光通过偏振片和二分之一波片射入偏振分光棱镜，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耦合进入亚微米孔径光纤Ⅱ，反射光s经过四分之一波片Ⅱ被反射镜反射回来，再经四分之一波片Ⅰ被光纤耦合器Ⅰ耦合进入亚微米孔径光纤Ⅰ，亚微米孔径光纤Ⅰ以及亚微米孔径光纤Ⅱ出射端连接测量探头。

作为优选，所述四分之一波片Ⅰ和四分之一波片Ⅲ快轴方向与X轴呈45°夹角。其中p偏振光和s偏振光经四分之一波片变为两个旋向相反的圆偏振光。

作为优选，所述光源为单纵模激光器。

作为优选，所述亚微米孔径光纤Ⅰ和亚微米孔径光纤Ⅱ出射端为锥形结构，圆锥高度为10μm，两根亚微米孔径光纤加工在测量探头并保证出射端共线。

还包括用于上述装置的一种用于瞬态三坐标测量的光纤点衍射干涉方法，包括以下步骤：S01：光源发出入射光经光路调整模块入射至数字偏振相机；S02：数字偏振相机采集所需干涉图像；S03：计算机根据图像信息进行计算处理，得到所需空间三维坐标。通过数字偏振相机采集的图像，由计算机处理得到所需数据。

作为优选，所述步骤S01具体过程包括：单纵模激光器发出的激光通过调节偏振片和二分之一波片获得线偏振光，再由偏振分光棱镜分成透射光p和反射光s，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Ⅲ和四分之一波片Ⅰ变为两个旋向相反的圆偏振光，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出射端测量探头处产生点衍射波前W2和W1。

作为优选，所述步骤S02具体过程包括：两个旋向相反的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，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采集。其中偏振片透光轴每旋转45°，对应干涉条纹相位变化为90°，类推能够得到四步移相的干涉图。

作为优选，所述步骤S03具体过程包括：利用四步移相算法处理偏振数字相机采集到的干涉图并获得各个像素点对应的相位信息，建立数学模型，利用迭代算法解出测量探头的空间三维坐标。

本发明的实质性效果包括：采用偏振数字相机采集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得到的旋向相反的圆偏振光，两个旋向相反的偏振光经偏振数字相机前置的偏振片阵列后发生干涉，随着偏振片的透光轴方向旋转，干涉条纹相位也随之改变，无需PZT来实现微位移，降低了检测系统元件的复杂程度，提高了点衍射干涉系统的抗干扰能力。

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：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-偏振数字相机、15-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。

实施例：

如图1所示，一种用于瞬态三坐标测量的光纤点衍射干涉装置，它包括单纵模激光器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、偏振数字相机14和计算机15。图1中带箭头的线表示光线，不带箭头的线表示电路连接。单纵模激光器1的波长大小为532nm。四分之一波片Ⅰ5和四分之一波片Ⅱ8的快轴方向与X轴呈45°夹角。偏振数字相机14受机械振动影响小。测量探头13连接有亚微米孔径光纤Ⅰ7和亚微米孔径光纤Ⅱ12。亚微米孔径光纤Ⅰ7与测量探头13连接部为出射端，另一端连接有光纤耦合器Ⅰ6；亚微米孔径光纤Ⅰ7和亚微米孔径光纤Ⅱ12出射端为锥形结构，两根亚微米孔径光纤加工在测量探头13并保证出射端共线。偏振数字相机14电连接计算机15。

还包括一种用于瞬态三坐标测量的点衍射干涉方法，单纵模激光器1发出波长λ为532nm的激光通过调节偏振片2和二分之一波片3获得线偏振光，再由偏振分光棱镜4分成透射光p和反射光s，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14采集，偏振数字相机14的分辨率为2448×2048，像素大小为3.45μm；利用四步移相算法处理偏振数字相机14采集到的干涉图并获得各个像素点对应的相位信息，建立数学模型，利用迭代算法解出测量探头13的空间三维坐标。

通过上述光路结构后，其测量模型如图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14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

任意像素点P(x，y，z)对应的相位差可以表示为

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14中心O的相位差，为偏振数字相机14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。

本实施例所用的激光器的波长为532nm的单纵模激光器，由偏振数字相机14测量探头13采集瞬态的干涉样，得到相位分别差90°的四幅移相干涉条纹，计算机分析处理干涉图并获得各个像素点对应的相位信息示，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，利用智能优化算法求解出测量探头13空间三维坐标。

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 (9)

1.一种用于瞬态三坐标测量的光纤点衍射干涉装置，其特征在于，包括：

光源，提供初始的入射光至光路调整模块；

光路调整模块，将入射光分为若干束偏振光射出；

数字偏振相机(14)，接收出射光并采集所需干涉图像；

计算机(15)，与数字偏振相机(14)连接，处理图像信息。

2.根据权利要求1所述的一种用于瞬态三坐标测量的光纤点衍射干涉装置，其特征在于，所述光路调整模块包括：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)、亚微米孔径光纤Ⅱ(12)以及测量探头(13)；位置关系为：入射光通过偏振片(2)和二分之一波片(3)射入偏振分光棱镜(4)，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)耦合进入亚微米孔径光纤Ⅱ(12)，反射光s经过四分之一波片Ⅱ(8)被反射镜(9)反射回来，再经四分之一波片Ⅰ(5)被光纤耦合器Ⅰ(6)耦合进入亚微米孔径光纤Ⅰ(7)，亚微米孔径光纤Ⅰ(7)以及亚微米孔径光纤Ⅱ(12)出射端连接测量探头(13)。

3.根据权利要求2所述的一种用于瞬态三坐标测量的光纤点衍射干涉装置，其特征在于，所述四分之一波片Ⅰ(5)和四分之一波片Ⅲ(10)快轴方向与X轴呈45°夹角。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于瞬态三坐标测量的光纤点衍射干涉装置，其特征在于，所述光源为单纵模激光器(1)。

5.根据权利要求2所述的一种用于瞬态三坐标测量的光纤点衍射干涉装置，其特征在于，所述亚微米孔径光纤Ⅰ(7)和亚微米孔径光纤Ⅱ(12)出射端为锥形结构，圆锥高度为10μm，两根亚微米孔径光纤加工在测量探头(13)并保证出射端共线。

6.一种用于瞬态三坐标测量的光纤点衍射干涉方法，用于权利要求1所述的一种用于瞬态三坐标测量的光纤点衍射干涉装置，其特征在于，包括以下步骤：

S01：光源发出入射光经光路调整模块入射至数字偏振相机；

S02：数字偏振相机采集所需干涉图像；

S03：计算机根据图像信息进行计算处理，得到所需空间三维坐标。

7.根据权利要求6所述的一种用于瞬态三坐标测量的光纤点衍射干涉方法，其特征在于，所述步骤S01具体过程包括：单纵模激光器发出的激光通过调节偏振片和二分之一波片获得线偏振光，再由偏振分光棱镜分成透射光p和反射光s，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Ⅲ和四分之一波片Ⅰ变为两个旋向相反的圆偏振光，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出射端测量探头处产生点衍射波前W2和W1。

8.根据权利要求7所述的一种用于瞬态三坐标测量的光纤点衍射干涉方法，其特征在于，所述步骤S02具体过程包括：两个旋向相反的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，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采集。

9.根据权利要求8所述的一种用于瞬态三坐标测量的光纤点衍射干涉方法，其特征在于，所述步骤S03具体过程包括：利用四步移相算法处理偏振数字相机采集到的干涉图并获得各个像素点对应的相位信息，建立数学模型，利用迭代算法解出测量探头的空间三维坐标。