CN110779448B - 一种基于涡旋光的双干涉式高帧频采样微位移测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于涡旋光的双干涉式高帧频采样微位移测量方法，采用双声光外差干涉结构，在参考臂和测量臂中分别加入驱动频率不同的声光调制器，调整光束入射角度使其发生布拉格衍射，则一级衍射光干涉信号频率即为两声光调制器驱动频率差，因此可通过调整两驱动频率产生频差更小的干涉信号，降低对探测器“高速”的要求；由于声光调制器发生布拉格衍射后产生的零级和一级光束都进行干涉，则该系统可产生零差和外差两个干涉结果，可根据零差干涉图像作细微调节使外差干涉效果更好，使得一种基于涡旋光的双干涉式高帧频采样微位移测量方法及系统操作方便，精度更高。

Description

一种基于涡旋光的双干涉式高帧频采样微位移测量方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种基于涡旋光的双干涉式高帧频采样微位移测量方法。

背景技术

激光因单色性好、亮度高、方向性好，且具有很好的相干性，常被用于进行高精度的检测，包括速度、距离、角度等，其中激光测距由于测量非接触且操作方便而被广泛应用。激光测距有多种方式，可满足对微位移、大量程、高精度等不同发展方向的需求。近年来，随着精密加工领域的快速发展，对微位移的高精度测量需求变得更加迫切，微位移的精密测量研究具有重要意义。

干涉式激光测距系统可分为零差干涉式和外差干涉式，其中外差干涉法测量位移相比零差干涉法精度更高，因此也受到研究人员的广泛关注。外差干涉法一般通过多普勒效应计算移动物体的速度，进而得出物体移动距离。在外差干涉系统中主要利用双频激光器和声光调制器产生频差，但双频激光器只可产生固定的频差，声光调制器产生的频差在一定范围内由加载在器件上的信号频率决定，因此声光调制的外差干涉应用更广。

然而单声光调制器产生的频差较大，系统中的探测器采样频率会增大，这对系统硬件要求更高。若采用相机作为信号接收器，则相机拍摄帧频至少应大于外差干涉信号频率的2倍，这使相机可拍摄信号频率变小，导致系统频差过大时无法拍摄到有效的测量信息；此外，采用图像最大互相关系数法处理拍摄结果时，测量精度与拍摄帧频成正比，因此还需要在拍摄帧频一定的情况下尽可能减小待测信号的频率。此外，系统中的声光调制器增加了光路调整的复杂程度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于涡旋光的双干涉式高帧频采样微位移测量方法，可以降低外差干涉光束的频率，提高测量精度。

一种微位移测量方法，在迈克尔逊干涉仪的参考光路和信号光路中各加入一个声光调制器，所述测量方法包括：

步骤1、分别给两个声光调制器输入频率为f₁和f₂的驱动信号，使得参考光和信号光的1级衍射光分别产生f₁和f₂的频移；其中，f₁≠f₂；

步骤2、分别调整两个声光调制器的放置角度，使得入射的参考光和信号光通过声光调制器后均发生布拉格衍射，即生成0级光与1级衍射光；参考光和信号光原路返回后，两个声光调制器对接收的激光中的零级光进行再次衍射，生成0级与1级衍射光；连续接收参考光和信号光1级衍射光的干涉光，获得干涉图像；

步骤3、设被测物体运动产生的多普勒频差为Δν，则最终参考光和信号光的干涉信号的频率表达为Δf＝f₁-f₂-Δν；

步骤4、通过干涉图像确定干涉信号的频率，具体为：

取拍摄的第一张干涉图像作为参考图像，之后的每幅干涉图像分别与参考图像做互相关操作，读取互相关系数为1的第一张干涉图像与参考图像的时间差，即为干涉信号的变化周期k；

即为拍摄图像变化频率，即

步骤5、根据Δf＝f₁-f₂-Δν计算出运动物体产生的多普勒频移Δν，并根据

计算物体运动速度υ，其中λ₂为入射到运动物体的光的波长，设激光器输出光束波长为λ，则

c为真空中的光速；最后根据速度υ计算运动物体位移。

较佳的，采用的光源为平面涡旋光。

较佳的，所述平面涡旋光采用空间光调制器产生。

较佳的，在对干涉图像进行互相关操作之后，作互相关-时间曲线图，并对图像进行三次样条插值处理，以平滑图像。

较佳的，所述步骤4中，找到多个互相关系数为1的干涉图像，记录该图像与参考图像的时间差，以及互相关系数为1出现的次数，即出现周期个数，作周期个数-时间曲线图，并拟合该曲线的一次函数为y＝k′x+b，其中k′即为干涉信号的变化周期。

本发明具有如下有益效果：

本发明公开了一种基于涡旋光的双干涉式高帧频采样微位移测量方法，采用双声光外差干涉结构，在参考臂和测量臂中分别加入驱动频率不同的声光调制器，调整光束入射角度使其发生布拉格衍射，则一级衍射光干涉信号频率即为两声光调制器驱动频率差，因此可通过调整两驱动频率产生频差更小的干涉信号，降低对探测器“高速”的要求；由于声光调制器发生布拉格衍射后产生的零级和一级光束都进行干涉，则该系统可产生零差和外差两个干涉结果，可根据零差干涉图像作细微调节使外差干涉效果更好，使得一种基于涡旋光的双干涉式高帧频采样微位移测量方法及系统操作方便，精度更高。

采用涡旋光束作入射光源，两平面涡旋光干涉后会产生有两个叉状条纹的干涉图像，在使用图像最大互相关系数法处理时相比平面波干涉图像的竖直条纹区分度更高，从理论上来说，在保证采样帧频足够大的情况下，测得的频率精度更高。

附图说明

图1为本发明一种基于涡旋光的双干涉式高帧频采样微位移测量方法流程示意图；

图2为本发明一种基于涡旋光的双干涉式高帧频采样微位移测量系统原理示意图；

图3为使用平面光束产生的干涉图像；

图4为本发明采用涡旋光的干涉图像。

图中，1-激光器，2-偏振片，3-分光棱镜，4-空间光调制器，5-分光棱镜，6-第一声光调制器，7-第二声光调制器，8-反光镜，9-待测物体，10-孔径光阑，11-高速相机。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的一种基于涡旋光的双干涉式高帧频采样微位移测量系统，如图2所示，包括激光器1、偏振片2、第一分光棱镜3、空间光调制器4、第二分光棱镜5、第一声光调制器6、第二声光调制器7、第一反光镜8、待测物体9、孔径光阑10以及高速相机11；

其中，激光源1、第二分光棱镜5、反光镜8和待测物体9构成传统的迈克尔逊干涉仪：光源1发出的激光进入第二分光棱镜5后分成两束，一束作为参考光，经第一反光镜8原路返回；另一束作为信号光，经待测物体9反射后原路返回，再经过第二分光棱镜5的合束后，得到干涉图样。

本发明在上述统迈克尔逊干涉仪的基础上，参考光路中加入第一声光调制器6，在信号光路中加入第二声光调制器7；孔径光阑10用于屏蔽合束后两路激光的零级衍射光，而选择一级衍射光透过到高速相机11，以接收干涉图像。

如图1所示，本发明的方法过程具体如下：

步骤1、分别给第一声光调制器6和第二声光调制器7输入频率为f₁和f₂的驱动信号，使得参考光和信号光分别产生f₁和f₂的频移；(f₁和f₂的设定值在理论上没有限制，但两者频差需要在探测器接收范围)

步骤2、分别调整第一声光调制器6和第二声光调制器7的放置角度，使参考光和信号光通过声光调制器后均发生布拉格衍射，即生成0级光与1级衍射光；由于反光镜8和被测物体9的反射面垂直于所在光路的零级光，而1级光相对于零级光有一定角度，经反射后，零级光原路返回，而一级光无法返回声光调制器，则相当于舍弃两路1级衍射光；原向反射再次通过第一声光调制器6和第二声光调制器7产生布拉格衍射，形成新的0级光与1级衍射光，此时信号光的1级衍射光中携带被测物体9的位置信息，新的0级光与1级衍射光均通过分光棱镜5产生干涉，但参考光的0级光与信号光的0级光的干涉为直流干涉，输出图像不随时间变化；而两路1级光之间的干涉为交流干涉，输出图像随时间周期性变化。若被测物体9为运动物体，则1级光的干涉图像中不仅包含两声光调制器的频差，还包括被测物体9运动的多普勒频移，通过求解干涉条纹的变化周期可解调出被测物体9的运动速度，进而得到移动距离，因此在相机11前加一孔径光阑10，将0级光干涉图像滤掉，最终拍摄到的干涉图像仅为1级衍射光的干涉图像，最终图像经计算机处理，对连续拍摄的图像作图像最大互相关系数处理，得到干涉条纹的变化周期和运动物体运动时间，通过多普勒效应计算得出运动物体的位移。

步骤3、由于参考光和信号光从一个激光源1出射，则初始频率相同，经过两个声光调制器后，一级衍射光分别产生f₁和f₂的频移；设被测物体9运动产生的多普勒频差为Δν且物体运动方向与光束入射方向相同，则最终参考光和信号光的干涉信号的频率为Δf＝f₁-f₂-Δν。

步骤4、采用高速相机11连续拍摄变化的干涉图像，通过干涉图像求解出干涉信号的频率，具体为：

取拍摄的第一张作为参考图像，之后的每幅干涉图像分别与参考图像作对照，设第一幅干涉图的二维像素值灰度矩阵定义为X，剩下的干涉图二维像素值灰度矩阵分别定义为Y_i，根据图像处理计算X与Y_i的互信息值I(X；Y_i)，即互相关系数，作互相关-时间曲线图，将图像经三次样条插值处理，使图像更为平滑，读取互相关系数为1的干涉图像与参考图像的时间差，即为干涉信号的变化周期；为了获得更准确的变化周期，获得若干后续干涉图像与参考图像的互相关系数，找到互相关系数为1的干涉图像，记录该图像与参考图像的时间差，以及互相关系数为1出现的次数，即出现周期个数，作周期个数-时间曲线图，并拟合该曲线的一次函数为y＝kx+b，其中k为图像变化周期，

即为拍摄图像变化频率，即

步骤5、根据

以及Δf＝f₁-f₂-Δν计算出运动物体产生的多普勒频移，并根据

计算物体运动速度υ，其中λ₂为入射到运动物体的光的波长，设激光器输出光束波长为λ，则

c为真空中的光速。最后根据d＝υt计算可得运动物体位移。

本发明中，为了获得更分辨度更高的干涉图像，将激光源1产生的激光转换为平面涡旋光；激光器1选用波长为632.8nm的He-Ne激光器，该产生入射光经偏振片2变为偏振光，通过第一分光棱镜3并垂直入射到空间光调制器4的液晶面，空间光调制器为德国HOLOEYE公司生产的PLUTO反射式纯相位型，分辨率为1920×1080，有效面板尺寸为15.36mm×8.64mm，波长范围为400～700nm，衍射效率为60％～80％。它采用计算机上显示的256阶灰度图像(称为相息图)来控制施加到每个像素(液晶)上的电压，以控制光通过它后的相位改变量。通过计算机在液晶面上加载涡旋光的相息图，使波前受到调制，将平面光波变换成涡旋光束，产生的涡旋光经分光棱镜3反射后垂直入射到分光棱镜5。

如图3所示，使用平面光束产生的干涉图像为明暗相间的竖直条纹；如图4所示，使用平面涡旋光的干涉图像中有两个叉状条纹，因此在使用图像最大互相关系数法处理时相比平面波干涉图像的竖直条纹区分度更高，从理论上来说，在保证采样帧频足够大的情况下，测得的频率精度更高。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (5)

1.一种微位移测量方法，其特征在于，在迈克尔逊干涉仪的参考光路和信号光路中各加入一个声光调制器，所述测量方法包括：

步骤1、分别给两个声光调制器输入频率为f₁和f₂的驱动信号，使得参考光和信号光的1级衍射光分别产生f₁和f₂的频移；其中，f₁≠f₂；

步骤2、分别调整两个声光调制器的放置角度，使得入射的参考光和信号光通过声光调制器后均发生布拉格衍射，即生成0级光与1级衍射光；参考光和信号光原路返回后，两个声光调制器对接收的激光中的0级光进行再次衍射，生成0级与1级衍射光；连续接收参考光和信号光1级衍射光的干涉光，获得干涉图像；

步骤3、设被测物体运动产生的多普勒频移为Δν，则最终参考光和信号光的干涉信号的频率表达为Δf＝f₁-f₂-Δν；

步骤4、通过干涉图像确定干涉信号的频率，具体为：

取拍摄的第一张干涉图像作为参考图像，之后的每幅干涉图像分别与参考图像做互相关操作，读取互相关系数为1的第一张干涉图像与参考图像的时间差，即为干涉信号的变化周期k；

即为拍摄图像变化频率，即

；

步骤5、根据Δf＝f₁-f₂-Δν计算出运动物体产生的多普勒频移Δν，并根据

计算物体运动速度υ，其中λ₂为入射到运动物体的光的波长，设激光器输出光束波长为λ，则

c为真空中的光速；最后根据速度υ计算运动物体位移。

2.如权利要求1所述的一种微位移测量方法，其特征在于，采用的光源为平面涡旋光。

3.如权利要求2所述的一种微位移测量方法，其特征在于，所述平面涡旋光采用空间光调制器产生。

4.如权利要求1所述的一种微位移测量方法，其特征在于，在对干涉图像进行互相关操作之后，作互相关-时间曲线图，并对图像进行三次样条插值处理，以平滑图像。

5.如权利要求1所述的一种微位移测量方法，其特征在于，所述步骤4中，找到多个互相关系数为1的干涉图像，记录该图像与参考图像的时间差，以及互相关系数为1出现的次数，即出现周期个数，作周期个数-时间曲线图，并拟合该曲线的一次函数为y＝k′x+b，其中k′即为干涉信号的变化周期。

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