一种内调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种内调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统，激光器通过光隔离器后从a臂耦合到3dB耦合器中，经过分光后由两输出臂c，d输出，构成马赫-泽德干涉仪，并满足杨氏双孔干涉条件，在输出端产生干涉条纹；利用光纤端面的菲涅尔反射由臂b输出，光电探测器接收到的干涉信号S(t)通过反馈控制系统得到电流信号，并传输至加法器；加法器对电流信号、偏置信号和调制信号进行求和后反馈至激光器中，从而形成反馈回路；干涉条纹投射到被测物体表面得到干涉图像经过CCD相机采集后送入到上位机中，在上位机中进行正弦相位调制同步积分相位求解，最终通过相位信息求取物体表面三维形貌信息。本方法提高了测量精度。
【专利说明】一种内调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及三维形貌测量领域，特别涉及一种内调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统。
【背景技术】
[0002]三维曲面或三维形貌测量技术目前是精密测量中的先进技术，尤其是在自动检测和质量控制、CAD/CAM、逆向工程、机器视觉、医学诊断、服装设计以及自动导航等领域中占有重要的地位。其中，相位测量轮廓术(Phase Measuement Profilometry,简称PMP)采用正弦光栅投影和相移技术，具有并行处理能力，其基本思想就是通过有一定相位差的多幅条纹图来计算相位，再对应计算出物体的高度分布。在相位轮廓术动态测量中，傅里叶变换轮廓术是目前主要方法，但该方法测量精度较低不适宜高精度动态测量。
[0003]传统条纹投射方式有采用光栅投影并结合机械平移装置实现相移，这种方式条纹密度与相移精度都相对较低；采用数字投影仪(DLP)投射条纹，数字条纹图可由计算机生成，条纹密度受投影仪分辨率的限制，电压和亮度的非线性关系带来了系统误差。同时，光纤干涉臂相位差易受环境干扰，使得投射条纹相位波动，进而影响测量精度。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种内调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统，本发明提高了三维形貌测量的精度，实现实时的动态测量，详见下文描述:
[0005]一种内调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统，所述三维形貌测量系统包括:激光器，
[0006]所述激光器通过光隔离器后从a臂耦合到3dB耦合器中，经过分光后由两输出臂c，d输出，构成马赫-泽德干涉仪，并满足杨氏双孔干涉条件，在输出端产生干涉条纹；
[0007]利用光纤端面的菲涅尔反射由臂b输出，光电探测器接收到的干涉信号S(t)经带通滤波器后得到信号V1 (t)通过乘法器后与调制信号相乘后得到信号V2 (t)，通过低通滤波器后得到滤波信号U(X)，上位机根据滤波信号U(X)求取峰峰值信号；滤波信号和峰峰值信号输入至除法器后得到信号U’(X)，经电压电流转换器后得到电流信号，并传输至加法器；加法器对电流信号、偏置信号和调制信号进行求和后反馈至激光器中，从而形成反馈回路；
[0008]所述干涉条纹投射到被测物体表面得到干涉图像经过CXD相机采集后送入到所述上位机中，在所述上位机中进行正弦相位调制同步积分相位求解,最终通过相位信息求取物体表面三维形貌信息。
[0009]所述干涉信号S (t)为:
[0010]S (t) =A+Bcos [zcos ω t+ α (χ)]
[0011]其中A和B是干涉仪的背景光强系数和对比度系数，ζ为相位调制度系数，ω调制角频率，a (X)为干扰信息。[0012]所述信号％(0为:
[0013]V1 (t) =-B [sin α (χ) ] ^J1 (ζ) cos ω t]
[0014]其中，J1(Z)为第一类贝塞尔展开式。
[0015]所述信号^⑴为:
[0016]V2 (t) S-BGJ1 (z) [sin α (χ) ] (cos2 ω t+1)
[0017]其中G为调制信号幅值，所述滤波信号U(x)为:
[0018]U(X)=-BGJ1(Z)Iisina (χ)]
[0019]所述信号U’ (χ)为:
[0020]U，(x)=sina (χ)
[0021]本发明提供的技术方案的有益效果是:本发明针对实时测量要求及光纤干涉条纹投射的特点，在大调制度正弦相位调制同步积分的基础上，设计了一种带有反馈控制系统的新测量方法，实现高精度、实时三维形貌获取。本发明是一种双波长光纤干涉条纹投射方法，利用杨氏双孔干涉模 型、光纤波分复用技术、马赫-泽德非平衡干涉仪结构实现光纤干涉条纹投射，利用光纤端面菲涅尔反射干涉信号实现反馈控制系统的搭建。结构简单，易于实现。由于系统采用闭环结构 ，抗干扰能力强，并具有动态及实时测量的能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1示出本发明外调制光纤干涉条纹投射系统原理图；
[0023]图2示出本发明反馈控制系统示意图。
[0024]图1中，I为激光器，2为光隔离器，3为3dB耦合器，4为光电探测器，5为反馈控制系统，6为调制电流,7为偏置电流,8为加法器,9为(XD相机，10为上位机。
[0025]图2中，11为带通滤波器，12为乘法器，13为低通滤波器，14为峰峰值，15为除法器，16为电压电流转换器。
【具体实施方式】
[0026]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0027]为了提高三维形貌测量的精度，实现实时的动态测量，本发明实施例提供了一种内调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统，参见图1，详见下文描述:
[0028]第一部分为光纤干涉条纹投射系统，如图1所示。激光器I通过光隔离器2 (防止光纤端面反射光进入激光器I，起保护隔离作用)后从a臂耦合到3dB耦合器3中，经过分光后由两输出臂c，d输出，构成马赫-泽德干涉仪，并满足杨氏双孔干涉条件，从而在输出端产生干涉条纹。
[0029]第二部分为反馈控制系统，如图1所示。利用光纤端面的菲涅尔反射由臂b输出，再由光电探测器4(PD)接受后送入反馈控制系统中。如图2所示，在反馈控制系统中，光电探测器4接收到的干涉信号S(t)经带通滤波器11后得到信号V1 (t)通过乘法器12后与调制信号6相乘后得到信号V2 (t)，通过低通滤波器13后得到滤波信号U(X)，上位机10根据滤波信号U(X)求取峰峰值信号14 ;滤波信号U(X)和峰峰值信号输入至除法器15后得到信号U’ (χ)，经电压电流转换器16后得到电流信号，并传输至加法器8 ;加法器8对电流信号、偏置信号和调制信号进行求和后反馈至激光器I中，从而形成反馈回路，达到系统稳定的目的。
[0030]第三部分为图像采集部分，如图1所示。干涉条纹投射到被测物体表面得到干涉图像经过CXD相机9采集后送入到上位机10中，在上位机10中进行正弦相位调制同步积分相位求解,最终通过相位信息求取物体表面三维形貌信息。
[0031]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作详细描述。
[0032]在图1中，调制电流6、偏置电流7及反馈控制电流经过加法器8后注入到激光器I中，激光器I中发出的激光经过光隔离器2后，经由a臂将激光耦合入3dB耦合器3中，进而分束为c，d臂，由c，d臂光纤形成杨氏双孔干涉，在满足远场近轴条件时构成马赫-泽德干涉结构，在输出端产生干涉条纹。
[0033]两输出臂c，d端面的菲涅尔反射使得部分光束原路返回并在耦合器另一端b臂输出，从而构成迈克尔逊干涉结构。反射光注入到光电探测器4中，经由光电探测器4将光信号转化为电信号后送入到反馈控制系统5中。在忽略激光器功率变化时，干涉信号为:
[0034]S (t) =A+Bcos [zcos ω t+ α (χ)]
[0035]其中A和B是干涉仪的背景光强系数和对比度系数，ζ为相位调制度系数，ω调制角频率，a (x)为干扰信息。干涉信号可以改写为
[0036]S (t) =A+Bcos [zcos ω t+α (χ) ] =A+Bcos α (χ) [J0 (ζ) _2J2 (ζ) cos (2 ω t)+…]-Bsin α (χ) [2J\ (ζ) cos ω t_2J3 (ζ) cos (3 ω t)...]
[0037]其中，Jn(Z)为第一类贝塞尔展开式`。干涉信号经中心频率为ω的带通滤波器11后得到信号为
[0038]S1 (t) =-B [sin α (χ) ] [2^ (ζ) cos ω t]
[0039]该信号与调制信号经乘法器12相乘，再经过低通滤波器13后得到信号U (χ)，信号U(X)经峰峰值14后求取峰峰值，再经过除法器15除去峰峰值后得到信号U’ (χ)。此时信号U’ (χ)中只包含干扰信号α (χ)的信息，再经过电压电流转换后，将此信号反馈到加法器8中，最终达到反馈控制的目的。
[0040]干涉条纹投射到物体表面形成干涉图像被CCD相机9接收，并将采集到的干涉图像送到上位机10中。在上位机10中利用正弦相位调制同步积分算法对图像进行处理得到图像的相位信息，最终通过相位信息求解出物体表面三维形貌信息。
[0041]本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0042]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。
【权利要求】
1.一种内调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统，其特征在于，所述三维形貌测量系统包括:激光器， 所述激光器通过光隔离器后从a臂耦合到3dB耦合器中，经过分光后由两输出臂c，d输出，构成马赫-泽德干涉仪，并满足杨氏双孔干涉条件，在输出端产生干涉条纹； 利用光纤端面的菲涅尔反射由臂b输出，光电探测器接收到的干涉信号S(t)经带通滤波器后得到信号V1 (t)通过乘法器后与调制信号相乘后得到信号V2 (t)，通过低通滤波器后得到滤波信号U(X)，上位机根据滤波信号U(X)求取峰峰值信号；滤波信号和峰峰值信号输入至除法器后得到信号U’ (x)，经电压电流转换器后得到电流信号，并传输至加法器；加法器对电流信号、偏置信号和调制信号进行求和后反馈至激光器中，从而形成反馈回路； 所述干涉条纹投射到被测物体表面得到干涉图像经过CCD相机采集后送入到所述上位机中，在所述上位机中进行正弦相位调制同步积分相位求解,最终通过相位信息求取物体表面三维形貌信息。
2.根据权利要求1所述的一种内调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统，其特征在于，所述干涉信号S (t)为:
S (t)=A+Bcos[zcos ω t+ α (χ)] 其中A和B是干涉仪的背景光强系数和对比度系数，ζ为相位调制度系数，ω调制角频率，a (X)为干扰信息。
3.根据权利要求2所述的一种内调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统，其特征在于，所述信号V1U)为 :
V1 (t) =-B [sin α (χ) ] [2J\ (ζ) cos ω t] 其中，J1(Z)为第一类贝塞尔展开式。
4.根据权利要求3所述的一种内调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统，其特征在于，所述信号V2 (t)为:
V2 (t) 二-BGJi (z) [sin α (χ) ] (cos2 ω t+1) 其中，G为调制信号幅值。
5.根据权利要求4所述的一种内调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统，其特征在于，所述滤波信号U(X)为:
U (χ) =-BGJi (z) [sin α (χ)]。
6.根据权利要求2所述的一种内调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统，其特征在于，所述信号U’ (χ)为:
U，(χ) =sin α (χ)。
【文档编号】G01B11/25GK103528542SQ201310471029
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月8日 优先权日:2013年10月8日
【发明者】段发阶, 吕昌荣, 伯恩, 冯帆, 段晓杰, 张甫恺, 邓震宇 申请人:天津大学