专利名称：一种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法
技术领域：
本发明涉及相位轮廓测量领域，尤其涉及一种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法。
背景技术：
相位测量轮廓术是ー种重要的三维测量方法。这种方法通过获取全场条纹的空间信息重建物体表面的三維信息，具有较高的測量精度，也容易实现计算机辅助的自动测量，主要包括莫尔轮廓术、相移法和傅立叶变换法。莫尔轮廓术是用ー块基准光栅，来检测由被测轮廓面调制的像栅，通过分析莫尔 图样描绘出物体的等高线推算出被测物体的表面轮廓。该方法具有全场测量、装置简单等特点。相移法是向被测物体表面投射強度成正弦变化的光栅条纹移动，进而对得到的图像进行解调。傅立叶变换法与相移法相似，将光栅条纹投射到被测物体表面，通过求解条纹的相位场，根据相位与物体表面高度的关系得到物体的三维轮廓信息。不同的是傅立叶变换法解调相位信息时是通过对变形条纹图进行傅立叶变换等方法得到包裹相位图，再经相位去解包裹技术得到连续的相位分布图。发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足I)莫尔轮廓术受表面傾斜度和阴影等条件的限制使測量精度降低；2)相移法精确移动光栅需要増加系统复杂性与不稳定性；3)傅立叶变换法用一幅图像即可得到相位信息，但计算量大，容易产生泄漏、混频和栅栏效应产生误差。
发明内容
本发明提供了一种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法，本发明提高了測量精度、減少了计算量，避免了泄漏、混频和栅栏效应产生的误差，详见下文描述一种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法，所述方法包括以下步骤(I)构建光纤干涉条纹投射系统； (2)根据所述光纤干涉条纹投射系统获取条纹投射測量模型；(3)所述光纤干涉条纹投射系统根据所述条纹投射測量模型获取物体表面相位信息咖，タ)；(4)构建初始相位差及相位调制度系数的测量控制系统；(5)获取初始相位％及相位调制度系数k。所述光纤干涉条纹投射系统具体包括激光器、光隔离器、3dB耦合器、加法器、光电探测器、CCD采集相机、伺服反馈控制系统和上位机；所述激光器发出的激光经过所述光隔离器后通过输入臂耦合入所述3dB耦合器中，所述3dB耦合器分成2路传播，分别进入信号臂光纤和參考臂光纤；所述信号臂光纤和所述參考臂光纤的输出端产生干涉条纹信号；所述信号臂光纤和所述參考臂光纤端面的菲涅尔反射使得第一反射光束原路返 回并在输出臂输出，所述光电探测器检测所述第一反射光束并转换为第一电信号，将所述第一电信号送入到所述伺服反馈控制系统中；所述伺服反馈控制系统接收到所述第一电信号后通过相位生成载波调制得到所述信号臂光纤和所述參考臂光纤的相位差；所述伺服反馈控制系统通过所述加法器对所述激光器进行正弦相位调制；同时，利用所述CCD采集相机对所述干涉条纹信号进行采集，通过所述上位机对所述伺服反馈控制系统中寄存器进行设置，控制所述CCD采集相机曝光信号和相位调制信号之间的相位差，完成同步积分的过程。所述条纹投射測量模型具体为选取所述CCD采集相机的镜头光学中心作为原点，χ轴平行所述CCD采集相机的像素水平方向，y轴平行所述CCD采集相机的像素垂直方向，z轴沿所述CCD采集相机的光轴方向；所述信号臂光纤和所述參考臂光纤的投射中心位于P(L，O, O)，与原点相距为基线距离L ;所述投射中心所投射的条纹与y轴方向平行，条纹图上点S(x，y, z)上投射角度为β ;
权利要求
1.一种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤 (1)构建光纤干涉条纹投射系统； (2)根据所述光纤干涉条纹投射系统获取条纹投射測量模型； (3)所述光纤干涉条纹投射系统根据所述条纹投射測量模型获取物体表面相位信息φ(χ,ν); (4)构建初始相位差及相位调制度系数的测量控制系统； (5)获取初始相位％及相位调制度系数k。
2.根据权利要求I所述的ー种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法，其特征在于，所述光纤干涉条纹投射系统具体包括激光器、光隔离器、3dB耦合器、加法器、光电探测器、CCD采集相机、伺服反馈控制系统和上位机； 所述激光器发出的激光经过所述光隔离器后通过输入臂耦合入所述3dB耦合器中，所述3dB耦合器分成2路传播，分别进入信号臂光纤和參考臂光纤；所述信号臂光纤和所述參考臂光纤的输出端产生干涉条纹信号；所述信号臂光纤和所述參考臂光纤端面的菲涅尔反射使得第一反射光束原路返回并在输出臂输出，所述光电探测器检测所述第一反射光束并转换为第一电信号，将所述第一电信号送入到所述伺服反馈控制系统中；所述伺服反馈控制系统接收到所述第一电信号后通过相位生成载波调制得到所述信号臂光纤和所述參考臂光纤的相位差；所述伺服反馈控制系统通过所述加法器对所述激光器进行正弦相位调制；同时，利用所述CCD采集相机对所述干涉条纹信号进行采集，通过所述上位机对所述伺服反馈控制系统中寄存器进行设置，控制所述CCD采集相机曝光信号和相位调制信号之间的相位差，完成同步积分的过程。
3.根据权利要求I所述的ー种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法，其特征在于，所述条纹投射測量模型具体为 选取所述CCD采集相机的镜头光学中心作为原点，χ轴平行所述CCD采集相机的像素水平方向，y轴平行所述CCD采集相机的像素垂直方向，z轴沿所述CCD采集相机的光轴方向；所述信号臂光纤c和所述參考臂光纤d的投射中心位于P (L，O, O)，与原点相距为基线距离L ;所述投射中心所投射的条纹与y轴方向平行，条纹图上点S(x，y, z)上投射角度为β ; 其中，m和n分别为水平与垂直方向像素序号，h为镜头光学中心到像平面的距离，Q为常数。
4.根据权利要求2所述的ー种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法，其特征在于，所述初始相位差及相位调制度系数的测量控制系统具体包括激光器、光隔离器、3dB耦合器、加法器、光电探测器、伺服反馈控制系统、上位机、第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜； 所述激光器发出的激光经过所述光隔离器后通过输入臂耦合入所述3dB耦合器中，所述3dB耦合器分成2路传播，分别进入所述信号臂光纤和所述參考臂光纤；所述信号臂光纤和所述參考臂光纤的输出端经过所述第一法拉第旋转镜和所述第二法拉第旋转镜后，使得第二反射光束原路返回并在所述输出臂输出，所述光电探测器检测所述第二反射光束并转换为第二电信号，将所述第二电信号送入到所述伺服反馈控制系统中；所述伺服反馈控制系统接收到所述第二电信号后通过所述相位生成载波调制得到所述信号臂光纤和所述參考臂光纤的相位差；所述伺服反馈控制系统通过所述加法器对所述激光器进行正弦相位调制；在所述上位机中获取所述初始相位及所述相位调制度系数。
5.根据权利要求4所述的ー种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法，其特征在于，所述伺服反馈控制系统包括模数转换模块、FPGA解调模块和数模输出控制模块； 通过所述FPGA解调模块产生正弦信号经过所述数模输出控制模块和所述加法器后调制所述激光器；所述模数转换模块接收所述光电探測器转换的所述第二电信号后进行采样处理，将处理后所述第二电信号传输至所述FPGA解调模块进行全数字处理。
6.根据权利要求4所述的ー种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法，其特征在于，所述通过所述初始相位差及相位调制度系数的测量控制系统获取初始相位％及相位调制度系数k具体包括 所述光电探测器接受所述第二反射光束S (t)，通过对所述第二反射光束S (t)的处理后进行迭代，求出所述相位调制度系数k ;通过所述相位生成载波调制获取所述初始相位Ψ
全文摘要
本发明公开了一种光纤干涉条纹投射中初相位及调制度测量控制方法，涉及相位轮廓测量领域，构建光纤干涉条纹投射系统；根据所述光纤干涉条纹投射系统获取条纹投射测量模型；所述光纤干涉条纹投射系统根据所述条纹投射测量模型获取物体表面相位信息构建初始相位差及相位调制度系数的测量控制系统；获取初始相位及相位调制度系数k。本方法通过信号臂光纤和参考臂光纤端面菲涅尔反射，分析干涉信号优化相位调制度系数及测量初始相位，本方法结构简单，提高了测量精度，减少了计算量，避免了泄漏、混频和栅栏效应产生的误差。
文档编号G01B11/25GK102679909SQ201210143260
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月10日 优先权日2012年5月10日
发明者吕昌荣, 张甫恺, 张超, 段发阶, 段晓杰 申请人:天津大学