[發明專利]三維形貌測量光纖干涉投射條紋的相位穩定度測量方法

無效

• 申請號: 201410219287.7
• 申請日: 2014-05-22
• 公開（公告）號: CN103983210A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（設計）人: 段發階;伯恩;呂昌榮;馮帆;傅驍;梁春疆
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 溫國林

技術領域

本發明涉及三維形貌測量領域，尤其涉及一種三維形貌測量光纖干涉投射條紋的相位穩定度測量方法。

背景技術

與傳統的二維圖像信息相比，物體的三維信息能夠更全面、真實地反映客觀物體，為人們提供更多的信息量。三維形貌測量技術是一種先進的精密測量技術，在質量控制、逆向工程、身份認證、病理診斷、文物測量、文化影視等領域占有重要的地位。光纖具有測量精度高、抗電磁干擾能力強等特點，成為目前物體表面三維形貌檢測的首選材料之一。

傳統條紋投射方式采用光柵投影并結合機械平移裝置實現相移，但條紋密度與相移精度都相對較低；采用數字投影儀投射條紋，但條紋密度受投影儀分辨率限制，且電壓和亮度的非線性關系引入系統誤差。

發明內容

本發明提供了一種三維形貌測量光纖干涉投射條紋的相位穩定度測量方法，本發明基于正弦相位調制原理，采用光纖干涉條紋投射方法獲取條紋圖像，在穩定條紋相位的基礎上，提出一種相位穩定度測量方法，詳見下文描述：

一種三維形貌測量光纖干涉投射條紋的相位穩定度測量方法，所述方法包括以下步驟：

(1)對調制壓電陶瓷施加正弦調制信號M(t)；光電探測器接收邁克爾遜干涉信號S(t)，并按貝塞爾函數展開；

(2)邁克爾遜干涉信號S(t)經過中心頻率為ω的帶通濾波器，提取一次諧波分量；

(3)一次諧波分量與正弦相位調制信號在乘法器中實現乘法運算，經低通濾波器得到包含2α₀+2δ(t)的正弦分量H₁(t)；

(4)正弦分量H₁(t)通過峰值檢測器，在除法器中通過除法運算來消除峰值影響，又經反正弦運算器求解相位；令相位—電壓轉換器的轉換系數為κ_P-V，生成補償信號V_C(t)；

(5)補償信號V_C(t)作用于補償壓電陶瓷驅動器，通過改變第二光纖臂的長度，繼而改變光程差來補償環境因素引起的條紋相位漂移；

(6)正弦相位調制信號作用于調制壓電陶瓷驅動器，實現干涉條紋的正弦相位調制；

(7)連續采集邁克爾遜干涉信號的頻譜圖，邁克爾遜干涉信號S(t)經過中心頻率為2ω的帶通濾波器，提取二次諧波分量；通過一、二次諧波幅值比獲取條紋相位穩定度。

所述補償信號V_C(t)具體為：

V_C(t)＝-κ_P-Varcsin[H₁(t)/|H₁(t)|]。

所述一、二次諧波幅值比具體為：

F(α,z)＝tan[2α₀+2δ(t)]·J₁(z)/J₂(z)

其中，J_n(z)是以z為變量的n階第一類貝塞爾函數。

本發明提供的技術方案的有益效果是：本發明采用光纖干涉條紋投射方法進行高精度三維形貌測量，對條紋相位穩定度提出更高要求。為克服現有投射條紋受環境因素影響而產生相位漂移的不足，通過引入相位反饋控制系統來消除條紋相位漂移，運用干涉信號中一、二次諧波幅值差來快速計算條紋相位穩定度。該相位提取過程精簡，相位提取精度高，補償實時性好。

附圖說明

圖1為三維形貌測量光纖干涉投射條紋的相位穩定度測量的原理圖；

圖2為相位反饋控制系統構成示意圖；

圖3為相位穩定后的邁克爾遜干涉信號頻譜圖；

圖4為條紋相位波動圖。

圖1中，1為激光器，2為耦合透鏡，3為2×2型3dB光纖耦合器，4為補償壓電陶瓷，5為調制壓電陶瓷，6為光纖夾，7為光屏或被測物體表面，8為補償壓電陶瓷驅動器，9為調制壓電陶瓷驅動器，10為面陣CCD相機，11為光電探測器，12為相位反饋控制系統，13為正弦相位調制信號，14為圖像采集時序控制器，15為上位機，a為第一光纖臂，b為第二光纖臂，c為第三光纖臂，d為第四光纖臂。

圖2中，16為帶通濾波器，其中心頻率為正弦相位調制頻率，17為乘法器，18為低通濾波器，19為峰值檢測器，20為除法器，21為反正弦運算器，22為相位—電壓轉換器。