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    重庆时时彩老字号平台: 用于光纤干涉条纹投射三维形貌测量的条纹相位稳定方法.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201410219286.2

    申请日:

    2014.05.22

    公开号:

    CN103983209A

    公开日:

    2014.08.13

    当前法律状态:

    撤回

    有效性:

    无权

    法律详情: 发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):G01B 11/25申请公布日:20140813|||实质审查的生效IPC(主分类):G01B 11/25申请日:20140522|||公开
    IPC分类号: G01B11/25 主分类号: G01B11/25
    申请人: 天津大学
    发明人: 段发阶; 伯恩; 吕昌荣; 冯帆; 傅骁; 梁春疆
    地址: 300072 天津市南开区卫津路92号
    优先权:
    专利代理机构: 天津市北洋有限责任专利代理事务所 12201 代理人: 温国林
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201410219286.2

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2017.03.15|||2014.09.10|||2014.08.13

    法律状态类型:

    发明专利申请公布后的视为撤回|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种用于光纤干涉条纹投射三维形貌测量的条纹相位稳定方法,包括:平方运算器对正弦调制信号作平方运算,取交流分量作为二倍频载波,同时将正弦调制信号作为一倍频载波;迈克尔逊干涉信号经中心频率为ω的第一带通滤波器得一次谐波分量;经中心频率为2ω的第二带通滤波器得二次谐波分量:将载波与谐波分量在第一乘法器、第二乘法器中分别相乘,经第一低通滤波器和第二低通滤波器滤除载波,得到含有2α0+2δ(t)的两路信号;利用反正切运算器求解2α0+2δ(t),通过相位—电压转换器将相位2α0+2δ(t)转换成补偿信号;补偿信号与正弦相位调制信号在加法器中实现相加运算,通过压电陶瓷驱动器共同作用于测量臂压电陶瓷上,改变光纤中的光程差,实现对干涉条纹相位的稳定控制。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种用于光纤干涉条纹投射三维形貌测量的条纹相位稳定方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
    (1)对测量臂压电陶瓷施加正弦调制信号M(t),光电探测器接收迈克尔逊干涉信号S(t),并按贝塞尔函数展开;
    (2)在载波生成部分,平方运算器对正弦调制信号M(t)作平方运算,取交流分量作为二倍频载波G2(t),同时将正弦调制信号M(t)作为一倍频载波G1(t);
    (3)在检波部分,迈克尔逊干涉信号S(t)经中心频率为ω的第一带通滤波器得一次谐波分量H1(t);经中心频率为2ω的第二带通滤波器得二次谐波分量H2(t):
    (4)将载波G1(t)、G2(t)与谐波分量H1(t)、H2(t)在第一乘法器、第二乘法器中分别相乘,经第一低通滤波器和第二低通滤波器滤除载波,得到含有2α0+2δ(t)的两路信号V1(t)、V2(t);
    (5)在相位解调部分,利用反正切运算器求解2α0+2δ(t),通过相位—电压转换器将相位2α0+2δ(t)转换成补偿信号VC(t);
    (6)补偿信号VC(t)与正弦相位调制信号M(t)在加法器中实现相加运算,通过压电陶瓷驱动器共同作用于测量臂压电陶瓷上,改变光纤中的光程差,实现对干涉条纹相位的稳定控制。

    2.  根据权利要求1所述的一种用于光纤干涉条纹投射三维形貌测量的条纹相位稳定方法,其特征在于,所述补偿信号VC(t)具体为:
    VC(t)=-kP-V·arctan[V1(t)V2(t)]
    其中,V1(t)=[G1(t)·H1(t)]*hLPF1(t)=-aBJ1(z)sin[2α0+2δ(t)]V2(t)=[G2(t)·H2(t)]*hLPF2(t)=-(a2/2)BJ2(z)cos[2α0+2δ(t)]]]>
    hLPF1(t)、hLPF2(t)分别为第一低通滤波器、第二低通滤波器的响应函数;α0为第二光纤臂、第三光纤臂间的固有相差;δ(t)为环境因素引起的相位漂移;
    Jn(z)是以z为变量的n阶第一类贝塞尔函数;kP-V为相位—电压转换系数。

    说明书

    说明书用于光纤干涉条纹投射三维形貌测量的条纹相位稳定方法
    技术领域
    本发明涉及三维形貌测量领域,尤其涉及一种用于光纤干涉条纹投射三维形貌测量的条纹相位稳定方法。
    背景技术
    三维形貌测量技术是精密测量中的先进技术,在质量控制、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,是科学分析、工业控制、生物工程、生物医学以及材料科学等方面进行科学研究的重要手段。高精度的表面形貌干涉测量方法主要有光外差干涉法、相移干涉法、正弦相位调制干涉法等。光外差干涉系统结构较复杂,要求产生高精度频差;相移干涉法对移相精度要求高,容易受环境干扰;正弦相位调制干涉法具有相位调制简单、测量精度高、抗干扰能力强等优点,在表面形貌、位移、角度和振动测量中被广泛应用。
    此外,传统条纹投射方式采用光栅投影并结合机械平移装置实现相移,该方法数据处理简单,但条纹密度与相移精度都相对较低;采用数字投影仪投射条纹,可由计算机生成数字条纹图,但条纹密度受投影仪分辨率限制,且电压和亮度的非线性关系引入系统误差。
    发明内容
    本发明提供了一种用于光纤干涉条纹投射三维形貌测量的条纹相位稳定方法,本发明基于正弦相位调制原理,采用光纤干涉条纹投射方法获取条纹图像,增加相位稳定系统来提取并补偿环境因素引起的条纹相位漂移,详见下文描述:
    一种用于光纤干涉条纹投射三维形貌测量的条纹相位稳定方法,所述方法包括以下步骤:
    (1)对测量臂压电陶瓷施加正弦调制信号M(t),光电探测器接收迈克尔逊干涉信号S(t),并按贝塞尔函数展开;
    (2)在载波生成部分,平方运算器对正弦调制信号M(t)作平方运算,取交流分量作为二倍频载波G2(t),同时将正弦调制信号M(t)作为一倍频载波G1(t);
    (3)在检波部分,迈克尔逊干涉信号S(t)经中心频率为ω的第一带通滤波器得一次谐波分量H1(t);经中心频率为2ω的第二带通滤波器得二次谐波分量H2(t):
    (4)将载波G1(t)、G2(t)与谐波分量H1(t)、H2(t)在第一乘法器、第二乘法器中分别相乘,经第一低通滤波器和第二低通滤波器滤除载波,得到含有2α0+2δ(t)的两路信号V1(t)、V2(t);
    (5)在相位解调部分,利用反正切运算器求解2α0+2δ(t),通过相位—电压转换器将相位2α0+2δ(t)转换成补偿信号VC(t);
    (6)补偿信号VC(t)与正弦相位调制信号M(t)在加法器中实现相加运算,通过压电陶瓷驱动器共同作用于测量臂压电陶瓷上,改变光纤中的光程差,实现对干涉条纹相位的稳定控制。
    所述补偿信号VC(t)具体为:
    VC(t)=-kP-V?arctan[V1(t)V2(t)]
    其中,V1(t)=[G1(t)·H1(t)]*hLPF1(t)=-aBJ1(z)sin[2α0+2δ(t)]V2(t)=[G2(t)·H2(t)]*hLPF2(t)=-(a2/2)BJ2(z)cos[2α0+2δ(t)]]]>
    hLPF1(t)、hLPF2(t)分别为第一低通滤波器、第二低通滤波器的响应函数;α0为第二光纤臂、第三光纤臂间的固有相差;δ(t)为环境因素引起的相位漂移;Jn(z)是以z为变量的n阶第一类贝塞尔函数;kP-V为相位—电压转换系数。
    本发明提供的技术方案的有益效果是:本发明基于高精度三维形貌测量的要求和光纤干涉条纹投射图像相位易受环境因素影响的特点,引入相位稳定系统来测量并补偿环境因素引起的条纹图像相位漂移,获得相位稳定的干涉条纹图像,用于三维形貌测量。结构简单,实时性强,相位稳定精度高。
    附图说明
    图1为用于光纤干涉条纹投射三维形貌测量的条纹相位稳定原理图;
    图2为相位稳定系统构成示意图。
    图1中,1为激光器,2为耦合透镜,3为2×2型3dB光纤耦合器,4为参考臂压电陶瓷1,5为测量臂压电陶瓷2,6为光纤夹,7为光屏或被测物体表面,8为光电探测器,9为面阵CCD相机,10为相位稳定系统,11为加法器,12为PZT驱动器,13为正弦调制信号,14图像采集时序控制器,15为上位机,a为第一光纤臂,b为第二光纤臂,c为第三光纤臂,d为第四光纤臂。
    图2中,16为第一带通滤波器,17为第二带通滤波器,其中心频率各为单倍、双倍正弦相位调制频率,18为平方运算器,19为第一乘法器,20为第二乘法器,21为第一低 通滤波器,22为第二低通滤波器,23为反正切运算器,24为电压—相位转换器。
    具体实施方式
    为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
    本发明采用光纤干涉条纹投射方式获取投射条纹,但受环境因素的影响,干涉条纹的相位将产生漂移,所以实现高精度的三维形貌测量首先必须稳定干涉条纹相位。
    光纤干涉条纹投射三维形貌测量的条纹相位稳定原理如图1所示。选择He-Ne激光器1作为光源,能够产生稳定单模红光输出。He-Ne激光器1输出光经耦合透镜2汇聚后,从第一光纤臂A进入2×2型3dB光纤耦合器3。经光纤耦合器3分光后,分别进入基本等长的第二光纤臂B、第三光纤臂C。第二光纤臂B紧密缠绕在参考臂压电陶瓷4上,第三光纤臂C紧密缠绕在测量臂压电陶瓷5上。第二光纤臂B、第三光纤臂C的输出端通过光纤夹6固定,纤芯距足够小,构成马赫-泽德干涉仪结构。
    由于采用纤芯直径较小的单模光纤,所以第二光纤臂B、第三光纤臂C的输出端面可以等效为两个点光源。同时,第二光纤臂B、第三光纤臂C的输出光由光纤耦合器3分光得到,具有偏振方向相同、频率相同、相位差恒定三个特点,满足杨氏双孔干涉条件。
    当满足远场近轴条件时,即满足纤芯距远小于光纤投射端到光屏7距离,可在光屏7上投射高密度的余弦分布条纹。在第二光纤臂B、第三光纤臂C投射光场的重叠区域内,光屏上将出现明暗相间的干涉条纹。
    干涉条纹在两光纤纤芯连线的平行方向上呈余弦分布,垂直方向上为等值分布。将干涉条纹图像投射到被测物体表面,由图像采集时序控制器14触发上位机15向面阵CCD相机9发出图像采集指令,面阵CCD相机9采集被物体表面形貌调制的变形条纹图像并回传给上位机15,在上位机15上采用图像处理方法恢复表面形貌。
    其中,参考臂压电陶瓷4无电压驱动信号,第二光纤臂B作为光纤参考臂;对测量臂压电陶瓷5注入正弦驱动电压信号,实现正弦相位调制。第三光纤臂C作为光纤测量臂,对测量臂压电陶瓷5施加如下正弦调制信号13:
    M(t)=a·cos(ωt+θ)          (1)
    其中,a为调制信号幅值,ω为调制角频率,θ为调制初相位。第二光纤臂B、第三光纤臂C端面的菲涅尔反射信号经光纤耦合器3进入第四光纤臂D,满足迈克尔逊干涉仪结构。
    令光电探测器8接收的迈克尔逊干涉信号为S(t),按贝塞尔函数展开有:
    S(t)=A+Bcos[zcos(ωt+θ)+2α0+2δ(t)]=A+Bcos[2α0+2δ(t)]{J0(z)+2Σn=1∝(-1)nJ2n(z)cos[2n(ωt+θ)]}-Bsin[2α0+2δ(t)]{2Σn=0∝(-1)nJ2n+1(z)cos[(2n+1)(ωt+θ)]}---(2)]]>
    其中,A为直流分量;B为交流分量幅值;z为相位调制度;α0为第二光纤臂B、第三光纤臂C间的固有相差,δ(t)为环境因素引起的相位漂移;Jn(z)是以z为变量的n阶第一类贝塞尔函数。理想情况下,应将2α0+2δ(t)中的漂移分量2δ(t)分离出来单独补偿到零。
    为了简化相位漂移的提取与补偿的过程,将2α0+2δ(t)全部补偿到零。
    其中,相位稳定系统10主要由载波生成、检波和相位解调三部分构成,如图2所示。
    在载波生成部分,将正弦调制信号13作为一倍频载波G1(t);在平方运算器18中对正弦调制信号13作平方运算,取交流分量作为二倍频载波G2(t):
    G1(t)=a·cos(ωt+θ)G2(t)=(a2/2)·cos(2ωt+2θ)---(3)]]>
    在检波部分,S(t)经中心频率为ω的第一带通滤波器16得一次谐波分量H1(t);经中心频率为2ω的第二带通滤波器17得二次谐波分量H2(t):
    H1(t)=S(t)*hBPF1(t)=-2Bsin[2α0+2δ(t)]J1(z)cos(ωt+θ)H2(t)=S(t)*hBPF2(t)=-2Bcos[2α0+2δ(t)]J2(z)cos(2ωt+2θ)---(4)]]>
    其中,*表示卷积运算,hBPF1(t)、hBPF2(t)为带通滤波器16和17的响应函数。检波即是将载波G1(t)、G2(t)与谐波分量H1(t)、H2(t)在第一乘法器19、第二乘法器20中分别相乘,
    经第一低通滤波器21和第二低通滤波器22滤除载波,得到含有2α0+2δ(t)的两路信号V1(t)、V2(t):
    V1(t)=[G1(t)·H1(t)]*hLPF1(t)=-aBJ1(z)sin[2α0+2δ(t)]V2(t)=[G2(t)·H2(t)]*hLPF2(t)=-(a2/2)BJ2(z)cos[2α0+2δ(t)]---(5)]]>
    其中,hLPF1(t)、hLPF2(t)为分别为第一低通滤波器21、第二低通滤波器22的响应函数。
    在相位解调中选择a=2J1(z)J2(z),利用反正切运算器23求解2α0+2δ(t)得:
    2α0+2δ(t)=arctan[V1(t)V2(t)]         (6)
    在相位—电压转换器24中,将相位2α0+2δ(t)转换成补偿信号VC(t),kP-V为相位—电压转换系数。
    VC(t)=-kP-V·arctan[V1(t)V2(t)]      (7)
    补偿信号VC(t)与正弦相位调制信号M(t)在加法器11中实现相加运算,通过压电陶瓷 驱动器12共同作用于测量臂压电陶瓷5上。在原有的正弦相位调制基础上,补偿信号VC(t)将改变缠绕在测量臂压电陶瓷5上的光纤长度,进而改变光纤中的光程差,实现干涉条纹相位的稳定控制。
    本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外,其他器件的型号不做限制,只要能完成上述功能的器件均可。
    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。
    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?;し段е?。

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    用于 光纤 干涉 条纹 投射 三维 形貌 测量 相位 稳定 方法
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