[发明专利]一种双波长光纤干涉条纹投射三维形貌动态测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维形貌测量领域，尤其涉及一种双波长光纤干涉条纹投射三维形貌动态测量方法。

背景技术

主动式光学三维形貌测量技术目前广泛用于工业检测、反求工程、生物医学和机器视觉等领域。例如：复杂叶轮和叶片的面形检测，口腔牙型测量，医学辅助诊断和各种实物模型的三维信息记录与仿形等。其中，相位轮廓术是三维形貌测量的研究热点之一。条纹投射相位测量轮廓术基于面结构光投射的三角法测量原理，可以实现高精度的物体表面三维形貌的动态和静态测量，其关键是求解物体表面的相位分布，再通过透视几何关系和投射系统的结构参数，实现深度信息的间接测量。

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：

1）传统条纹投射装置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；

2）采用数字投影仪(DLP)投射条纹，数字条纹图可由计算机生成，该方法通过编程实现了非机械精确相移，并可实现自适应测量，但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。

发明内容

本发明提供了一种双波长光纤干涉条纹投射三维形貌动态测量方法，本发明提高了测量精度、避免了电压和亮度的非线性关系产生的误差，详见下文描述：

一种双波长光纤干涉条纹投射三维形貌动态测量方法，所述方法包括以下步骤：

(1)构建双波长光纤干涉条纹投射系统；

(2)根据所述双波长光纤干涉条纹投射系统获取三维投射模型；

(3)所述双波长光纤干涉条纹投射系统根据所述三维投射模型获取物体表面三维形貌信息。

所述双波长光纤干涉条纹投射系统，包括：第一激光器、第二激光器、第一光隔离器、第二光隔离器、波分复用耦合器、3dB耦合器、第一加法器、第二加法器、WDM分路器、第一光电探测器、第二光电探测器、伺服反馈控制系统、CCD采集相机和上位机，

所述第一激光器发出的第一激光经过所述第一光隔离器后进入所述波分复用耦合器；所述第二激光器发出的第二激光经过所述第二光隔离器后进入所述波分复用耦合器，所述波分复用耦合器通过输入臂将两束激光耦合入所述3dB耦合器，所述3dB耦合器分成2路传播，分别进入信号臂光纤和参考臂光纤；所述信号臂光纤和所述参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参考臂光纤端面的菲涅尔反射使得反射光束原路返回并在输出臂输出，所述WDM分路器将所述反射光束分成第三激光和第四激光；所述第一光电探测器将所述第三激光、所述第二光电探测器将所述第四激光传输至所述伺服反馈控制系统中对初始相位进行测量，所述伺服反馈控制系统通过所述第一加法器对所述第一激光器进行正弦相位调制；通过所述第二加法器对所述第二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。

所述伺服反馈控制系统包括：CPU控制单元、直接数字频率合成器和滤波器，

所述CPU控制单元产生控制信号，所述控制信号控制所述直接数字频率合成器输出可变频率的方波和正弦波，所述方波用于调整所述相机曝光信号；所述正弦波经所述滤波器后用于调整所述相位调制信号，通过对所述CPU控制单元中的寄存器设置，控制所述相机曝光信号和所述相位调制信号之间的相位差。

所述三维投射模型具体为：

所述CCD采集相机的镜头光学中心作为原点，x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参考臂光纤的投射中心位于P(L,0,0)，与原点相距为基线距离L；投射中心所投射的条纹与y轴方向平行，投射角度为β的条纹图上点S(x，y，z)的坐标满足下式：