[发明专利]一种内调制光纤干涉条纹投射实时三维形貌测量系统

说明书

技术领域

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

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。

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

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：

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，

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。

所述干涉信号S(t)为：

S(t)=A+Bcos[zcosωt+α(x)]

其中A和B是干涉仪的背景光强系数和对比度系数，z为相位调制度系数，ω调制角频率,α(x)为干扰信息。

所述信号V₁(t)为：

V₁(t)=-B[sinα(x)][2J₁(z)cosωt]

其中，J₁(z)为第一类贝塞尔展开式。

所述信号V₂(t)为：

V₂(t)=-BGJ₁(z)[sinα(x)](cos2ωt+1)

其中G为调制信号幅值，所述滤波信号U(x)为：

U(x)=-BGJ₁(z)[sinα(x)]

所述信号U’(x)为：

U'(x)=sinα(x)

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。

附图说明

图1示出本发明外调制光纤干涉条纹投射系统原理图；

图2示出本发明反馈控制系统示意图。

图1中，1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CCD相机，10为上位机。

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