[发明专利]一种用于三维振动测量的光纤点衍射装置及测量方法

权利要求书

1.一种用于三维振动测量的光纤点衍射装置，其特征在于，包括：

光路模块，产生初始光并分成若干束偏振光至出射端；

被测物体（14），连接光路模块出射端；

高速CCD探测器（12），采集由出射端光信号产生的干涉信息；

计算机（11），连接高速CCD探测器（12），处理采集的信息；

所述光路模块包括：激光器（1）、偏振片（2）、偏振分光棱镜（3）、半波片（6）、耦合器Ⅰ（4）、亚波长孔径单模光纤（5）、四分之一波片（9）、反射镜（10）、耦合器Ⅱ（7）、亚波长孔径单模光纤Ⅱ（8）以及测量探头（13）；测量探头（13）与亚波长孔径单模光纤Ⅰ（5）和亚波长孔径单模光纤Ⅱ（8）的出射端口组成出射端，激光器（1）发出的光经过偏折片（2）射入偏振分光棱镜（3），分成透射光p和反射光s，透射光p经过半波片（6）射入光纤耦合器Ⅱ（7），在亚波长孔径单模光纤Ⅱ（8）出射端口产生点衍射球面波前W2，反射光s经过四分之一波片（9），射入反射镜（10），反射后，依次经过四分之一波片（9）和偏振分光棱镜（3）射入光纤耦合器Ⅰ（4），在亚波长孔径单模光纤Ⅰ（5）出射端口产生点衍射球面波前W1，其中测量探头（13）连接被测物体（14）；

本装置测量方式包括：

S01：所述高速CCD探测器（12）采集由光路模块出射产生的干涉图；

S02：对干涉图进行傅里叶变换得到频谱图；

S03：将频谱图处理后得到被测物体的相位信息图及被测物体（14）实时三维坐标值；

S04：多次采样并处理计算，得到被测物体的振动情况；

所述步骤S03具体过程包括：在频域对频谱图滤波，取出条纹基频进行反变换，再经过复数计算得到被测物体表面的相位包裹图，再进行去包裹计算，可以得到高速CCD探测器12平面上条纹精确的相位分布，获得高速CCD探测器平面上各点的相位信息，再由测量探头13的坐标与空间相位分布之间的关系，进行逆运算，就可以得到测量探头13的空间三维坐标。

2.根据权利要求1所述的一种用于三维振动测量的光纤点衍射装置，其特征在于，所述亚波长孔径单模光纤Ⅰ（5）和亚波长孔径单模光纤Ⅱ（8）的出射端口为圆锥状，出射端口的直径为0.4μm ~0.7μm，两端口并排固定在测量探头内，两端口之间的距离为700μm~800μm，且出射端口外表面镀了铬金属膜层，该膜厚在150nm~250nm。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于三维振动测量的光纤点衍射装置，其特征在于，所述高速CCD探测器（12）分辨率为1280×1024，有效感光面积为17.92mm×14.34mm，帧率为5000帧/秒。

4.一种用于三维振动测量的光纤点衍射测量方法，用于权利要求1所述的一种用于三维振动测量的光纤点衍射装置，其特征在于，包括以下步骤：

S01：所述高速CCD探测器（12）采集由光路模块出射产生的干涉图；

S02：对干涉图进行傅里叶变换得到频谱图；

S03：将频谱图处理后得到被测物体的相位信息图及被测物体（14）实时三维坐标值；

S04：多次采样并处理计算，得到被测物体的振动情况。

5.根据权利要求4所述的一种用于三维振动测量的光纤点衍射测量方法，其特征在于，所述步骤S01具体过程包括：激光器（1）产生激光束经偏振片（2）后获得线偏振光，再被偏振分光棱镜（3）分成两束光，透射光p和反射光s，其中的透射光p经过半波片（6）后耦合进入光纤耦合器Ⅱ（7），随后在亚波长孔径单模光纤Ⅱ（8）出射端口测量探头（13）处产生点衍射球面波前W2，而反射光s经过四分之一波片（9）、反射镜（10）射入光纤耦合器Ⅰ（4）后，在亚波长孔径单模光纤Ⅰ（5）出射端口测量探头（13）处产生点衍射球面波前W1，两个点衍射球面波前W1、W2形成了点衍射球面波前干涉条纹；高速CCD探测器（12）实时采集对应的干涉图。

6.根据权利要求4所述的一种用于三维振动测量的光纤点衍射测量方法，其特征在于，所述步骤S02中的傅里叶变换为二维傅里叶变换。

7.根据权利要求4或5或6所述的一种用于三维振动测量的光纤点衍射测量方法，其特征在于，所述步骤S03具体过程包括：在频域对频谱图滤波，取出条纹基频进行反变换，再经过复数计算得到被测物体表面的相位包裹图，再进行去包裹计算，可以得到高速CCD探测器12平面上条纹精确的相位分布，获得高速CCD探测器平面上各点的相位信息，再由测量探头13的坐标与空间相位分布之间的关系，进行逆运算，就可以得到测量探头13的空间三维坐标。