用于瞬態(tài)三維測量的點衍射干涉系統(tǒng)
發(fā)布時間：2021-06-23 14:12
針對基于PZT移相的點衍射干涉三維測量系統(tǒng)中存在采樣時間間隔過長和易受外界擾動影響等問題,提出了用于瞬態(tài)三維測量的點衍射干涉系統(tǒng)。通過對點衍射干涉三維測量系統(tǒng)光束偏振態(tài)調(diào)制并引入偏振相機,實現(xiàn)了三維空間坐標的瞬態(tài)移相干涉測量。針對偏振相機存在的視場誤差及其對三維測量精度的影響,研究了基于相位插值的視場誤差校正方法。為了驗證系統(tǒng)方案的可行性,分別進行了數(shù)值仿真與三維在線測量比對實驗。實驗結果表明,利用本系統(tǒng)可實現(xiàn)亞微米量級的三維空間瞬態(tài)測量,且測量重復性小于5%。所提出的瞬態(tài)點衍射干涉系統(tǒng)具有對外界擾動不敏感、重復性測量精度高和快速測量等特點,為無導軌三維位移和尺寸等瞬態(tài)測量提供了一種可行的方法。
【文章來源】：儀器儀表學報. 2020,41(02)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
瞬態(tài)點衍射干涉系統(tǒng)的三維測量模型
用于瞬態(tài)三維位移測量的點衍射干涉系統(tǒng)布局如圖1所示。穩(wěn)頻激光器產(chǎn)生激光束先后經(jīng)過反射鏡、偏振片與半波片(half wave plate, HWP)可得到某一方向的線偏振光,再射入偏振分光棱鏡(polarization beam splitting, PBS)后分成兩路線偏振光p光與s光。透射光p與反射光s分別經(jīng)過四分之一波片(quarter wave plate,QWP)QWP1和QWP2后變?yōu)樾蛳喾吹膱A偏振光,然后兩圓偏振光分別經(jīng)光纖耦合器耦合進入兩根亞微米出光孔徑單模保偏光纖(single-mode fiber,SF)SF1和SF2,從而在探頭的末端得到兩束具有相反旋向圓偏振態(tài)的點衍射球面波W1與W2。其中,兩根單模保偏光纖出射端并排平行放置并集成于測量探頭之中。為了實現(xiàn)點衍射干涉場的瞬態(tài)移相測量,系統(tǒng)利用偏振相機來采集點衍射干涉條紋。點衍射球面波前W1與W2可在偏振相機4個通道中分別疊加,瞬時得到相移量為π/2的4幅移相干涉條紋,利用四步移相算法即可計算得到相對應的相位差矩陣,進而實現(xiàn)測量探頭相對于相機探測平面三維空間位置的瞬態(tài)測量。偏振相機(polarized camera)是在傳統(tǒng)的像元面陣前加入了由2×2單元微偏振器[14](透光軸方向分別為0°、45°、90°和135°)為超像素單元所組成的偏振面陣(圖1),因而可實現(xiàn)一幀圖像同時獲取4個偏振方向?qū)?個通道干涉信息。利用四步移相算法即可得到與待測空間位置點相對應的瞬態(tài)波前分布,根據(jù)所建立的測量探頭三維坐標與相位差分布對應關系數(shù)學模型,利用數(shù)值迭代算法得到最優(yōu)的空間三維坐標值[15],由此實現(xiàn)被測目標的三維絕對位移高精度瞬態(tài)測量。該系統(tǒng)可避免傳統(tǒng)移相技術中采集時間過長而引入的外界環(huán)境擾動、激光器不穩(wěn)定以及隨機噪聲影響等問題。
針對該問題,可利用重構像元周邊的數(shù)據(jù),對重構像元進行校正,常用的有線性插值Linear、三次樣條插值Spline和三次Cubic算法。圖3所示為偏振相機重構像元,其中重構像元點可通過周邊數(shù)據(jù)插值得到。線性插值Linear算法如式(7)所示,插值點處函數(shù)值由連接其最鄰近的兩側(cè)點的線性函數(shù)求得,各個通道的強度計算公式為:
【參考文獻】：
期刊論文
[1]用于三維測量的雙路點衍射干涉系統(tǒng)[J]. 王道檔,王志超,趙軍,王朝,孔明. 儀器儀表學報. 2017(09)
[2]基于快速搜索粒子群算法的點衍射干涉絕對位移測量方法[J]. 王道檔,徐楊波,陳茜茜,郭天太,孔明,趙軍,朱保華. 光學學報. 2016(01)
[3]基于微波雷達的位移/距離測量技術[J]. 陳偉民,李存龍. 電子測量與儀器學報. 2015(09)
[4]亞波長孔徑光纖點衍射波前質(zhì)量分析[J]. 陳茜茜,王道檔,徐楊波,孔明,郭天太,趙軍,朱保華. 光學學報. 2015(09)
[5]基于標準器的大尺寸測量系統(tǒng)坐標統(tǒng)一化方法[J]. 王德元,唐文彥,張曉琳,馬強,王軍. 儀器儀表學報. 2015(08)
[6]基于2D-PSD的激光位移測量系統(tǒng)設計[J]. 周美麗,白宗文. 國外電子測量技術. 2015(02)
[7]基于Levenbery-Marquardt算法的點衍射三維坐標測量方法[J]. 王道檔,王福民,陳茜茜,孔明,趙軍. 光學學報. 2014(08)
[8]壓電移相器的空間旋轉(zhuǎn)誤差建模與實驗分析[J]. 王道檔,楊甬英,劉東,田超,駱永潔,卓永模. 光電子.激光. 2009(05)
[9]智能三坐標測量機中零件位置自動識別系統(tǒng)[J]. 馬新輝,張國雄,王建利,劉書桂. 儀器儀表學報. 2003(02)
本文編號：3245084
【文章來源】：儀器儀表學報. 2020,41(02)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
瞬態(tài)點衍射干涉系統(tǒng)的三維測量模型
用于瞬態(tài)三維位移測量的點衍射干涉系統(tǒng)布局如圖1所示。穩(wěn)頻激光器產(chǎn)生激光束先后經(jīng)過反射鏡、偏振片與半波片(half wave plate, HWP)可得到某一方向的線偏振光,再射入偏振分光棱鏡(polarization beam splitting, PBS)后分成兩路線偏振光p光與s光。透射光p與反射光s分別經(jīng)過四分之一波片(quarter wave plate,QWP)QWP1和QWP2后變?yōu)樾蛳喾吹膱A偏振光,然后兩圓偏振光分別經(jīng)光纖耦合器耦合進入兩根亞微米出光孔徑單模保偏光纖(single-mode fiber,SF)SF1和SF2,從而在探頭的末端得到兩束具有相反旋向圓偏振態(tài)的點衍射球面波W1與W2。其中,兩根單模保偏光纖出射端并排平行放置并集成于測量探頭之中。為了實現(xiàn)點衍射干涉場的瞬態(tài)移相測量,系統(tǒng)利用偏振相機來采集點衍射干涉條紋。點衍射球面波前W1與W2可在偏振相機4個通道中分別疊加,瞬時得到相移量為π/2的4幅移相干涉條紋,利用四步移相算法即可計算得到相對應的相位差矩陣,進而實現(xiàn)測量探頭相對于相機探測平面三維空間位置的瞬態(tài)測量。偏振相機(polarized camera)是在傳統(tǒng)的像元面陣前加入了由2×2單元微偏振器[14](透光軸方向分別為0°、45°、90°和135°)為超像素單元所組成的偏振面陣(圖1),因而可實現(xiàn)一幀圖像同時獲取4個偏振方向?qū)?個通道干涉信息。利用四步移相算法即可得到與待測空間位置點相對應的瞬態(tài)波前分布,根據(jù)所建立的測量探頭三維坐標與相位差分布對應關系數(shù)學模型,利用數(shù)值迭代算法得到最優(yōu)的空間三維坐標值[15],由此實現(xiàn)被測目標的三維絕對位移高精度瞬態(tài)測量。該系統(tǒng)可避免傳統(tǒng)移相技術中采集時間過長而引入的外界環(huán)境擾動、激光器不穩(wěn)定以及隨機噪聲影響等問題。
針對該問題,可利用重構像元周邊的數(shù)據(jù),對重構像元進行校正,常用的有線性插值Linear、三次樣條插值Spline和三次Cubic算法。圖3所示為偏振相機重構像元,其中重構像元點可通過周邊數(shù)據(jù)插值得到。線性插值Linear算法如式(7)所示,插值點處函數(shù)值由連接其最鄰近的兩側(cè)點的線性函數(shù)求得,各個通道的強度計算公式為:
【參考文獻】：
期刊論文
[1]用于三維測量的雙路點衍射干涉系統(tǒng)[J]. 王道檔,王志超,趙軍,王朝,孔明. 儀器儀表學報. 2017(09)
[2]基于快速搜索粒子群算法的點衍射干涉絕對位移測量方法[J]. 王道檔,徐楊波,陳茜茜,郭天太,孔明,趙軍,朱保華. 光學學報. 2016(01)
[3]基于微波雷達的位移/距離測量技術[J]. 陳偉民,李存龍. 電子測量與儀器學報. 2015(09)
[4]亞波長孔徑光纖點衍射波前質(zhì)量分析[J]. 陳茜茜,王道檔,徐楊波,孔明,郭天太,趙軍,朱保華. 光學學報. 2015(09)
[5]基于標準器的大尺寸測量系統(tǒng)坐標統(tǒng)一化方法[J]. 王德元,唐文彥,張曉琳,馬強,王軍. 儀器儀表學報. 2015(08)
[6]基于2D-PSD的激光位移測量系統(tǒng)設計[J]. 周美麗,白宗文. 國外電子測量技術. 2015(02)
[7]基于Levenbery-Marquardt算法的點衍射三維坐標測量方法[J]. 王道檔,王福民,陳茜茜,孔明,趙軍. 光學學報. 2014(08)
[8]壓電移相器的空間旋轉(zhuǎn)誤差建模與實驗分析[J]. 王道檔,楊甬英,劉東,田超,駱永潔,卓永模. 光電子.激光. 2009(05)
[9]智能三坐標測量機中零件位置自動識別系統(tǒng)[J]. 馬新輝,張國雄,王建利,劉書桂. 儀器儀表學報. 2003(02)
本文編號：3245084
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