用于瞬态三维测量的点衍射干涉系统
发布时间：2021-06-23 14:12
针对基于PZT移相的点衍射干涉三维测量系统中存在采样时间间隔过长和易受外界扰动影响等问题,提出了用于瞬态三维测量的点衍射干涉系统。通过对点衍射干涉三维测量系统光束偏振态调制并引入偏振相机,实现了三维空间坐标的瞬态移相干涉测量。针对偏振相机存在的视场误差及其对三维测量精度的影响,研究了基于相位插值的视场误差校正方法。为了验证系统方案的可行性,分别进行了数值仿真与三维在线测量比对实验。实验结果表明,利用本系统可实现亚微米量级的三维空间瞬态测量,且测量重复性小于5%。所提出的瞬态点衍射干涉系统具有对外界扰动不敏感、重复性测量精度高和快速测量等特点,为无导轨三维位移和尺寸等瞬态测量提供了一种可行的方法。
【文章来源】：仪器仪表学报. 2020,41(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
瞬态点衍射干涉系统的三维测量模型
用于瞬态三维位移测量的点衍射干涉系统布局如图1所示。稳频激光器产生激光束先后经过反射镜、偏振片与半波片(half wave plate, HWP)可得到某一方向的线偏振光,再射入偏振分光棱镜(polarization beam splitting, PBS)后分成两路线偏振光p光与s光。透射光p与反射光s分别经过四分之一波片(quarter wave plate,QWP)QWP1和QWP2后变为旋向相反的圆偏振光,然后两圆偏振光分别经光纤耦合器耦合进入两根亚微米出光孔径单模保偏光纤(single-mode fiber,SF)SF1和SF2,从而在探头的末端得到两束具有相反旋向圆偏振态的点衍射球面波W1与W2。其中,两根单模保偏光纤出射端并排平行放置并集成于测量探头之中。为了实现点衍射干涉场的瞬态移相测量,系统利用偏振相机来采集点衍射干涉条纹。点衍射球面波前W1与W2可在偏振相机4个通道中分别叠加,瞬时得到相移量为π/2的4幅移相干涉条纹,利用四步移相算法即可计算得到相对应的相位差矩阵,进而实现测量探头相对于相机探测平面三维空间位置的瞬态测量。偏振相机(polarized camera)是在传统的像元面阵前加入了由2×2单元微偏振器[14](透光轴方向分别为0°、45°、90°和135°)为超像素单元所组成的偏振面阵(图1),因而可实现一帧图像同时获取4个偏振方向对应4个通道干涉信息。利用四步移相算法即可得到与待测空间位置点相对应的瞬态波前分布,根据所建立的测量探头三维坐标与相位差分布对应关系数学模型,利用数值迭代算法得到最优的空间三维坐标值[15],由此实现被测目标的三维绝对位移高精度瞬态测量。该系统可避免传统移相技术中采集时间过长而引入的外界环境扰动、激光器不稳定以及随机噪声影响等问题。
针对该问题,可利用重构像元周边的数据,对重构像元进行校正,常用的有线性插值Linear、三次样条插值Spline和三次Cubic算法。图3所示为偏振相机重构像元,其中重构像元点可通过周边数据插值得到。线性插值Linear算法如式(7)所示,插值点处函数值由连接其最邻近的两侧点的线性函数求得,各个通道的强度计算公式为:
【参考文献】：
期刊论文
[1]用于三维测量的双路点衍射干涉系统[J]. 王道档,王志超,赵军,王朝,孔明. 仪器仪表学报. 2017(09)
[2]基于快速搜索粒子群算法的点衍射干涉绝对位移测量方法[J]. 王道档,徐杨波,陈茜茜,郭天太,孔明,赵军,朱保华. 光学学报. 2016(01)
[3]基于微波雷达的位移/距离测量技术[J]. 陈伟民,李存龙. 电子测量与仪器学报. 2015(09)
[4]亚波长孔径光纤点衍射波前质量分析[J]. 陈茜茜,王道档,徐杨波,孔明,郭天太,赵军,朱保华. 光学学报. 2015(09)
[5]基于标准器的大尺寸测量系统坐标统一化方法[J]. 王德元,唐文彦,张晓琳,马强,王军. 仪器仪表学报. 2015(08)
[6]基于2D-PSD的激光位移测量系统设计[J]. 周美丽,白宗文. 国外电子测量技术. 2015(02)
[7]基于Levenbery-Marquardt算法的点衍射三维坐标测量方法[J]. 王道档,王福民,陈茜茜,孔明,赵军. 光学学报. 2014(08)
[8]压电移相器的空间旋转误差建模与实验分析[J]. 王道档,杨甬英,刘东,田超,骆永洁,卓永模. 光电子.激光. 2009(05)
[9]智能三坐标测量机中零件位置自动识别系统[J]. 马新辉,张国雄,王建利,刘书桂. 仪器仪表学报. 2003(02)
本文编号：3245084
【文章来源】：仪器仪表学报. 2020,41(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
瞬态点衍射干涉系统的三维测量模型
用于瞬态三维位移测量的点衍射干涉系统布局如图1所示。稳频激光器产生激光束先后经过反射镜、偏振片与半波片(half wave plate, HWP)可得到某一方向的线偏振光,再射入偏振分光棱镜(polarization beam splitting, PBS)后分成两路线偏振光p光与s光。透射光p与反射光s分别经过四分之一波片(quarter wave plate,QWP)QWP1和QWP2后变为旋向相反的圆偏振光,然后两圆偏振光分别经光纤耦合器耦合进入两根亚微米出光孔径单模保偏光纤(single-mode fiber,SF)SF1和SF2,从而在探头的末端得到两束具有相反旋向圆偏振态的点衍射球面波W1与W2。其中,两根单模保偏光纤出射端并排平行放置并集成于测量探头之中。为了实现点衍射干涉场的瞬态移相测量,系统利用偏振相机来采集点衍射干涉条纹。点衍射球面波前W1与W2可在偏振相机4个通道中分别叠加,瞬时得到相移量为π/2的4幅移相干涉条纹,利用四步移相算法即可计算得到相对应的相位差矩阵,进而实现测量探头相对于相机探测平面三维空间位置的瞬态测量。偏振相机(polarized camera)是在传统的像元面阵前加入了由2×2单元微偏振器[14](透光轴方向分别为0°、45°、90°和135°)为超像素单元所组成的偏振面阵(图1),因而可实现一帧图像同时获取4个偏振方向对应4个通道干涉信息。利用四步移相算法即可得到与待测空间位置点相对应的瞬态波前分布,根据所建立的测量探头三维坐标与相位差分布对应关系数学模型,利用数值迭代算法得到最优的空间三维坐标值[15],由此实现被测目标的三维绝对位移高精度瞬态测量。该系统可避免传统移相技术中采集时间过长而引入的外界环境扰动、激光器不稳定以及随机噪声影响等问题。
针对该问题,可利用重构像元周边的数据,对重构像元进行校正,常用的有线性插值Linear、三次样条插值Spline和三次Cubic算法。图3所示为偏振相机重构像元,其中重构像元点可通过周边数据插值得到。线性插值Linear算法如式(7)所示,插值点处函数值由连接其最邻近的两侧点的线性函数求得,各个通道的强度计算公式为:
【参考文献】：
期刊论文
[1]用于三维测量的双路点衍射干涉系统[J]. 王道档,王志超,赵军,王朝,孔明. 仪器仪表学报. 2017(09)
[2]基于快速搜索粒子群算法的点衍射干涉绝对位移测量方法[J]. 王道档,徐杨波,陈茜茜,郭天太,孔明,赵军,朱保华. 光学学报. 2016(01)
[3]基于微波雷达的位移/距离测量技术[J]. 陈伟民,李存龙. 电子测量与仪器学报. 2015(09)
[4]亚波长孔径光纤点衍射波前质量分析[J]. 陈茜茜,王道档,徐杨波,孔明,郭天太,赵军,朱保华. 光学学报. 2015(09)
[5]基于标准器的大尺寸测量系统坐标统一化方法[J]. 王德元,唐文彦,张晓琳,马强,王军. 仪器仪表学报. 2015(08)
[6]基于2D-PSD的激光位移测量系统设计[J]. 周美丽,白宗文. 国外电子测量技术. 2015(02)
[7]基于Levenbery-Marquardt算法的点衍射三维坐标测量方法[J]. 王道档,王福民,陈茜茜,孔明,赵军. 光学学报. 2014(08)
[8]压电移相器的空间旋转误差建模与实验分析[J]. 王道档,杨甬英,刘东,田超,骆永洁,卓永模. 光电子.激光. 2009(05)
[9]智能三坐标测量机中零件位置自动识别系统[J]. 马新辉,张国雄,王建利,刘书桂. 仪器仪表学报. 2003(02)
本文编号：3245084
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