基于正弦相位调制光纤干涉条纹投射三维形貌测量方法研究

摘要

光学三维测量技术是物体形貌测量的重要手段，动态、高精度相位测量技术成为当今国内外研究的热门课题。本文发展一种光纤干涉条纹投射三维形貌测量方法，利用马赫-泽德干涉结构及杨氏双孔干涉原理实现干涉条纹投射，分别采用压电陶瓷外调制技术及激光器内调制技术实现投射条纹相位调制，运用大调制度正弦相位调制同步积分完成相位求解，同时应用菲涅尔反射信号实现相位调制度精确控制及基于相位生成载波的干涉臂相位差测量实现相位包裹图的快速获取。采用相位去包裹技术并结合光纤干涉条纹投射模型，恢复物体三维形貌信息。论文主要研究内容如下:
　　1、分析光纤干涉条纹投射三维形貌测量方法，包括其基本原理及数学建模，光纤干涉条纹投射相位调制方法，基于马赫-泽德干涉结构以及杨氏双孔干涉原理的光纤干涉条纹投射及其相位求解方法，分析影响系统相位稳定的几大因素，说明菲涅尔端面反射形成的迈克尔逊干涉反馈系统。
　　2、研究基于压电陶瓷外调制技术光纤干涉条纹投射相位测量轮廓术。系统利用改进的正弦相移干涉算法对所需的相位进行求解，即将常数比例因子从线性相移算法引入到该算法中。举例说明正弦相移算法并分别计算对应的最佳常数比例因子。同时，系统研究压电陶瓷的调制系数，分析调制电压与调制相位之间的关系。最后，利用光纤输出端面菲涅尔反射信号完成对干扰信号的测量并最终反馈回调制信号实现相位稳定。
　　3、研究基于激光器内部调制的光纤干涉条纹投射系统。通过改变注入电流方式实现波长调谐，系统在考虑伴生调幅情况下利用正弦相位同步积分方法实现相位求解;利用相位生成载波技术实现初始相位值求解，并通过调节相位调制度适应不同的伴生调幅值，减少初始相位对系统测量的影响;运用菲涅尔端面反射技术实现干扰相位信息求解并补偿回激光器调制信号中，该方法能真实反映系统干扰信息，最后通过仿真实验说明该方法的可行性。
　　4、在实验室内光学防震平台上搭建基于压电陶瓷外调制光纤干涉条纹投射系统试验系统，分析系统使用核心器件参数;设计基于压电陶瓷系统的高压驱动电路并研究其性能;分别对铝板、圆形模具及凸槽进行实际测量，利用其测量结果分析表面三维形貌系统的系统稳定性及测量精度。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 相位测量常用方法简介

1．2．1 条纹投射方式

1．2．2 莫尔轮廓术

1．2．3 傅里叶变换轮廓术

1．2．4 相位测量轮廓术

1．2．5 正弦相位调制轮廓术

1．3 论文主要研究内容

1．4 本章小结

第二章 光纤干涉条纹投射三维形貌测量系统

2．1 光纤干涉条纹投射三维形貌测量原理

2．2 光纤干涉条纹投射模型及相位控制方法

2．2．1 光纤干涉原理及数学建模

2．2．2 光纤千涉条纹投射相位控制系统

2．3 光纤干涉条纹投射反馈控制系统

2．4 光纤干涉条纹投射相位提取方法

2．4．1 图像预处理

2．4．2 相位提取方法

2．5 本章小结

第三章 基于外调制光纤干涉条纹投射相位测量系统

3．1 正弦相位调制光纤干涉条纹投射相位轮廓术

3．2 正弦相位调制光纤干涉条纹投射相位求解算法

3．2．1 最佳常数比例因子

3．2．2 正弦相移干涉应用实例

3．2．3 模拟与仿真

3．3 光纤干涉条纹投射相位调制系数

3．4 正弦相位调制光纤干涉条纹投射相位稳定控制系统

3．4．1 基于反正切求解的相位稳定原理

3．4．2 基于正弦求解的相位稳定原理

3．4．3 两种相位稳定算法比较

3．5 本章小结

第四章 基于内调制光纤干涉条纹投射相位测量系统

4．1 内调制光纤干涉条纹投射相位轮廓术

4．2 干涉条纹投射相位求解算法

4．3 最佳调制系数及初始相位补偿

4．3．1 最佳调制系数

4．3．2 仿真与实验

4．4 内调制光纤干涉条纹投射反馈控制系统

4．4．1 反馈控制系统原理

4．4．2 仿真与实验

4．5 本章小结

第五章 光纤干涉条纹投射相位测量系统搭建及实验

5．1 光纤干涉条纹投射系统设计

5．1．1 光纤干涉条纹投射子系统搭建

5．1．2 光电二极管系统设计

5．2 压电陶瓷光纤相位控制器设计

5．3 正弦相位调制光纤干涉条纹投射重复性误差分析

5．4 正弦相位调制光纤干涉条纹投射法对物体表面三维测量

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢