CN112684461B - 一种抗振型面阵扫频测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抗振型面阵扫频测量装置和方法，属于激光测距技术领域，装置包括可调谐激光器、准直器、扩束器、分束器、反射元件、镜头、相机和采集控制单元；可调谐激光器用于通过发送触发信号控制相机采集干涉图像，并提供原始光束；分束器用于将原始光束反射至反射元件；反射元件用于按一定比例反射原始光束，形成参考光，且用于透射最后剩余原始光束至被测物体；被测物体用于反射最后剩余原始光束，形成信号光；镜头用于使干涉图像成像于相机上；采集控制单元用于根据干涉图像，分析被测物体的表面形貌；信号光与参考光干涉形成干涉图像。本发明提升了面阵扫频测量装置的抗振效果，进而实现测量准确度的提升。

Description

一种抗振型面阵扫频测量装置和方法

技术领域

本发明属于激光测距技术领域，更具体地，涉及一种抗振型面阵扫频测量装置及方法。

背景技术

现代工业生产中，零件加工的精密程度越来越成为高性能设备的关键，准确且稳定的生产出所需要的特定尺寸和形貌的零件非常重要。因此，对所生产的零件进行精确的检测是保证高质量生产的重要环节。现有的技术中，往往需要通过逐点扫描获得零件的形貌，虽然扩展了测量的范围，但其测量过程依赖于机械运动，必然会引入机械扫描误差，也会使得设备面临运动部件老化、不稳定等问题。而且测量速度还会受限于扫描的速度，难以在高灵敏度的同时获得高测量速度。这是点扫描的特性决定的。因此，有需要开发一种无需对样品进行扫描的大幅面、高精度、快速的测量物体厚度和距离的方法。

扫频干涉测距作为新一代非接触式精密测距方法，具有多种优点，比如灵敏度高，成像速度快。但是其一般采用传统的平衡探测器以及高速数据采集卡进行干涉数据的采集，其点探测的采集方式具有一定的局限性。另外，在传统激光干涉测距的原理中，有着两大主要问题限制着其实际应用。一是在信号的变换谱上，有一个固定存在的干扰峰，当信号峰与干扰峰发生混叠时，测量难以实现，即对应某段距离范围是“不可测”的，这个不可测量的区域也被称为死区。另一个问题是由于傅里叶变换的限制，测量距离存在一个非模糊距离。随着被测距离不断变长，测量结果将在非模糊距离范围内反复震荡，因此对于一个上升中的测量结果，实验并不能确定被测点的轴向移动方向，这就是非模糊距离带来的方向模糊性。同时，在实际进行测距/厚的应用中，由于难以避免的微弱震动以及温度起伏等等外界因素，使得在利用迈克尔逊干涉法的双光路测量中，两只光路受到的外界影响因素不同，会影响测量精度，导致测量结果会受到影响。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种抗振型面阵扫频测量装置和方法，旨在解决现有的扫频干涉测距难以避免振动和温度起伏，导致测量精度不高问题。

为实现上述目的，方案一，本发明提供了一种一般视场下的抗振型面阵扫频测量装置，包括可调谐激光器、准直器、扩束器、分束器、反射元件、镜头、相机和采集控制单元；

在原始光束的透射方向上依次设置有准直器、扩束器和分束器；在原始光束经分束器反射的方向上依次设置有反射元件、分束器、镜头和相机；可调谐激光器的输出端与相机的输入端相连；反射元件与分束器通过刚性结构连接；

可调谐激光器用于通过发送触发信号控制相机采集干涉图像，并提供原始光束；分束器用于将原始光束反射至反射元件；反射元件用于按一定比例反射原始光束，形成参考光，且用于透射最后剩余原始光束至被测物体；被测物体用于反射最后剩余原始光束，形成信号光；镜头用于使干涉图像成像于相机上；采集控制单元用于根据干涉图像，分析被测物体的表面形貌；信号光与参考光干涉形成干涉图像。

优选地，反射元件为薄膜反射镜，用于按一定比例反射原始光束，形成参考光；

或所述反射元件为光学窗口，所述光学窗口的上表面用于按第一比例反射原始光束，形成第一参考光；所述光学窗口的下表面用于将次剩余原始光束按第二比例反射，形成第二参考光。

优选地，反射元件为倾斜反射元件。

方案二，本发明提供了一种小视场下的抗振型面阵扫频测量装置，包括可调谐激光器、准直器、扩束器、分束器、显微镜、套筒透镜、反射元件、相机和采集控制单元；

在原始光束的透射方向上依次设置有准直器、扩束器和分束器；在原始光束经分束器反射的方向上依次设置有反射元件、显微镜、分束器、套筒透镜和相机；可调谐激光器的输出端与相机的输入端相连；反射元件与显微镜通过刚性结构连接；

可调谐激光器用于通过发送触发信号控制相机采集干涉图像，并提供原始光束；分束器用于将原始光束反射至反射元件；反射元件用于按一定比例反射原始光束，形成参考光，且用于透射最后剩余原始光束至被测物体；被测物体用于反射最后剩余原始光束，形成信号光；镜头用于使干涉图像成像于相机上；采集控制单元用于根据干涉图像，分析被测物体的表面形貌；信号光与参考光干涉形成干涉图像。

优选地，反射元件为薄膜反射镜，用于按一定比例反射原始光束，形成参考光；

或反射元件为光学窗口，光学窗口的上表面用于按第一比例反射原始光束，形成第一参考光；光学窗口的下表面用于将次剩余原始光束按第二比例反射，形成第二参考光。

优选地，反射元件为倾斜反射元件。

方案三，本发明提供了一种大视场下的抗振型面阵扫频测量装置，包括可调谐激光器、准直器、扩束器、分束器、镜头、反射元件、相机和采集控制单元；

在原始光束的透射方向上依次设置有准直器、扩束器和分束器；在原始光束经分束器反射的方向上依次设置有反射元件、镜头、分束器和相机；可调谐激光器的输出端与相机的输入端相连；反射元件与镜头通过刚性结构连接；

可调谐激光器用于通过发送触发信号控制相机采集干涉图像，并提供原始光束；分束器用于将原始光束反射至反射元件；反射元件用于按一定比例反射原始光束，形成参考光；且用于透射最后剩余原始光束至被测物体；被测物体用于反射最后剩余原始光束，形成信号光；镜头用于使干涉图像成像于相机上；采集控制单元用于根据干涉图像，分析被测物体的表面形貌；信号光与参考光干涉形成干涉图像。

优选地，反射元件为薄膜反射镜，用于按一定比例反射原始光束，形成参考光；

或反射元件为光学窗口，光学窗口的上表面用于按第一比例反射原始光束，形成第一参考光；光学窗口的下表面用于将次剩余原始光束按第二比例反射，形成第二参考光。

优选地，反射元件为倾斜反射元件。

另一方面，本发明提供了一种抗振型面阵扫频测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用反射元件将原始光束分解为参考光和透射光；且透射光经被测物体反射后，形成信号光；

利用相机采集反射光和参考光干涉形成的干涉图像；

根据干涉图像分析被测物体的表面形貌；

其中，参考光为原始光束经反射元件反射的光；透射光为原始光束经反射元件透射的光；信号光和参考光位于同一光路上。

优选地，反射元件为薄膜反射镜，按一定比例反射原始光束，形成参考光；

或反射元件为光学窗口，光学窗口的上表面按第一比例反射原始光束，形成第一参考光；光学窗口的下表面将次剩余原始光束按第二比例反射，形成第二参考光。

优选地，反射元件为倾斜反射元件。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下

有益效果：

本发明提供的反射元件位于原始光束经分束器反射的方向，获取的参考光与信号光属于同一条光路，即，共路的斐索干涉光路，同时反射元件与整个装置为刚性结构连接，因此，发生震动时信号光和参考光受到的干扰基本保持一致，提升了面阵扫频测量装置的抗振效果，进而实现测量准确度的提升。

本发明采用相机对干涉数据进行采集，避免了点探测，实现了面阵探测，较大程度上提高了面阵扫频测量装置的性能，实现了大幅面、高精度和高效率的测量。

当反射元件为光学窗口时，可以获取第一参考光和第二参考光，有效地解决了传统激光干涉测距原理中存在的两个问题，即非模糊距离问题和死区距离，提升了激光干涉测距的准确度。

本发明提供的反射元件为倾斜反射元件时，可以有效地抑制死区和镜像信号峰，因此，可以扩大面阵扫频的测量范围。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的一般视场的抗振型面阵扫频测量装置示意图；

图2是本发明实施例2提供的小视场的抗振型面阵扫频测量装置示意图；

图3是本发明实施例3提供的大视场的抗振型面阵扫频测量装置示意图；

图4是本发明提供的被测点与参考点间的距离为正奇数倍时，测量装置获得的变换域信号特征；

图5是本发明提供的被测点与参考点间的距离为正偶数倍时，测量装置获得的变换域信号特征；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，

1.可调谐激光器；2.准直器；3.扩束器；4.分束器；5.反射元件；6.被测物体；7.镜头；8.相机；9.电脑；10.套筒透镜；11.显微镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明采用相机进行干涉图像的采集，实现了面阵探测，突破了点探测的局限性，可以较大程度地提高扫频测量装置的性能，实现大幅度、高精度、高效率的测量，同时采用共路的斐索干涉光路，参考光与信号光处于同一条光路，受到的干扰也一样，因此具有较好的抗振效果。

实施例1

如图1所示提供了一种抗振型面阵扫频测量装置，包括可调谐激光器1、准直器2、扩束器3、分束器4、反射元件5、镜头7、相机8和电脑9；

在原始光束的透射方向上依次设置准直器2、扩束器3和分束器4；在原始光束经分束器4反射的方向上依次设置有反射元件5、分束器4、镜头7和相机8；可调谐激光器1的输出端与相机8的输入端相连；被测物体6、反射元件5和分束器4顺次通过刚性结构连接；

可调谐激光器1输出的波长随时间变化的过程称为光频率扫描，简称扫频；可调谐激光器1可以实现发出等波数间隔的触发信号，即每当其输出光变化了相同的波数时，发出一个触发信号，触发信号用于控制相机8开始采集；电脑9具有采集相机等设备的信号；经被测物体6反射的信号光和经反射元件5反射的参考光之间形成的干涉图像被相机8记录；电脑9采集相机8传递的干涉图像，用于分析被测物体的表面形貌；镜头7用于使干涉图像成像在相机8上。

当被测物体震动时，反射元件5也产生相同的震动，因此反射元件5与被测物体6的相对光程差受震动的影响很小，从而使面阵扫频测量装置具有抗振功能。

优选地，镜头7可以是带可调光圈的远心镜头。若镜头7具有可调光圈，则可以调整光圈至合适的大小，改善相机发生的散斑现象。

优选地，反射元件5是薄膜反射镜，薄膜反射镜会反射一定比例的光返回至相机8，如8％的原始光束返回至相机8，形成参考光；剩余的原始光束穿透薄膜反射镜5照射至被测物体6上反射，形成信号光，参考光与信号光干涉形成干涉图像，经过镜头7被相机8记录。

优选地，反射元件5为光学窗口时，光学窗口的上表面会反射一定比例的光返回至相机8，如比例为1％，形成第一参考光；剩余的原始光束经光学窗口的下表面会反射一定比例的光至相机8，如比例为0.8，形成第二参考光；最后剩余的光束透射反射元件5照射至被测物体6，经被测物体6反射，形成信号光；信号光、第一参考光和第二参考光两两之间发生干涉，形成的干涉图像经镜头7被相机8记录，相机8将干涉图像传输至电脑9，用于分析并显示被测物体6的表面形貌。光学窗口的上、下表面的反射光光强不均匀时，可以通过变换信号的强度以判断某一干涉峰是来源于第一参考光或第二参考光。

如图4所示的信号变换域里，给定φ＝φ₁-φ₂，则第一参考光与信号光形成的干涉峰P_p在第二参考光与信号光形成的干涉峰P_s的左侧时，可以判断n为奇数，反之，如图5所示，当P_p在P_s右侧时，可以判断n为偶数；n为非模糊距离区间的编号；φ₁为第一参考光的光程，φ₂为第二参考光的光程。

优选地，反射元件5为倾斜反射元件，即，相对于光轴倾斜θ角，可以抑制死区，扩展量程。例如，反射元件5与x轴的夹角呈2°；具体倾斜反射元件抑制死区的原理如下：

假设(x,y)是被测物体的表面坐标，当反射元件5不倾斜时，信号光和参考光两者的光程差为l(x,y)，通过相机8获取的光谱为对S₁在域进行傅里叶变换后，得到的第一变换谱会出现一对沿零点对称且互为镜像的信号峰以及一个零点附近的具有一定宽度的死区，信号峰的横坐标为±l(x,y)，死区为可调谐激光器1的光谱I(λ)的傅里叶变换。

当反射元件5在(x＝0,y＝0)的点沿x轴旋转θ角后，信号光和参考光两者的光程差为l(x,y)+xsin(θ)，通过相机8获取的光谱为对S₂在域进行傅里叶变换后，得到的第二变换谱会出现一对沿零点对称的信号峰以及一个在零点附近的具有一定宽度的死区，第二变换谱的信号峰的横坐标与sin(θ)成正比。由于θ时一个预先设置的固定值，因此，信号峰的中心值是可以预估的。而第二变换谱的死区同样为可调谐激光器1的光谱I(λ)的傅里叶变换，且不会与sin(θ)决定的信号峰发生混叠，因此，使用高通滤波算法可以滤除死区以及负半轴的信号，再将经过滤波的第二变换谱由傅里叶逆变换至x域，得到一个复数光谱信号S₃，光谱信号S₃不再包含可调谐激光器1的光谱I(λ)，镜像部分也会得到大幅抑制，因此，对S₃在域进行傅里叶变换后得到的变换谱仅包含一个信号峰，死区和镜像信号均会得到大幅抑制。因此，面阵扫频测量范围将可以从正半轴扩展至整个正负半轴，且不受死区干扰。

实施例1提供的抗振型面阵扫频测量装置为一般视场下的抗振型面阵扫频测量装置，为了应对不同的视场要求，本发明提供了实施例2和实施例3，但是其原理与实施例提供的抗振型面阵扫频测量装置的原理类似。

实施例2

如图2所示提供了一种抗振型面阵扫频测量装置，包括可调谐激光器1、准直器2、扩束器3、分束器4、反射元件5、显微镜11、套筒透镜10、相机8和电脑9；

在原始光束的透射方向上依次设置准直器2、扩束器3和分束器4；在原始光束经分束器4反射的方向上依次设置有反射元件5、显微镜11、分束器4、套筒透镜10和相机8；可调谐激光器1的输出端与相机8的输入端相连；被测物体6、反射元件5和显微镜11顺次通过刚性结构连接；

可调谐激光器1输出的波长随时间变化的过程称为光频率扫描，简称扫频；可调谐激光器1可以实现发出等波数间隔的触发信号，即每当其输出光变化了相同的波数时，发出一个触发信号，触发信号用于控制相机8开始采集；电脑9具有采集相机等设备的信号；经被测物体6反射的信号光和经反射元件5反射的参考光之间形成的干涉图像被相机8记录；电脑9采集相机8传递的干涉图像，用于分析被测物体的表面形貌；显微镜11用于放大被测物体6的表面形貌。

需指出，若像方出射的是平行光，则显微镜11需要与套筒透镜10结合使用，将平行光汇聚在相机8的像面上；若像方出射的是汇聚光，则可以不使用套筒透镜10。

实施例2提供的抗振型面阵扫频测量装置适用于小视场下面阵扫频测量。

实施例3

如图1所示提供了一种抗振型面阵扫频测量装置，包括可调谐激光器1、准直器2、扩束器3、分束器4、反射元件5、镜头7、相机8和电脑9；

在原始光束的透射方向上依次设置准直器2、扩束器3和分束器4；在原始光束经分束器4反射的方向上依次设置有反射元件5、镜头7、分束器4和相机8；可调谐激光器1的输出端与相机8的输入端相连；被测物体6、反射元件5和分束器4顺次通过刚性结构连接；

可调谐激光器1输出的波长随时间变化的过程称为光频率扫描，简称扫频；可调谐激光器1可以实现发出等波数间隔的触发信号，即每当其输出光变化了相同的波数时，发出一个触发信号，触发信号用于控制相机8开始采集；电脑9具有采集相机等设备的信号；经被测物体6反射的信号光和经反射元件5反射的参考光之间形成的干涉图像被相机8记录；电脑9采集相机8传递的干涉图像，用于分析被测物体的表面形貌；镜头7用于使干涉图像成像在相机8上。

实施例3提供的抗振型面阵扫频测量装置适用于大视场下面阵扫频测量。

综上所述，本发明与现有技术相比，存在以下优势：

本发明提供的反射元件位于原始光束经分束器反射的方向，获取的参考光与信号光属于同一条光路，即，共路的斐索干涉光路，同时反射元件与整个装置为刚性结构连接，因此，发生震动时信号光和参考光受到的干扰基本保持一致，提升了面阵扫频测量装置的抗振效果，进而实现测量准确度的提升。

本发明采用相机对干涉数据进行采集，避免了点探测，实现了面阵探测，较大程度上提高了面阵扫频测量装置的性能，实现了大幅面、高精度和高效率的测量。

当反射元件为光学窗口时，可以获取第一参考光和第二参考光，有效地解决了传统激光干涉测距原理中存在的两个问题，即非模糊距离问题和死区距离，提升了激光干涉测距的准确度。

本发明提供的反射元件为倾斜反射元件时，可以有效地抑制死区和镜像信号峰，因此，可以扩大面阵扫频的测量范围。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种抗振型面阵扫频测量装置，其特征在于，包括可调谐激光器(1)、准直器(2)、扩束器(3)、分束器(4)、反射元件(5)、镜头(7)、相机(8)和采集控制单元；

在原始光束的透射方向上依次设置有所述准直器(2)、所述扩束器(3)和所述分束器(4)；在原始光束经所述分束器(4)反射的方向上依次设置有所述反射元件(5)、分束器(4)、镜头(7)和相机(8)；所述可调谐激光器(1)的输出端与所述相机(8)的输入端相连；所述反射元件(5)与所述分束器(4)通过刚性结构连接；

所述可调谐激光器(1)用于通过发送触发信号控制所述相机(8)采集干涉图像，并提供原始光束；所述分束器(4)用于将原始光束反射至所述反射元件(5)；所述反射元件(5)用于按一定比例反射原始光束，形成参考光，且用于透射最后剩余原始光束至被测物体(6)；被测物体(6)用于反射最后剩余原始光束，形成信号光；镜头(7)用于使干涉图像成像于相机(8)上；采集控制单元用于根据干涉图像，分析被测物体的表面形貌；所述信号光与所述参考光干涉形成干涉图像；

所述可调谐激光器(1)输出的原始光束波长随时间变化；所述可调谐激光器(1)发出等波数间隔的触发信号。

2.根据权利要求1所述的抗振型面阵扫频测量装置，其特征在于，

所述反射元件(5)为薄膜反射镜，用于按一定比例反射原始光束，形成参考光；

或所述反射元件(5)为光学窗口，所述光学窗口的上表面用于按第一比例反射原始光束，形成第一参考光；所述光学窗口的下表面用于将次剩余原始光束按第二比例反射，形成第二参考光。

3.根据权利要求1所述的抗振型面阵扫频测量装置，其特征在于，所述反射元件(5)为倾斜反射元件。

4.一种抗振型面阵扫频测量装置，其特征在于，包括可调谐激光器(1)、准直器(2)、扩束器(3)、分束器(4)、显微镜(11)、套筒透镜(10)、反射元件(5)、相机(8)和采集控制单元；

在原始光束的透射方向上依次设置有所述准直器(2)、所述扩束器(3)和所述分束器(4)；在原始光束经所述分束器(4)反射的方向上依次设置有所述反射元件(5)、显微镜(11)、分束器(4)、套筒透镜(10)和相机(8)；所述可调谐激光器(1)的输出端与所述相机(8)的输入端相连；所述反射元件(5)与所述显微镜(11)通过刚性结构连接；

所述可调谐激光器(1)用于通过发送触发信号控制所述相机(8)采集干涉图像，并提供原始光束；所述分束器(4)用于将原始光束反射至所述反射元件(5)；所述反射元件(5)用于按一定比例反射原始光束，形成参考光，且用于透射最后剩余原始光束至被测物体(6)；被测物体(6)用于反射最后剩余原始光束，形成信号光；镜头(7)用于使干涉图像成像于相机(8)上；采集控制单元用于根据干涉图像，分析被测物体的表面形貌；所述信号光与所述参考光干涉形成干涉图像；

所述可调谐激光器(1)输出的原始光束波长随时间变化；所述可调谐激光器(1)发出等波数间隔的触发信号。

5.根据权利要求4所述的抗振型面阵扫频测量装置，其特征在于，

所述反射元件(5)为薄膜反射镜，用于按一定比例反射原始光束，形成参考光；

或所述反射元件(5)为光学窗口，所述光学窗口的上表面用于按第一比例反射原始光束，形成第一参考光；所述光学窗口的下表面用于将次剩余原始光束按第二比例反射，形成第二参考光。

6.根据权利要求4所述的抗振型面阵扫频测量装置，其特征在于，所述反射元件(5)为倾斜反射元件。

7.一种抗振型面阵扫频测量装置，其特征在于，包括可调谐激光器(1)、准直器(2)、扩束器(3)、分束器(4)、镜头(7)、反射元件(5)、相机(8)和采集控制单元；

在原始光束的透射方向上依次设置有所述准直器(2)、所述扩束器(3)和所述分束器(4)；在原始光束经所述分束器(4)反射的方向上依次设置有所述反射元件(5)、镜头(7)、分束器(4)和相机(8)；所述可调谐激光器(1)的输出端与所述相机(8)的输入端相连；所述反射元件(5)与所述镜头(7)通过刚性结构连接；

所述可调谐激光器(1)用于通过发送触发信号控制所述相机(8)采集干涉图像，并提供原始光束；所述分束器(4)用于将原始光束反射至所述反射元件(5)；所述反射元件(5)用于按一定比例反射原始光束，形成参考光；且用于透射最后剩余原始光束至被测物体(6)；被测物体(6)用于反射最后剩余原始光束，形成信号光；镜头(7)用于使干涉图像成像于相机(8)上；采集控制单元用于根据干涉图像，分析被测物体的表面形貌；所述信号光与所述参考光干涉形成干涉图像；

所述可调谐激光器(1)输出的原始光束波长随时间变化；所述可调谐激光器(1)发出等波数间隔的触发信号。

8.根据权利要求7所述的抗振型面阵扫频测量装置，其特征在于，

所述反射元件(5)为薄膜反射镜，用于按一定比例反射原始光束，形成参考光；

或所述反射元件(5)为光学窗口，所述光学窗口的上表面用于按第一比例反射原始光束，形成第一参考光；所述光学窗口的下表面用于将次剩余原始光束按第二比例反射，形成第二参考光。

9.根据权利要求7所述的抗振型面阵扫频测量装置，其特征在于，所述反射元件(5)为倾斜反射元件。

10.一种基于权利要求1所述的抗振型面阵扫频测量装置的抗振型面阵扫频测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用反射元件将原始光束分解为参考光和透射光；且透射光经被测物体反射后，形成信号光；

利用相机采集反射光和参考光干涉形成的干涉图像；

根据干涉图像分析被测物体的表面形貌；

其中，参考光为原始光束经反射元件反射的光；透射光为原始光束经反射元件透射的光；信号光和参考光位于同一光路上。

11.根据权利要求10所述的抗振型面阵扫频测量方法，其特征在于，所述反射元件为薄膜反射镜，按一定比例反射原始光束，形成参考光；

或所述反射元件为光学窗口，所述光学窗口的上表面按第一比例反射原始光束，形成第一参考光；所述光学窗口的下表面将次剩余原始光束按第二比例反射，形成第二参考光。