双波长光纤干涉条纹投射三维形貌测量方法研究

Phase profilometry is an important means of three-dimensional(3D) shape measurement, which focuses on dynamic and high-precision phase profile measurement technology. The project intends to develop a new method of dual-wavelength fiber interferometer fringe projected three-dimensional shape measurement. This method takes advantage of WDM technology, Mach-Zehnder interferometer structure and Young's double pinhole interference principle to achieve dual-band interference fringe projection;makes use of the Fresnel reflection on fiber end face and the laser inner-modulation technique to achieve precise measurement and control of the interferometric arms phase, thus achieves a precise control of the projected fringe phase. For dynamic measurement requirements and the characteristics of dual-wavelength fiber interferometer fringe projection, on the basis of the large sinusoidal phase modulation integrating bucket, we design a new time-sharing integrating bucket measurement program based on dual-wavelength fiber interferometer fringe projection and the sinusoidal phase modulation, while utilizing Fresnel reflection signal to realize phase modulation precise control and the measurement of PGC-based interference arm initial phase, finally get access to dual-band wrapped phase map quickly. In order to achieve phase-stepping 3D shape measurement ,we propose an interference arm phase measurement and control method based on small-angle phase modulation due to AC-powered , thus the dual-band fringe projection with high-precision closed-loop stepping phase shift is achieved. We employ dual-band phase unwrapping technology and combine with optical interference fringe projection model to restore the 3D topography information.

相位轮廓术是三维形貌测量的重要手段，动态、高精度相位轮廓测量技术是研究热点之一。本项目拟发展一种双波长光纤干涉条纹投射三维形貌测量新方法，利用波分复用技术、马赫-泽德干涉结构及杨氏双孔干涉原理实现双频干涉条纹投射，利用光纤端面的菲涅尔反射、激光器内调制技术实现干涉臂相位差的精确测量与控制，进而实现投射条纹相位的精确控制。针对动态测量要求及双波长光纤干涉条纹投射的特点，在大调制度正弦相位调制同步积分的基础上，设计了一种基于双波长光纤干涉条纹投射、正弦相位调制的分时同步积分测量新方案，同时利用菲涅尔反射信号实现相位调制度精确控制及基于PGC的干涉臂初相位测量，实现双频相位包裹图的快速获取。为实现步进相移三维形貌测量，提出了一种基于交流小相位内调制技术的干涉臂相位差测量与控制方法，进而实现双频投射条纹的高精度闭环步进相移。采用双频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。

本项目发展了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，运用傅里叶变换轮廓术和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。采用相位去包裹技术并结合光纤干涉条纹投射模型，实现了物体三维形貌信息的高精度测量。主要研究内容如下： . 1、提出基于M-Z光纤干涉仪结构和杨氏双孔干涉理论在小视场范围内投射高密度条纹结构光方案，建立光纤干涉条纹投射系统的数学模型，通过仿真研究系统参数对投射条纹性质的影响；构建光纤干涉条纹投射三维形貌测量的数学模型，并研究光纤输出端面和相机镜头连线与被测物体参考平面在非平行条件下的干涉条纹相位信息与实际三维坐标信息的对应关系。. 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，并分别使用傅里叶变换法和正弦相移同步积分算法进行相位求解。为补偿干涉条纹随机相位波动，利用光纤干涉臂输出端面菲涅尔反射信号实现闭环相位稳定控制，研究通过直流相位跟踪和交流相位跟踪相位稳定控制方法，并获得了5.25mrad的相位稳定度。. 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。. 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；采用隐式标定法实现对测量系统结构参数的快速获取，并通过误差分析对系统结构参数进行优化设置。分别对铝板、圆形模具及凸槽进行实际测量，结果表明其相对测量精度达1‰。