CN108917643A - 基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***及方法 - Google Patents

基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***及方法，所述***包括：双光梳扫描测距光路模块，用于测量被测物z方向上的一维距离信息；旋转平移模块，用于夹持并移动被测物，同时提供被测物x方向和y方向上的二维距离信息；数据采集与三维信息处理模块，其连接所述双光梳扫描测距光路模块和旋转平移模块，用于采集并整合所述双光梳扫描测距光路模块测量到的一维测距信息和所述旋转平移模块提供的二维距离信息，得到被测物的三维形貌信息。本发明的基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***及方法测量的景深大，测量的速度快，一维距离信息的获取测采用绝对测距方式，不担心断光，可测量阶梯面，可用于多种工业测量。

Description

基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***及方法
技术领域
本发明属于三维形貌测量技术领域，具体涉及一种基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***及方法。
背景技术
三维形貌测量技术广泛用于制造业中的安装、缺陷检测、逆向工程等领域，现有的三维形貌测量技术主要有扫描式三维测量方案和凝视三维测量方案。凝视测量因为测量的面积和景深有限，一维测量精度也不够高，在某些精密形貌测量中还需要使用扫描式三维测量。而扫描式三维测量方案又大概分为增量测量和绝对测量。基于增量测量的干涉形貌测量法不适合测量带有阶梯面这种光程变化剧烈的被测物，还有在测量粗糙表面时会因为后向散射原因出现断光，从而导致整个测量过程中断。而绝对式三维形貌测量技术纵向测量不担心断光，对折射率变化不敏感，但现有的绝对式三维测量方案测量速度慢，测量非模糊范围小，在很多应用场合都无法使用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***及方法，以便解决上述问题的至少之一。
本发明是通过如下技术方案实现的：
作为本发明的一个方面，提供一种基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***，包括：双光梳扫描测距光路模块，用于测量被测物在其出射激光方向上的一维距离信息，所述双光梳扫描测距光路模块的出射激光方向为z方向；旋转平移模块，用于夹持并移动被测物，同时提供被测物x方向和y方向上的二维距离信息；数据采集与三维信息处理模块，其连接所述双光梳扫描测距光路模块和所述旋转平移模块，用于采集并整合所述双光梳扫描测距光路模块测量到的一维测距信息和所述旋转平移模块提供的二维距离信息，得到被测物的三维形貌信息。
优选地，所述双光梳扫描测距光路模块包括：主振光学频率梳，其经分束器分成参考光和测量光；以及本振光学频率梳，其通过分束器分成两束光，一束与所述主振光学频率梳的参考光汇合并送入光电探测器作为测距的参考信号，另一束与所述主振光学频率梳的测量光汇合并送入光电探测器作为测距的测量信号；其中，所述主振光学频率梳与所述本振光学频率梳的中心频率的频率差为f0，重复频率的频率差为Δfrep，f0与Δfrep保证拍频信号的频率全部为正实数；所述双光梳扫描测距光路模块的测距光路为迈克尔逊干涉光路。
优选地，所述旋转平移模块包括：旋转部分，包括：旋转台，其旋转平面垂直于所述双光梳扫描测距光路模块的出射激光；安装机构，其位于所述旋转台的靠近双光梳扫描测距光路模块的一侧，用于安装被测物；平移部分，用于固定所述旋转部分，并使所述旋转部分平移，包括：平移台，其平移方向平行于所述旋转台的旋转平面，为x方向；其中，所述旋转部分与所述平移部分同时工作，使所述双光梳扫描测距光路模块的出射激光在被测物表面呈螺旋状扫描。
优选地，所述旋转部分还包括旋转台控制电机，其位于所述旋转台的背对所述双光梳扫描测距光路模块的一侧，用于控制旋转台做匀角速度圆周运动。
优选地，所述平移部分还包括平移台控制电机，其连接所述平移台，用于控制所述平移台做匀速直线运动。
优选地，所述数据采集与三维信息处理模块包括数据采集部分，其采样率高于拍频信号的2倍；以及计算处理部分，其整合所述双光梳扫描测距光路模块测量到的一维测距信息和所述旋转平移模块提供的二维距离信息。
优选地，所述双光梳扫描测距光路模块的测距的计算关系为：
其中，c是空气中光的传播速度，m是正整数，fa和fb是光频梳的不同频率成分，a和b为正整数且a＞b，a-b＝m，fa-fb＝mΔfrep，和分别是Ja和Jb的测量光路和参考光路的相位差。
作为本发明的另一个方面，提供一种基于双光梳扫描测距的三维形貌测量方法，利用前述的基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***，包括以下步骤：被测物固定在旋转台上，被测物的表面与旋转台的旋转表面保持平行；平移台在平移台控制电机的控制下做匀速直线运动，旋转台在旋转台控制电机的控制下做匀角速度圆周运动；双光梳扫描测距光路模块发射出的测量激光打在被测物上，在旋转平移台的运动下，所述测量激光在被测物表面呈螺旋运动，扫描整个样块表面；数据采集与三维信息处理模块采集平移台控制电机、旋转台控制电机的控制信号重构出被测物表面的x和y方向的二维信息，采集双光梳扫描测距光路模块的两个探测器的输出信号并解算出z方向的一维距离信息。
从上述技术方案可以看出，本发明的基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***及方法具有以下有益效果：
(1)由于可以选取小的重复频率差，能够获得比较大的景深；
(2)由于最小拍频频率可以较高，对应的数据更新率可以很快，保证了***能达到较快的测量速度；
(3)一维距离信息的获取测采用相位法绝对测距方式，不担心断光。
附图说明
图1是本发明实施例中基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***图；
图2为本发明实施例中基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***的侧视图；
图3为本发明实施例中双光梳扫描测距光路模块图；
【附图元件说明】
1-准直器； 2-准直器；
3-准直器； 4-被测物；
5-半透半反镜； 6-半透半反镜；
7-半透半反镜； 8-半透半反镜；
9-光电探测器； 10-光电探测器；
11-主振光学频率梳； 12-本振光学频率梳；
13-双光梳扫描测距光路模块； 14-被测物；
15-旋转台； 16-旋转台控制电机；
17-旋转平移模块由平移台； 18-平移台控制电机；
19-数据采集与三维信息处理模块； 20-光纤耦合器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
一种基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***及方法，所述***包括：双光梳扫描测距光路模块，用于测量被测物z方向上的一维距离信息；旋转平移模块，用于夹持并移动被测物，同时提供被测物x方向和y方向上的二维距离信息；数据采集与三维信息处理模块，其连接所述双光梳扫描测距光路模块和旋转平移模块，用于采集并整合所述双光梳扫描测距光路模块测量到的一维测距信息和所述旋转平移模块提供的二维距离信息，得到被测物的三维形貌信息。本发明的基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***及方法测量的景深大，测量的速度快，一维距离信息的获取测采用绝对测距方式，不担心断光，可测量阶梯面，可用于多种工业测量。
具体地，作为本发明的一个方面，提供一种基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***，包括：双光梳扫描测距光路模块，用于测量被测物在其出射激光方向上的一维距离信息，所述双光梳扫描测距光路模块的出射激光方向为z方向；旋转平移模块，用于夹持并移动被测物，同时提供被测物x方向和y方向上的二维距离信息；数据采集与三维信息处理模块，其连接所述双光梳扫描测距光路模块和所述旋转平移模块，用于采集并整合所述双光梳扫描测距光路模块测量到的一维测距信息和所述旋转平移模块提供的二维距离信息，得到被测物的三维形貌信息。
优选地，所述双光梳扫描测距光路模块包括：主振光学频率梳，其经分束器分成参考光和测量光；以及本振光学频率梳，其通过分束器分成两束光，一束与所述主振光学频率梳的参考光汇合并送入光电探测器作为测距的参考信号，另一束与所述主振光学频率梳的测量光汇合并送入光电探测器作为测距的测量信号；其中，所述主振光学频率梳与所述本振光学频率梳的中心频率的频率差为f0，重复频率的频率差为Δfrep，f0与Δfrep保证拍频信号的频率全部为正实数；所述双光梳扫描测距光路模块的测距光路为迈克尔逊干涉光路。
优选地，所述旋转平移模块包括：旋转部分，包括：旋转台，其旋转平面垂直于所述双光梳扫描测距光路模块的出射激光；安装机构，其位于所述旋转台的靠近双光梳扫描测距光路模块的一侧，用于安装被测物；平移部分，用于固定所述旋转部分，并使所述旋转部分平移，包括：平移台，其平移方向平行于所述旋转台的旋转平面，为x方向；其中，所述旋转部分与所述平移部分同时工作，使所述双光梳扫描测距光路模块的出射激光在被测物表面呈螺旋状扫描。
优选地，所述旋转部分还包括旋转台控制电机，其位于所述旋转台的背对所述双光梳扫描测距光路模块的一侧，用于控制旋转台做匀角速度圆周运动。
优选地，所述平移部分还包括平移台控制电机，其连接所述平移台，用于控制所述平移台做匀速直线运动。
优选地，所述数据采集与三维信息处理模块包括数据采集部分，其采样率高于拍频信号的2倍；以及计算处理部分，其整合所述双光梳扫描测距光路模块测量到的一维测距信息和所述旋转平移模块提供的二维距离信息。
优选地，所述双光梳扫描测距光路模块的测距的计算关系为：
其中，c是空气中光的传播速度，m是正整数，fa和fb是光频梳的不同频率成分，a和b为正整数且a＞b，a-b＝m，fa-fb＝mΔfrep，和分别是fa和fb的测量光路和参考光路的相位差。
优选地，所述基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***的测量景深等于双光梳扫描测距的非模糊范围，通过以下公式计算：
其中，c是光在空气中的运行速度，frep是主振光梳的重复频率。
作为本发明的另一个方面，提供一种基于双光梳扫描测距的三维形貌测量方法，利用前述的基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***，包括以下步骤：被测物固定在旋转台上，被测物的表面与旋转台的旋转表面保持平行；平移台在平移台控制电机的控制下做匀速直线运动，旋转台在旋转台控制电机的控制下做匀角速度圆周运动；双光梳扫描测距光路模块发射出的测量激光打在被测物上，在旋转平移台的运动下，所述测量激光在被测物表面呈螺旋运动，扫描整个样块表面；数据采集与三维信息处理模块采集平移台控制电机、旋转台控制电机的控制信号重构出被测物表面的x和y方向的二维信息，采集双光梳扫描测距光路模块的两个探测器的输出信号并解算出z方向的一维距离信息。
以下结合具体实施例和附图，对本发明提供的基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***及方法作进一步的详细说明。
实施例
图1是本发明实施例中基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***图。图2为本发明实施例中基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***的侧视图。如图1、图2所示，本发明双光梳扫描测距光路模块13、旋转平移模块和数据采集与三维信息处理模块19联合工作示意图，旋转平移模块由平移台17和旋转台15及平移台控制电机18和旋转台控制电机16组成。平移台17的平移方向平行于旋转台15的旋转平面，而旋转平面垂直于所述双光梳扫描测距光路模块的出射激光。平移台17在平移台控制电机18的控制下做匀速直线运动，旋转台15在旋转台控制电机16的控制下做匀角速度圆周运动。被测物14被固定在旋转台15上，被测物14的表面与旋转台15的旋转表面保持平行。双光梳扫描测距光路模块13发射出的测量激光打在被测物14上，在旋转平移台的运动下，测量光在被测物表面呈螺旋运动，最终扫描整个样块表面。平移台控制电机18、旋转台控制电机16和双光梳扫描测距光路模块13的两个探测器的输出信号都送入数据采集与三维信息处理模块19中，该模块计算平移台控制电机18和旋转台控制电机16的控制信号重构出被测物表面的x和y方向二维信息，再采集到的双光梳扫描测距光路模块13的两个探测器的输出信号并解算出z方向的一维距离信息，z方向的一维测距信息根据下面公式计算：
其中，c是空气中光的传播速度，m是正整数，fa和fb是光频梳的不同频率成分，a和b为正整数且a＞b，a-b＝m，fa-fb＝mΔfrep，和分别是fa和fb的测量光路和参考光路的相位差。而测量的景深等于上述双光学频率梳快速测距的非模糊范围，而测距的非模糊范围取决于主振光梳的重复频率，具体的非模糊范围可以通过以下公式计算：
其中，c是光在空气中的运行速度，frep是主振光梳的重复频率。
图3为本发明实施例中双光梳扫描测距光路模块图。如图3所述，本发明的双光梳扫描测距光路模块，包含一个主振光学频率梳11和本振光学频率梳12，两路光学频率梳有一个中心频率差f0和重复频率差为Δfrep。主振光学频率梳发出的光从光纤出射，经过准直器1变成空间光，再经过半透半反镜5分成两束空间光，一路作为测量光经半透半反镜8打到被测物4上，另一路作为参考光；本振光学频率梳12发出的光经一个1×2光纤耦合器20分成两路，其中一路通过准直器2变成空间光，再通过一个半透半反镜6与上述主振光学频率梳11的参考光汇合打入光电探测器9作为测距的参考信号；主振光学频率梳11的测量光从被测物4反射后经半透半反镜8与本振光学频率梳12经准直镜3发出的光在半透半反镜7上汇合一同打入光电探测器10上作为测距的测量信号。经过设置两路光学频率梳的中心频率差f0和重复频率差Δfrep，使得两路光频梳拍频信号的频率全部为正实数。
综上所述，基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***及方法测量的景深比较大，测量的速度快，一维距离信息的获取测采用绝对测距方式，不担心断光，可测量阶梯面，可用于多种工业测量。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***，其特征在于，包括：
双光梳扫描测距光路模块，用于测量被测物在其出射激光方向上的一维距离信息，所述双光梳扫描测距光路模块的出射激光方向为z方向；
旋转平移模块，用于夹持并移动被测物，同时提供被测物x方向和y方向上的二维距离信息；
数据采集与三维信息处理模块，其连接所述双光梳扫描测距光路模块和所述旋转平移模块，用于采集并整合所述双光梳扫描测距光路模块测量到的一维测距信息和所述旋转平移模块提供的二维距离信息，得到被测物的三维形貌信息。
2.根据权利要求1所述的基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***，其特征在于，
所述双光梳扫描测距光路模块包括：
主振光学频率梳，其经分束器分成参考光和测量光；以及
本振光学频率梳，其通过分束器分成两束光，一束与所述主振光学频率梳的参考光汇合并送入光电探测器作为测距的参考信号，另一束与所述主振光学频率梳的测量光汇合并送入光电探测器作为测距的测量信号；
其中，所述主振光学频率梳与所述本振光学频率梳的中心频率的频率差为f0，重复频率的频率差为Δfrep，f0与Δfrep保证拍频信号的频率全部为正实数；所述双光梳扫描测距光路模块的测距光路为迈克尔逊干涉光路。
3.根据权利要求1所述的基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***，其特征在于，
所述旋转平移模块包括：
旋转部分，包括：
旋转台，其旋转平面垂直于所述双光梳扫描测距光路模块的出射激光；
安装机构，其位于所述旋转台的靠近双光梳扫描测距光路模块的一侧，用于安装被测物；
平移部分，用于固定所述旋转部分，并使所述旋转部分平移，包括：
平移台，其平移方向平行于所述旋转台的旋转平面，为x方向；
其中，所述旋转部分与所述平移部分同时工作，使所述双光梳扫描测距光路模块的出射激光在被测物表面呈螺旋状扫描。
4.根据权利要求3所述的基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***，其特征在于，
所述旋转部分还包括旋转台控制电机，其位于所述旋转台的背对所述双光梳扫描测距光路模块的一侧，用于控制旋转台做匀角速度圆周运动。
5.根据权利要求3所述的基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***，其特征在于，
所述平移部分还包括平移台控制电机，其连接所述平移台，用于控制所述平移台做匀速直线运动。
6.根据权利要求1所述的基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***，其特征在于，
所述数据采集与三维信息处理模块包括数据采集部分，其采样率高于拍频信号的2倍；以及
计算处理部分，其整合所述双光梳扫描测距光路模块测量到的一维测距信息和所述旋转平移模块提供的二维距离信息。
7.根据权利要求1所述的基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***，其特征在于，
所述双光梳扫描测距光路模块的测距的计算关系为：
其中，c是空气中光的传播速度，m是正整数，fa和fb是光频梳的不同频率成分，a和b为正整数且a＞b，a-b＝m，fa-fb＝mΔfrep，和分别是Ja和Jb的测量光路和参考光路的相位差。
8.一种基于双光梳扫描测距的三维形貌测量方法，所述方法利用权利要求1～7任一项所述的基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***来实现，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
被测物固定在旋转台上，被测物的表面与旋转台的旋转表面保持平行；
平移台在平移台控制电机的控制下做匀速直线运动，旋转台在旋转台控制电机的控制下做匀角速度圆周运动；
双光梳扫描测距光路模块发射出的测量激光打在被测物上，在旋转平移台的运动下，所述测量激光在被测物表面呈螺旋运动，扫描整个样块表面；
数据采集与三维信息处理模块采集平移台控制电机、旋转台控制电机的控制信号重构出被测物表面的x和y方向的二维信息，采集双光梳扫描测距光路模块的两个探测器的输出信号并解算出z方向的一维距离信息。
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