CN109883350A - 一种异形曲面结构内部形貌的高精度测量***和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异形曲面结构内部形貌的高精度测量***和测量方法，所述测量***包括生成超短飞秒脉冲并输出泵浦光和探测光的飞秒激光***、经所述泵浦光激发生成太赫兹波并发射至被测物体的太赫兹波发射器、用于采样所述被测物体的外表面和内表面反射的太赫兹波脉冲太赫兹波探测器、时间延迟控制器、根据所述外表面和内表面反射的太赫兹波脉冲计算时间间隔的平衡探测器、根据所述时间间隔计算所述测试点的结构厚度的处理器，以及固定并带动所述被测物体沿水平方向移动的二维扫描平台，通过测量被测物体各个测试点的机构厚度，从而实现异形曲面结构内部形貌的非接触式测量，解决异形内形面和厚度分布测量的难题，具有广泛的实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹波技术领域，特别是涉及一种异形曲面结构内部形貌的高精度测量***和测量方法。
背景技术
异形空间自由曲面结构，非传统的圆锥体、圆柱体等轴对称结构。在航天、航空等领域的各种设备和关键零部件上得到了应用，这些结构的内外形面和厚度是设计的关键参数。
目前对异形形面测量主要采用三坐标测量机进行测量。但对于孔径较小、较深或复杂形面存在遮挡的被测物体，三坐标测量机均无法进行测量，因此如何解决对异形空间自由曲面结构的测量成为噬待解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题至少之一，本发明第一方面提供一种异形曲面结构内部形貌的高精度测量***，包括飞秒激光***、太赫兹波发射器、太赫兹波探测器、时间延迟控制器、二维扫描平台、平衡探测器和处理器，其中
所述飞秒激光***，用于生成超短飞秒脉冲并输出泵浦光和探测光；
所述太赫兹波发射器，被经所述时间延迟控制器延迟后的泵浦光激发生成太赫兹波，并发射至被测物体的一个测试点；
所述太赫兹波探测器，采样从所述测试点的外表面和内表面反射的太赫兹波脉冲，并调制所述探测光；
所述平衡探测器，接收所述调制后的探测光，获取所述太赫兹脉冲的适于波形，并计算所述外表面和内表面反射的太赫兹波脉冲的时间间隔；
所述处理器，用于根据所述时间间隔计算所述测试点的结构厚度；
所述二维扫描平台，用于固定并带动所述被测物体沿水平方向移动，以测量所述被测物体预设置的多个测试点。
进一步的，所述测量***为反射式测量***，所述太赫兹波发射器和太赫兹波探测器位于所述被测物体的同一侧。
进一步的，所述时间延迟控制器为基于回转螺旋面反射镜的光学延迟线。
进一步的，所述太赫兹波发射器包括光电导天线和第一抛物柱面反射镜，所述光电导天线经泵浦光激发后通过所述第一抛物柱面反射镜聚焦到所述被测物体的测试点。
进一步的，所述太赫兹波探测器包括第二抛物柱面反射镜、探测晶体、1/4波片和沃拉斯顿棱镜，所述第二抛物柱面反射镜采样从所述测试点的外表面和内表面反射的太赫兹波脉冲，与所述探测光聚焦于所述探测晶体，所述探测晶体根据所述太赫兹波脉冲产生非线性效应并调制所述探测光，经所述1/4波片和沃拉斯顿棱镜输出两束偏振状态垂直的光。
进一步的，所述测量***还包括三维图像重构模块，用于根据所述多个测试点建立三维数据库并获得三维坐标的测量数据。
本发明第二方面提供一种第一方面所述测量***的测量方法，包括：
S101：生成超短飞秒脉冲并输出泵浦光和探测光；
S102：所述泵浦光经所述时间延迟控制器延迟后激发太赫兹波发射器生成太赫兹波，并发射至被测物体的一个测试点；
S103：采样从所述测试点的外表面和内表面反射的太赫兹波脉冲，并调制所述探测光；
S104：接收所述调制后的探测光，获取所述太赫兹脉冲的适于波形，并计算所述外表面和内表面反射的太赫兹波脉冲的时间间隔；
S105：根据所述时间间隔计算所述测试点的结构厚度；
S106：将所述被测物体固定在二维扫描平台，由所述二维扫描平台带动沿水平方向移动，跳转至S101以测量所述被测物体预设置的多个测试点。
进一步的，所述方法还包括：
S107：根据所述多个测试点建立三维数据库并获得三维坐标的测量数据。
进一步的，所述根据所述多个测试点建立三维数据库并获得三维坐标的测量数据进一步包括：
S1071：通过表面重建获得所述被测物体的表面图像，以获得所述被测物体的三维形态及不同测试点位置的厚度分布；
S1072：通过切面重建，从旋转三维数据库选定任意一个平面二维断面图像，标明其在空间的方向和位置以进行多平面图像分析；
S1073：在反射信号梯度最小方向上采用边界导向的插值算法以还原图像的分辨率和主观清晰度。
本发明的有益效果如下：
本发明针对目前现有的异形空间自由曲面结构难以测量的问题，制定一种异形曲面结构内部形貌的高精度测量***和测量方法，通过基于太赫兹时域光谱技术的异形曲面结构内部形貌的测量***和测量方法，对复合材料样件的内外表面形面测量，并同时测量被测物体的厚度分布，对被测物体进行三维图像的快速还原，从而解决现有技术中存在的问题。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明的一个实施例所述高精度测量***的结构示意图；
图2示出本发明的一个实施例所述高精度测量***的结构框图；
图3示出本发明的一个实施例所述太赫兹波发射器的结构框图；
图4示出本发明的一个实施例所述太赫兹波探测器的结构框图；
图5示出本发明的一个实施例所述测量方法的流程图；
图6示出本发明的一个实施例所述三维重构的流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的一个实施例提供了一种异形曲面结构内部形貌的高精度测量***，包括飞秒激光***、太赫兹波发射器、太赫兹波探测器、时间延迟控制器、二维扫描平台、平衡探测器和处理器，其中所述飞秒激光***，用于生成超短飞秒脉冲并输出泵浦光和探测光；所述太赫兹波发射器，被经所述时间延迟控制器延迟后的泵浦光激发生成太赫兹波，并发射至被测物体的一个测试点；所述太赫兹波探测器，采样从所述测试点的外表面和内表面反射的太赫兹波脉冲，并调制所述探测光；所述平衡探测器，接收所述调制后的探测光，获取所述太赫兹脉冲的适于波形，并计算所述外表面和内表面反射的太赫兹波脉冲的时间间隔；所述处理器，用于根据所述时间间隔计算所述测试点的结构厚度；所述二维扫描平台，用于固定并带动所述被测物体沿水平方向移动，以测量所述被测物体预设置的多个测试点。进一步的，考虑到所述被测物体为金属基底，无法通过透射式测量***进行测量，本实施例中的所述测量***为反射式测量***，所述太赫兹波发射器和太赫兹波探测器位于所述被测物体的同一侧。
在一个具体的示例中，如图2所示，所述测量***包括飞秒激光***、太赫兹波发射器、太赫兹波探测器、时间延迟控制器、二维扫描平台、平衡探测器和处理器。飞秒激光***的飞秒激光器发射飞秒脉冲，飞秒激光脉冲的波长为1550nm，经分束镜分为两束激光，一束为泵浦光，一束为探测光。所述泵浦光经过时间延迟控制器延迟，所述时间延迟控制器为基于回转螺旋面反射镜的光学延迟线，所述光学延迟线为周期性快速扫描的光学延迟线，替代传统的由步进电机驱动的线性微位移平台上的光学背向反射器构成的光学延迟线。值得说明的是，回转螺旋面反射镜用做光学延迟线元件时，入射光需平行于回转螺旋面的旋转轴z轴入射到回转螺旋面反射镜上。当回转螺旋面反射镜绕z轴匀速旋转时，反射点将会在回转螺旋面上周期性的画一条螺旋线，而反射点沿z轴方向也会周期性往复运动。反射点在z轴方向上的变化就会产生光学延迟，光学延迟距离即为2倍的z轴变化量，延迟距离与回转螺旋面旋转角度的关系为：其中d为回转螺旋面的导程，是回转螺旋面旋转的角度。回转螺旋面周期性旋转的过程中，旋转角度φ在0～2π之间周期性变化，故入射光将会得到0～2d之间的周期性线性光程延迟(对应于0～2d/c的时间延迟)。其扫描频率可以达到几十Hz，这种方式以较低的成本提高数据采集速度，并有效缩短了成像时间。
经延迟控制的所述泵浦光由透镜聚焦到太赫兹波发射器上，如图3所示，所述太赫兹波发射器包括光电导天线和第一抛物柱面反射镜，所述光电导天线经泵浦光激发后通过所述第一抛物柱面反射镜聚焦到所述被测物体的测试点。在本实施例中所述光电导天线使用低温GaAs(LT-GaAs)作为基底，其上蒸镀金作为电极，泵浦光照射到两电极中间的狭缝，产生光生载流子(电子-空穴)，光生载流子在偏置电场的作用下向两级运动，辐射出太赫兹波。所述太赫兹波通过第一抛物柱面反射镜聚焦到被测物体的测试点上。
被测物体的测试点接收所述太赫兹波，所述被测物体的测试点的内表面和外表面反射太赫兹脉冲。如图4所示，所述太赫兹波探测器包括第二抛物柱面反射镜、探测晶体、1/4波片和沃拉斯顿棱镜，所述第二抛物柱面反射镜采样从所述测试点的外表面和内表面反射的太赫兹波脉冲，与所述探测光聚焦于所述探测晶体，所述探测晶体根据所述太赫兹波脉冲产生非线性效应并调制所述探测光，经所述1/4波片和沃拉斯顿棱镜输出两束偏振状态垂直的光。所述太赫兹波探测器的第二抛物柱面反射镜采样所述反射太赫兹脉冲，即所述反射太赫兹脉冲经过另外一对离轴抛物柱面反射镜收集并聚焦到晶面取向的探测晶体(即电光晶体)上。所述探测光与反射太赫兹脉冲一同聚焦于探测晶体上，探测光与太赫兹脉冲共线照射到探测晶体上，太赫兹脉冲使得探测晶体产生非线性效应，所述探测晶体的折射率椭球发生变化，探测光受到调制导致偏振状态发生变化。调制后的探测光经过1/4波片(QWP)、渥拉斯顿棱镜(WP)分成两束偏振状态垂直的光，照射到平衡探测器上。
所述平衡探测器将接收的信号通过锁相放大器能够获得太赫兹脉冲某一时刻的信号，通过调整探测光的延迟线可以得到完整太赫兹脉冲的时域波形，计算出内表面和外表面反射的两个太赫兹波脉冲时间间隔。
所述处理器根据所述时间间隔计算所述测试点的结构厚度，至此得到所述测试点的形貌和厚度。
将被测物体固定在二维扫描平台上，由二维扫描平台带动被测物体沿水平方向移动，确保所述被测物体的预置区域全部被扫描，即测量所述被测物体预设置的多个测试点，所述每个测试点对应每一个空间点上带有被测物体信息的反射时域波，处理器采集并保存预置区域中每个测试点的时域信息，将时域波进行傅里叶变换可得到每一个测试点的太赫兹频率响应谱。即从每一点的光谱中提取出选定振幅或位相信息,就可以获得一个二维点阵,对样品图像进行重构并显示，从而得到异形曲面结构内部形貌信息。
在一个优选的实施例中，所述测量***还包括三维图像重构模块，用于根据所述多个测试点建立三维数据库并获得三维坐标的测量数据。所述三维图像重构模块是根据被测物体材料的厚度分布结合材料的位置坐标信息进行计算，还原整个材料的三维图像，并实现三维图像的分析及坐标信息的提取。三维图像的还原首先建立图像的三维数据库，将二维平台扫描的位置信息及测量数据与材料深度信息测量数据相融合，得到三维坐标下的测量数据，然后以矩阵形式存储于计算机中，实现三维立体视图还原。本实施例中使用时间飞行方法或光学方法测量被测物体的外表面，同时结合Z轴方向内表面和外表面的差值数据，计算得到被测物体内表面数据，还原整个样品的三维图像。
与上述实施例提供的测量***相对应，本申请的一个实施例还提供一种利用上述测量***的测量方法，由于本申请实施例提供的测量方法与上述几种实施例提供的测量***相对应，因此在前述实施方式也适用于本实施例提供的测量方法，在本实施例中不再详细描述。
如图5所示，本申请的一个实施例还提供一种利用上述测量***的测量方法，包括：S101：生成超短飞秒脉冲并输出泵浦光和探测光；S102：所述泵浦光经所述时间延迟控制器延迟后激发太赫兹波发射器生成太赫兹波，并发射至被测物体的一个测试点；S103：采样从所述测试点的外表面和内表面反射的太赫兹波脉冲，并调制所述探测光；S104：接收所述调制后的探测光，获取所述太赫兹脉冲的适于波形，并计算所述外表面和内表面反射的太赫兹波脉冲的时间间隔；S105：根据所述时间间隔计算所述测试点的结构厚度；S106：将所述被测物体固定在二维扫描平台，由所述二维扫描平台带动沿水平方向移动，跳转至S101以测量所述被测物体预设置的多个测试点。
在一个优选的实施例中，所述方法还包括：S107：根据所述多个测试点建立三维数据库并获得三维坐标的测量数据。如图6所示，具体包括：S1071：通过表面重建获得所述被测物体的表面图像，以获得所述被测物体的三维形态及不同测试点位置的厚度分布；S1072：通过切面重建，从旋转三维数据库选定任意一个平面二维断面图像，标明其在空间的方向和位置以进行多平面图像分析；S1073：在反射信号梯度最小方向上采用边界导向的插值算法以还原图像的分辨率和主观清晰度。
本发明针对目前现有的异形空间自由曲面结构难以测量的问题，制定一种异形曲面结构内部形貌的高精度测量***和测量方法，通过基于太赫兹时域光谱技术的异形曲面结构内部形貌的测量***和测量方法，对复合材料样件的内外表面形面测量，并同时测量被测物体的厚度分布，对被测物体进行三维图像的快速还原，从而解决现有技术中存在的问题。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (9)
1.一种异形曲面结构内部形貌的高精度测量***，其特征在于，包括飞秒激光***、太赫兹波发射器、太赫兹波探测器、时间延迟控制器、二维扫描平台、平衡探测器和处理器，其中
所述飞秒激光***，用于生成超短飞秒脉冲并输出泵浦光和探测光；
所述太赫兹波发射器，被经所述时间延迟控制器延迟后的泵浦光激发生成太赫兹波，并发射至被测物体的一个测试点；
所述太赫兹波探测器，采样从所述测试点的外表面和内表面反射的太赫兹波脉冲，并调制所述探测光；
所述平衡探测器，接收所述调制后的探测光，获取所述太赫兹脉冲的适于波形，并计算所述外表面和内表面反射的太赫兹波脉冲的时间间隔；
所述处理器，用于根据所述时间间隔计算所述测试点的结构厚度；
所述二维扫描平台，用于固定并带动所述被测物体沿水平方向移动，以测量所述被测物体预设置的多个测试点。
2.根据权利要求1所述的测量***，其特征在于，所述测量***为反射式测量***，所述太赫兹波发射器和太赫兹波探测器位于所述被测物体的同一侧。
3.根据权利要求2所述的测量***，其特征在于，所述时间延迟控制器为基于回转螺旋面反射镜的光学延迟线。
4.根据权利要求2所述的测量***，其特征在于，所述太赫兹波发射器包括光电导天线和第一抛物柱面反射镜，所述光电导天线经泵浦光激发后通过所述第一抛物柱面反射镜聚焦到所述被测物体的测试点。
5.根据权利要求2所述的测量***，其特征在于，所述太赫兹波探测器包括第二抛物柱面反射镜、探测晶体、1/4波片和沃拉斯顿棱镜，所述第二抛物柱面反射镜采样从所述测试点的外表面和内表面反射的太赫兹波脉冲，与所述探测光聚焦于所述探测晶体，所述探测晶体根据所述太赫兹波脉冲产生非线性效应并调制所述探测光，经所述1/4波片和沃拉斯顿棱镜输出两束偏振状态垂直的光。
6.根据权利要求1所述的测量***，其特征在于，所述测量***还包括三维图像重构模块，用于根据所述多个测试点建立三维数据库并获得三维坐标的测量数据。
7.一种利用权利要求1-6中任一项所述测量***的测量方法，其特征在于，包括：
S101：生成超短飞秒脉冲并输出泵浦光和探测光；
S102：所述泵浦光经所述时间延迟控制器延迟后激发太赫兹波发射器生成太赫兹波，并发射至被测物体的一个测试点；
S103：采样从所述测试点的外表面和内表面反射的太赫兹波脉冲，并调制所述探测光；
S104：接收所述调制后的探测光，获取所述太赫兹脉冲的适于波形，并计算所述外表面和内表面反射的太赫兹波脉冲的时间间隔；
S105：根据所述时间间隔计算所述测试点的结构厚度；
S106：将所述被测物体固定在二维扫描平台，由所述二维扫描平台带动沿水平方向移动，跳转至S101以测量所述被测物体预设置的多个测试点。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述方法还包括：
S107：根据所述多个测试点建立三维数据库并获得三维坐标的测量数据。
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述根据所述多个测试点建立三维数据库并获得三维坐标的测量数据进一步包括：
S1071：通过表面重建获得所述被测物体的表面图像，以获得所述被测物体的三维形态及不同测试点位置的厚度分布；
S1072：通过切面重建，从旋转三维数据库选定任意一个平面二维断面图像，标明其在空间的方向和位置以进行多平面图像分析；
S1073：在反射信号梯度最小方向上采用边界导向的插值算法以还原图像的分辨率和主观清晰度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190614 |