一種動(dòng)態(tài)相位測(cè)量裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種動(dòng)態(tài)相位測(cè)量裝置及方法，其裝置包括寬帶弱相干光源、光譜分析儀、光纖耦合器、光隔離器、光纖偏振控制器、參考臂光纖、信號(hào)臂光纖、第一光纖探頭、第二光纖探頭，第一、第二光纖探頭均包括光纖準(zhǔn)直器、聚焦透鏡和寬帶鍍膜反射鏡，寬帶弱相干光源與光隔離器相連后接光纖耦合器的第一端口，光譜分析儀接光纖耦合器的第二端口，參考臂光纖一端接光纖耦合器的第三端口，另一端接第一光纖探頭的光纖準(zhǔn)直器，聚焦透鏡設(shè)在光纖準(zhǔn)直器和寬帶鍍膜反射鏡之間；信號(hào)臂光纖一端接光纖耦合器的第四端口，另一端接第二光纖探頭的光纖準(zhǔn)直器；參考臂光纖和信號(hào)臂光纖上均裝有光纖偏振控制器。本發(fā)明降低動(dòng)態(tài)相位測(cè)量裝置的復(fù)雜度與成本。
【專利說(shuō)明】一種動(dòng)態(tài)相位測(cè)量裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)測(cè)量的【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是指一種動(dòng)態(tài)相位測(cè)量裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，隨著光學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)采集與處理技術(shù)以及數(shù)字圖像處理 技術(shù)的快速發(fā)展，相移干涉測(cè)量技術(shù)作為一種高精度的光學(xué)信號(hào)檢測(cè)手段已經(jīng)廣泛的應(yīng)用 于光學(xué)檢測(cè)、散斑分析、數(shù)字全息、三維形貌測(cè)量等眾多領(lǐng)域。相移干涉測(cè)量是基于光的干 涉原理，在測(cè)量過(guò)程中通過(guò)對(duì)參考臂和信號(hào)臂之間引入不同的相移量調(diào)制，并采集被測(cè)物 體在不同相移量下的多幅干涉圖，通過(guò)一定的算法運(yùn)算就可以獲得被測(cè)物體的相位信息。
[0003] 在相移干涉測(cè)量中，常用的引入相移調(diào)制的方法有：1、時(shí)域相移調(diào)制法：通過(guò)使 用壓電式相移器電致伸縮特性產(chǎn)生相移，調(diào)制精度高，但速度較慢；2、外差調(diào)制法：通過(guò)使 用聲光移頻器使相干涉的兩束光產(chǎn)生一定的頻率差從而產(chǎn)生相移，調(diào)制精度受移頻器穩(wěn)定 性影響較大，光路較復(fù)雜；3、激光器頻率調(diào)制法：以半導(dǎo)體激光器作為測(cè)量光源，通過(guò)控制 半導(dǎo)體激光器的注入電流或環(huán)境溫度來(lái)改變激光器輸出波長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)相移，難以在測(cè)量過(guò) 程中確定相移量；4、相位掩模法：將能夠產(chǎn)生不同相移量的相位掩模固定在采集干涉圖的 CCD相機(jī)上，在一次曝光中采集到各區(qū)域具有不同相移量的干涉圖。
[0004] 現(xiàn)有的相移調(diào)制方法中，相移調(diào)制速度較慢的干涉測(cè)量手段，通常只適用于靜態(tài) 物體的相位測(cè)量，不能用于相位隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)相位物體的測(cè)量。相位掩模法可以一次 記錄多幅具有不同相移量的干涉圖，可以應(yīng)用于動(dòng)態(tài)相位物體的測(cè)量，但相位掩模的制造 成本較高，所獲得的圖像的橫向分辨率也會(huì)降低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺點(diǎn)，提供一種使用寬帶弱相干光源作 為測(cè)量光源的動(dòng)態(tài)相位測(cè)量裝置及方法，通過(guò)使用寬帶弱相干光源的寬帶光譜作為相移調(diào) 制，采用快速的光譜分析儀采集干涉信號(hào)，相移調(diào)制速度取決于光譜分析儀的采樣速度，由 于目前的快速光譜分析儀已經(jīng)能達(dá)到百kHz以上的高速采樣，使得干涉信號(hào)能在相移調(diào)制 完成的瞬間被記錄下來(lái)，通過(guò)對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行處理后利用相移算法就能提取被測(cè)物體的相 位信息。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：一種動(dòng)態(tài)相位測(cè)量裝置包括有寬 帶弱相干光源、光譜分析儀、光纖耦合器、光隔離器、光纖偏振控制器、參考臂光纖、信號(hào)臂 光纖、第一光纖探頭、第二光纖探頭，其中，所述第一光纖探頭和第二光纖探頭均包括有光 纖準(zhǔn)直器、聚焦透鏡和寬帶鍍膜反射鏡，所述寬帶弱相干光源與光隔離器相連后通過(guò)光纖 連接至光纖耦合器的第一端口，所述光譜分析儀通過(guò)光纖連接至光纖耦合器的第二端口， 所述參考臂光纖的一端連接至光纖耦合器的第三端口，其另一端連接第一光纖探頭的光纖 準(zhǔn)直器，所述聚焦透鏡設(shè)在光纖準(zhǔn)直器和寬帶鍍膜反射鏡之間，且所述寬帶鍍膜反射鏡位 于聚焦透鏡的焦平面上；所述信號(hào)臂光纖的一端連接至光纖耦合器的第四端口，其另一端 連接第二光纖探頭的光纖準(zhǔn)直器；所述參考臂光纖和信號(hào)臂光纖上均安裝有光纖偏振控制 器，旋轉(zhuǎn)所述光纖偏振控制器能改變光束的偏振態(tài)；當(dāng)測(cè)量透射式相位物體時(shí)，被測(cè)物體位 于所述光纖準(zhǔn)直器與聚焦透鏡之間，當(dāng)測(cè)量反射式相位物體時(shí)，被測(cè)物體位于聚焦透鏡的 焦平面上。
[0007] 被測(cè)相位物體上任意一點(diǎn)（X，y)的在t時(shí)刻的干涉信號(hào)It(x，y)可以表示為：
[0008] It (x, y) = At (x, y) +Bt (x, y) cos [ Φ t (x, y) ] (1)
[0009] 其中，At(x，y)、Bt(x，y)、Φ,(χ，y)分別表示干涉信號(hào)的背景強(qiáng)度、調(diào)制強(qiáng)度、被測(cè) 物體的相位。（1)式可以表示為：
[0010]

【權(quán)利要求】
1. 一種動(dòng)態(tài)相位測(cè)量裝置，其特征在于：包括有寬帶弱相干光源（1)、光譜分析儀（2)、 光纖稱合器（3)、光隔離器（4)、光纖偏振控制器（5)、參考臂光纖（6)、信號(hào)臂光纖（7)、第 一光纖探頭、第二光纖探頭，其中，所述第一光纖探頭和第二光纖探頭均包括有光纖準(zhǔn)直器 (8)、聚焦透鏡（9)和寬帶鍍膜反射鏡（10)，所述寬帶弱相干光源（1)與光隔離器（4)相連 后通過(guò)光纖連接至光纖耦合器（3)的第一端口，所述光譜分析儀（2)通過(guò)光纖連接至光纖 耦合器⑶的第二端口，所述參考臂光纖（6)的一端連接至光纖耦合器（3)的第三端口，其 另一端連接第一光纖探頭的光纖準(zhǔn)直器（8)，所述聚焦透鏡（9)設(shè)在光纖準(zhǔn)直器（8)和寬帶 鍍膜反射鏡（10)之間，且所述寬帶鍍膜反射鏡（10)位于聚焦透鏡（9)的焦平面上；所述信 號(hào)臂光纖（7)的一端連接至光纖耦合器（3)的第四端口，其另一端連接第二光纖探頭的光 纖準(zhǔn)直器（8);所述參考臂光纖（6)和信號(hào)臂光纖（7)上均安裝有光纖偏振控制器（5)，旋 轉(zhuǎn)所述光纖偏振控制器（5)能改變光束的偏振態(tài)；當(dāng)測(cè)量透射式相位物體時(shí)，被測(cè)物體位 于所述光纖準(zhǔn)直器（8)與聚焦透鏡（9)之間，當(dāng)測(cè)量反射式相位物體時(shí)，被測(cè)物體位于聚焦 透鏡（9)的焦平面上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動(dòng)態(tài)相位測(cè)量裝置，其特征在于：所述寬帶弱相干光源 (1)為近紅外光源，其中心波長(zhǎng)為A。，起始波長(zhǎng)為A ^，光譜帶寬為A A ;所述光纖耦合器 (3)采用邁克爾遜結(jié)構(gòu)，能傳輸中心波長(zhǎng)為入。、帶寬為A入的寬帶光。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動(dòng)態(tài)相位測(cè)量裝置，其特征在于：所述光譜分析儀（2) 采樣頻率達(dá)百kHz以上，其光譜響應(yīng)范圍覆蓋寬帶弱相干光源（1)的整個(gè)工作波段。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動(dòng)態(tài)相位測(cè)量裝置，其特征在于：由寬帶弱相干光源（1) 輸出的光束經(jīng)過(guò)光纖f禹合器（3)后分為兩束，其中一束光在參考臂光纖（6)中傳輸后經(jīng)鍍 膜反射鏡反射回光纖耦合器（3)，另一束光經(jīng)過(guò)信號(hào)臂光纖（7)返回光纖耦合器（3)，兩束 光所經(jīng)歷的光程相等。
5. -種權(quán)利要求1所述動(dòng)態(tài)相位測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)相位測(cè)量方法，其特征在于：首先，開 啟所述寬帶弱相干光源和光譜分析儀，并放置好被測(cè)相位物體，調(diào)整所述參考臂光纖與信 號(hào)臂光纖的光纖準(zhǔn)直器與聚焦透鏡之間的距離，使兩臂的光程差相等；然后阻擋所述信號(hào) 臂光纖的光信號(hào)，使所述光譜分析儀只探測(cè)到參考臂光纖信號(hào)，即寬帶弱相干光源的光譜， 記錄并保存此信號(hào)；之后測(cè)量并保存信號(hào)臂光纖與參考臂光纖之間的干涉信號(hào)，由于物體 的相位是動(dòng)態(tài)變化的，因此采集到的干涉信號(hào)也是隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的，通過(guò)對(duì)干涉信號(hào)進(jìn) 行處理即可獲得動(dòng)態(tài)相位物體的相位變化信息，其處理流程如下： 1) 將光譜分析儀采集到的干涉信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，并將信號(hào)數(shù)據(jù)由波長(zhǎng)空間轉(zhuǎn)換到 波數(shù)空間，按頻率等間隔進(jìn)行插值重采樣； 2) 對(duì)重采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，去除直流分量，然后進(jìn)行傅里葉逆變換，得到處 理后的干涉信號(hào)； 3) 從處理后的干涉信號(hào)的起始點(diǎn)開始依次選取相移量間隔為f的四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)1:、12、 13、14，利用四步相移算法
，計(jì)算出被探測(cè)點(diǎn)此時(shí)刻的包裹相位小i ; 4) 對(duì)探測(cè)點(diǎn)在所有時(shí)刻的數(shù)據(jù)重復(fù)進(jìn)行上面步驟1)至步驟3)的操作，獲得所有時(shí)刻 探測(cè)點(diǎn)的包裹相位小i，解包裹后即可得到探測(cè)點(diǎn)的相位變化小。
【文檔編號(hào)】G01J9/02GK104280139SQ201410587262
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】張鳳杰, 曹祥東 申請(qǐng)人:廣州飛拓優(yōu)視光電科技有限公司, 武漢虹拓新技術(shù)有限責(zé)任公司