光纖光學相干測距裝置和光纖光學測距方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光纖光學相干測距裝置和光纖光學測距方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 測距在現(xiàn)代工業(yè)自動化領域廣泛的應用，而遠距離光學測距由于其沒有電火花隱 患，在油、汽等易爆特殊環(huán)境下，有很好的安全特性而廣受青睞。然而現(xiàn)有的光學測距技術(shù) 由于本身的特點，在亞微米到幾十毫米的范圍內(nèi)精確測距遇到相應的挑戰(zhàn)。如激光雷達等 測距方法只適用遠距離測量；傳統(tǒng)的相干光學測距需要被測表面光滑形成平面反射，且光 路對準要求十分嚴格，被測表面相對于測量光的微小角度偏移將導致測量失敗。
[0003] 本申請人在相干測距技術(shù)的研究中發(fā)現(xiàn)：通常的有一定粗糙度的表面，如金屬加 工表面，不能像光學表面一樣反射光，無論什么角度的光照射到其表面，都會在較大的空間 角范圍內(nèi)產(chǎn)生散射光，散射光的傳播方向分散，相干性降低。兩部分從不同表面散射的光合 在一起將很難形成相干條紋，無法進行相干測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種光纖光學相干測距裝置和光纖光學相干測距方法，以 實現(xiàn)對非光滑表面的相干光學測距。
[0005] 為此，本發(fā)明的一方面提供了一種光纖光學相干測距裝置，包括：帶波長掃描的解 調(diào)單元、光學頭、以及用于將解調(diào)單元發(fā)出的激光傳導至光學頭上的單模光纖傳導單元，其 中，光學頭包括準直透鏡系統(tǒng)和參考面，其中準直透鏡系統(tǒng)用于將單模光纖傳導單元的光 纖端面輸出的激光準直；參考面用于將經(jīng)過準直的激光的一部分反射回光纖端面并耦合進 入單模光纖；以及解調(diào)單元用于檢測單模光纖內(nèi)的相干光并且用于根據(jù)相干光計算參考面 與被測表面的距離，其中，相干光由從被測表面反射或者散射的光和從參考面反射的光奉禹 合進入同一單模光纖中進行相干形成。
[0006] 進一步地，上述解調(diào)單元包括：控制和信號處理單元、波長或頻率可調(diào)諧的激光 器、以及光電檢測器，其中，光電檢測器用于檢測單模光纖內(nèi)的相干光，控制和信號處理單 元用于控制激光器輸出的激光的波長和頻率，并且用于在掃描范圍內(nèi)根據(jù)相干光的變化計 算參考面與被測表面的距離。
[0007] 進一步地，上述光纖光學相干測距裝置包括多個光學頭和與多個光學頭一一對應 設置的多個單模光纖傳導單元，其中，解調(diào)單元包括與多個光學頭一一對應設置的多個光 電檢測器，其中，激光器通過分路器將激光分別提供給單模光纖傳導單元。
[0008] 進一步地，上述單模光纖傳導單元包括單模光纖和在單模光纖的傳輸路徑上設置 的回光分路器件。
[0009] 進一步地，上述回光分路器件為光纖分路器或光纖回路器。
[0010] 進一步地，上述參考面為準直透鏡系統(tǒng)的一個表面。
[0011] 進一步地，上述參考面在獨立于準直透鏡系統(tǒng)的參考片上形成。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種光纖光學相干測距方法，包括以下步驟：獲得 相干光，相干光由從被測表面反射或者散射的光和從參考面反射的光耦合進入同一單模光 纖中進行相干形成；以及根據(jù)相干光計算被測表面與參考面之間的距離。
[0013] 進一步地，上述入射在參考面上的光為經(jīng)過準直的光。
[0014] 進一步地，上述入射在被測表面上的光為經(jīng)過準直的光。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的光纖光學相干測距方法和裝置，其中相干光由從被測表面反射或散 射的光與從參考面反射的光耦合進同一單模光纖芯的光進行相干而獲得，如此可對非光學 反射表面如非拋光的金屬、塑料等表面進行測距。本發(fā)明有效地降低了在測距應用時對光 路對準的要求，從拓展了相干光學測距在自動化和光學傳感中的應用范圍。
[0016] 除了上面所描述的目的、特征、和優(yōu)點之外，本發(fā)明具有的其它目的、特征、和優(yōu) 點，將結(jié)合附圖作進一步詳細的說明。
【附圖說明】
[0017] 構(gòu)成本說明書的一部分、用于進一步理解本發(fā)明的附圖示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施 例，并與說明書一起用來說明本發(fā)明的原理。圖中：
[0018] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的光纖相干測距裝置的實施例一的框圖；
[0019] 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的光纖相干測距裝置的實施例二的框圖；
[0020] 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的光纖相干測距裝置中光學頭的第一實施例的結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0021] 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的光纖相干測距裝置中光學頭的第二實施例的結(jié)構(gòu)示意 圖；以及
[0022] 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的光纖相干測距裝置中光學頭的第三實施例的結(jié)構(gòu)示意 圖。
【具體實施方式】
[0023] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明，但是本發(fā)明可以由權(quán)利要求限定 和覆蓋的多種不同方式實施。
[0024] 本發(fā)明的光纖光學相干測量方法，應用了單模光纖的光學濾波特性，將從被測表 面反射或散射的光耦合進單模光纖芯并且與從參考面反射的光耦合進同一單模光纖芯的 光進行相干，由于兩部分從不同位置散射或反射的光同時稱合進光纖芯，兩部分光被光纖 芯進行了空間濾波，它們的空間相干性得到了恢復，從不同位置散射或反射并耦合進入光 纖芯的兩部分光將進行很好的相干，從而使得從光纖芯輸出到光電探測器的相干光攜帶了 精確的散射點的位置信息。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明設計的相干光學測距裝置包括帶波長掃描的解調(diào)單元、光學頭和單模 光纖傳導單元。解調(diào)單元發(fā)出波長可以調(diào)諧的激光，激光通過光纖單元傳導到光學頭上；光 學頭由準直透鏡系統(tǒng)和參考面構(gòu)成，參考面可以是透鏡系統(tǒng)的一個表面；準直透鏡將從光 纖端面輸出的激光準直，準直光經(jīng)過參考面時，參考面將部分光（第一部分光）反射回光纖 端面并耦合進入光纖，而其它光通過準直透鏡系統(tǒng)后，形成平行光或設計的有較小會聚角 的光從光頭輸出；從光學頭輸出的光照射到被測物體表面（即被測表面），被測表面反射或 散射，部分反射或散射光（第二部分光）被耦合進光纖；第一部分光和第二部分光在光纖芯 內(nèi)相干，相干后的光被傳導回解調(diào)單元的光電探測器中；探測器探測到的光能量與光波長 及參考面到被測測物體表