用于面形测量的光纤投影器相移和频移特性

　　0　引　言

　　随着计算机、光学和光电子技术的迅速发展,极大地改变了传统的光学计量技术,新的三维传感和计量方法也不断地涌现。基于结构光照明的光学三维面形测量(又称光学三维传感)方法具有非接触、高精度、快速及易于在计算机控制下实行自动化测量等特点,在机器视觉、自动检测、质量控制、逆向工程、生物医学等领域都有着广阔的应用前景。

　　在对于复杂面形的光学三维测量方法中,相位测量轮廓术(PMP)和傅里叶变换轮廓术(FTP)[1—4]是目前常用的两种测量方法。在这两种测量方法中,分别需要获得高质量的相移投影图像和频移投影图像,它是后续实现准确解调物体轮廓的前提和基础,因此光学投影器的合理选择至关重要。本文引入了双芯光纤和双光纤干涉条纹分别作为相移和频移投影图像,研究了它们的相移和频移特性,这是我们在实际应用中,灵活、合理地选择投影图像的依据和基础。

　　1　原　理

　　1.1　双芯光纤干涉图像频移特性

　　本设计采用双芯光纤,即同一包层内含有两根纤芯,每根纤芯作为一个独立的导模,相当于一根双芯光纤中集成了两根单芯光纤,其结构如图1所示。

　　由于纤芯很细,每个纤芯端面可以看作点光源,这时双芯光纤干涉理论可以用两个点光源的杨氏干涉理论来描述,这时形成的干涉条纹是余弦分布。条纹间距为

　　式中Δx为接收屏上干涉条纹的间距;d表示双芯之间的距离;D表示光纤出射端到屏幕的距离;λ表示入射光波长。那么由此可以求出干涉条纹的空间频率

　　即干涉条纹空间频率f与D成反比。本文通过改变光纤出射端到屏幕的距离D来实现干涉条纹空间频率f的改变。

　　1.2　双光纤干涉图像相移特性

　　本设计采用两根单模光纤干涉条纹作投影图像,在一路光纤中引入压电陶瓷PZT环作为相移器来改变其中一路光的光程,从而实现两路干涉光波相位差的变化,则干涉条纹产生相移。

　　PZT引起的相移[5-7]本质上是在管型PZT的内外壁加一定的电压,此时PZT由于受到电场的作用产生扩张,从而使绕在PZT上的光纤产生了一定的伸长量,因此产生光纤内传播的光波的相位移动。光纤伸长量由以下公式给出

　　式中d31为沿压电陶瓷环切向伸缩的压电应变系数;ΔV为压电陶瓷环径向所加电压值;t表示陶瓷厚度;l表示光纤长度;Δl表示光纤切向伸长量。那么,相干光波的相位变化为

　　这里n为纤芯折射率。由此可见干涉条纹的相位变化与ΔV成正比关系。

　　2　实验装置与实验结果

　　2.1　干涉图像频移特性实验研究