锥光全息非接触式测量系统设计及不确定度分析

　　光学非接触式测量以其无损伤、高分辨率、测量速度快、适用范围广等优点,被广泛用于复杂自由曲面的测量。相比之下,传统的机械接触式测量易划伤被测表面,磨损测头、需要测头补偿,不能测量软质表面,测量速度也受到一定的限制,工作效率较低,更适合于简单几何形状的物体。常见的光学非接触式测量方法,如基于三角法的激光扫描装置[1]以及基于结构光条纹投影法[2]的视觉系统等,尽管精度相对于接触式测量要低,但其测量效率要远远高于接触式测量。不过,基于三角法的激光扫描装置由于原理上的非线性,易受环境温度影响,测量结果与被测表面的光泽、颜色、粗糙度以及倾斜角度等因素有关[3]。视觉系统可在一个很大的空间范围内同时获得这一区域内所有数据点的信息,但其精度较低,而且在测量具有较高深宽比的孔及凹陷区域的过程中会出现非常大的误差。

　　针对以上非接触式测量方法存在的问题,作者提出采用锥光全息原理来实现距离的光学测量。该方法的测量精度高于视觉系统,与激光扫描装置相当,但测量速度却大大优于激光扫描装置。作者基于锥光全息原理设计检测系统,并搭建实验平台,通过实验验证系统的重复性等相关性能,同时分析各项误差的来源;最后,按照不确定度的合成原则,对系统的标准不确定度和扩展不确定度进行合成。

　　1　锥光全息测量系统设计

　　在传统的全息技术中,需要使用相干光源使来自物体的光束和参考光束发生干涉,产生干涉图案。这种情况下,来自物体的光束与参考光束的传播速度相同,但传播路径不同。而在锥光全息技术中,利用晶体的双折射效应产生传播速度不同的两束光,进而发生干涉。由于这种干涉利用了光线自身的相干性,因此这种方法在使用相干性较差的光源的情况下也可产生全息图,从而实现对被测物的精确测量[4]。

　　1·1　锥光全息测量原理

　　Sirat和Psaltis于1985年提出锥光全息技术[5],测量系统的原理如图1所示。从被测物表面一点S返回的激光经过起偏器P₁变成偏振光,经过单轴晶体C时,分裂成传播速度不同的寻常光和非寻常光。非寻常光的速度依赖于光束的入射角。晶体的后面放入检偏器P₂,与起偏器的方向正交,在Gabor zone lens上得到全息图,条纹强度表示为[5]:

　　其中:k是波数, I₀是入射光强, zC是点S到坐标原点的距离,即被测点的相对高度, r是Gabor zone lens上一点ρ距坐标原点的距离。可见条纹图上各点光强与被测距离zC以及所在环状条纹的半径r有关。被测信息除了可以采用条纹图像的光强来获得外,还可以通过条纹图像中含有的相位信息来计算[6]。根据图2所示的测量光路,条纹相位可以表示为: