CN110375643B - 一种基于激光连续扫频的三维坐标测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光连续扫频的三维坐标测量装置及测量方法，包括：光源，产生偏振初始光至第一分光模块；第一分光模块，将偏振初始光分为参考光及第二初始光；第二分光模块，将第二初始光分为若干束检测光至检测模块；检测模块，通过检测光经被测物反射后生产测量光入射到第一分光模块；处理模块，接收第一分光模块的参考光及测量光，并处理。方法包括：根据测量装置建立坐标系；打开光源进行测量数据获取；根据数据计算被测物三维坐标。本发明的实质性效果是：结构简单，不需要采集整幅的干涉信号，且对外界干涉不敏感，仅依靠微弱的激光就可以实现拍频信号的测量，能够实现远距离的三维坐标测量与定位。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，特别涉及一种基于激光连续扫频的三维坐标测量装置及测量方法。
背景技术
随着现代工业和高精度测量仪器的不断发展，三维坐标测量在各个领域均表现出不凡的地位，同时对三维坐标测量技术的要求也在不断的提高。
中国专利申请号CN108398694A，申请公布日2017年2月6日，名称为“激光测距仪及激光测距方法”的发明专利申请文件，公开了一种采用激光测距仪测量物体的长度的装置，但是该装置结构复杂且无法实现被测物体三维坐标的测量。
中国专利申请号CN107110643A，申请公布日2017年8月29日，名称为“三维测量装置”的发明专利申请文件，公开了提供一种在利用多步移相法进行三维测量时的三维测量装置。该装置能够实现在较短的时间内把目标部分的三维坐标表示出来。但是该测量装置结构复杂，测量的计算方法繁琐；且不能实现大范围的三维坐标测量。
发明内容
针对现有技术中激光连续扫频难以实现大范围三维坐标测量的问题，本发明提供了一种基于激光连续扫频的三维坐标测量装置及测量方法，结构简单，测量方便精度高，测量范围大。
以下是本发明的技术方案。
一种基于激光连续扫频的三维坐标测量装置，包括：光源，产生偏振初始光至第一分光模块；第一分光模块，将偏振初始光分为参考光及第二初始光；第二分光模块，将第二初始光分为若干束检测光至检测模块；检测模块，通过检测光经被测物反射后生产测量光入射到第一分光模块；处理模块，接收第一分光模块的参考光及测量光，并处理。通过多个分光模块分出多束光，最终结合参考光与测量光，完成测量。结构简单，测量方便精度高，测量范围大。
作为优选，所述第一分光模块包括：偏振分光棱镜(2)及参考反射镜(3)，所述偏振分光棱镜(2)将所述光源发出偏振初始光经过分为两束光，一束到达参考反射镜(3)后返回至偏振分光棱镜(2)再出射至处理模块作为参考光，另一束入射至第二分光模块作为第二初始光。
作为优选，所述第二分光模块包括：半透半反镜I(4)、半透半反镜II(5)、光纤耦合器I(6)、光纤耦合器II(7)、光纤耦合器III(8)、亚波长孔径光纤I(9)、亚波长孔径光纤II(10)、亚波长孔径光纤III(11)以及测量探头(12)；所述半透半反镜I(4)将第二初始光分为一束透射光s和一束反射光p，透射光s经过半透半反镜II(5)后再次被分为反射光s1和透射光s2，反射光p经光纤耦合器I(6)耦合进亚波长孔径光纤I(9)内，反射光s1经光纤耦合器II(7)耦合进亚波长孔径光纤II(10)内，透射光s2经光纤耦合器III(8)耦合进亚波长孔径光纤III(11)内，上述光束通过亚波长孔径光纤出射端组成的测量探头(12)发射至测量模块。
作为优选，所述检测模块包括：光学发射系统(14)、角锥棱镜(15)、光学接收系统(17)、光纤耦合器IV(18)以及亚波长孔径光纤IV(19)；所述光学发射系统(14)将接收到的光通过角锥棱镜(15)发射至被测物(16)表面，经反射后的测量光经光学接收系统(17)接收，再经光纤耦合器IV(18)耦合进亚波长孔径光纤IV(19)后射入偏振分光棱镜(2)。
作为优选，所述处理模块包括：计算机、检偏器(20)及探测器(21)，所述检偏器(20)接收测量光与参考光后在探测器(21)内发生外差干涉产生拍频信号，传输至计算机。
作为优选，所述第二分光模块还包括遮光板(13)，遮光板(13)依次遮住亚波长孔径光纤I至III中任意两个的出射端口。
另外还包括一种基于激光连续扫频的三维坐标测量方法，用于上述的一种基于激光连续扫频的三维坐标测量装置，包括以下步骤：S01：根据测量装置建立坐标系；S02：打开光源进行测量数据获取；S03：根据数据计算被测物三维坐标。本方案将建立的坐标系与实际测量数据结合，通过计算得出所需被测物的三维坐标。
作为优选，步骤S01包括：以三根亚波长孔径光纤中亚波长孔径光纤I(9)的出射端口为坐标原点O，三根亚波长孔径光纤所在的探测面为xoy平面，原点到亚波长孔径光纤II(10)出射端的方向为x轴，原点到亚波长孔径光纤III(11)并垂直于x轴的方向为y轴，垂直于光纤探测面光轴方向为z轴方向，建立三维直角坐标系。
作为优选，所述步骤S02包括：所述偏振分光棱镜(2)将所述光源发出偏振初始光经过分为两束光，一束到达参考反射镜(3)后返回至偏振分光棱镜(2)再出射至处理模块作为参考光，另一束入射至半透半反镜I(4)分为一束透射光s和一束反射光p，透射光s经过半透半反镜II(5)后再次被分为反射光s1和透射光s2，反射光p经光纤耦合器I(6)耦合进亚波长孔径光纤I(9)内，反射光s1经光纤耦合器II(7)耦合进亚波长孔径光纤II(10)内，透射光s2经光纤耦合器III(8)耦合进亚波长孔径光纤III(11)内，上述光束通过亚波长孔径光纤出射端组成的测量探头(12)发射至光学发射系统(14)，将接收到的光通过角锥棱镜(15)发射至被测物(16)表面，经反射后的测量光经光学接收系统(17)接收，再经光纤耦合器IV(18)耦合进亚波长孔径光纤IV(19)后射入偏振分光棱镜(2)，检偏器(20)接收来自偏振分光棱镜(2)的测量光与参考光后在探测器(21)内发生外差干涉产生拍频信号，传输至计算机。
作为优选，所述步骤S03包括：根据所建立的坐标系中各数据点的坐标以及测量所得数据，计算得到被测物的三维坐标。
本发明利用一含有三根亚波长孔径光纤的测量探头装置，参考光与测量光发生外差干涉产生拍频信号实现距离测量，后求解出被测物的三维坐标，可以在不采用复杂装置与不占用过多面积的情况下实现三维坐标测量。同时由于采用三根亚波长孔径光纤，参考光与测量光发生外差干涉产生拍频信号，改变了传统的多步移相的处理方式，因此不需要采集整幅的干涉信号，并且该干涉测量方法对外界干涉不敏感，仅依靠微弱的激光就可以实现拍频信号的测量。因此能够实现相对较远距离的三维坐标测量与定位，为三维坐标测量提供了一种大范围的定位方法。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的三维直角坐标系图；
图中：1-单纵模激光器、2-偏振分光棱镜、3-参考反射镜、4-半透半反镜I、5-半透半反镜II、6-光纤耦合器I、7-光纤耦合器II、8-光纤耦合器III、9-亚波长孔径光纤I、10-亚波长孔径光纤II、11-亚波长孔径光纤III、12-测量探头、13-遮光板、14-光学反射系统、15-角锥棱镜、16-被测物、17-光学接收系统、18-光纤耦合器IV、19-亚波长孔径光纤IV、20-检偏器、21-探测器。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本技术方案作进一步阐述。
实施例：
如图1所示为一种基于激光连续扫频的三维坐标测量装置，图中，单纵模激光器1的发出偏振激光经过偏振分光棱镜2分为两束光，一束到达参考反射镜3后又返回至偏振分光棱镜2的光束作为参考光，另一束光经过半透半反镜I4后被分为一束透射光s和一束反射光p，透射光s经过半透半反镜II5后再次被分为反射光s1和透射光s2。反射光束p经光纤耦合器I6耦合进亚波长孔径光纤I9内，反射光束s1经光纤耦合器II7耦合进亚波长孔径光纤II10内，透射光束s2经光纤耦合器III8耦合进亚波长孔径光纤III11内。通过亚波长孔径光纤出射端组成的测量探头12发射出射光，经光学发射系统14发射到含有角锥棱镜15的被测物16表面，经反射后测量光经光学接收系统17接收，经光纤耦合器IV18耦合进亚波长孔径光纤IV19内发射到偏振分光棱镜2。测量光与参考光经检偏器20后在探测器21内发生外差干涉产生拍频信号，通过信号处理以及计算，从而实现被测物16三维坐标的测量。
每一束微弱的测量光与参考光经检偏器后在探测器内发生外差干涉均可产生拍频信号，改变了通过移相法测量的传统测量方式。不仅不需要整幅的干涉信号，甚至于微弱的光就可满足测量要求；又由于对外界的干涉不敏感，实验测量的距离可以增大，从而实现大范围的测量目标。基本可以达到60米左右的测量距离，如果激光的相干度能够保持的越大，那么相干时间就越长，那么光源的时间相干性越好，能够实现的测量距离的范围就越大。然后通过信号采集、带通滤波、频谱分析得到拍频频率，通过计算从而实现被测物三维坐标的测量。
测量探头12中含有三根相对位置已知的亚波长孔径光纤，亚波长孔径光纤的出射端为针尖设计，能够增大出射光的数值孔径。三根亚波长孔径光纤的出射端每次只发射出一束测量光，其余两个出射端的端口被遮光板遮住。以此类推，三束测量光能够依次通过光学发射系统发射到被测物表面上某一点。
另外还包括一种基于激光连续扫频的三维坐标测量方法，用于上述的一种基于激光连续扫频的三维坐标测量装置，包括以下步骤：S01：根据测量装置建立坐标系；S02：打开光源进行测量数据获取；S03：根据数据计算被测物三维坐标。本方案将建立的坐标系与实际测量数据结合，通过计算得出所需被测物的三维坐标。
如图2所示为测量方法的三维直角坐标系示意图，以三根亚波长孔径光纤中亚波长孔径光纤I的出射端口为坐标原点O，三根亚波长孔径光纤所在的探测面为xoy平面，原点到亚波长孔径光纤II出射端的方向为x轴，原点到亚波长孔径光纤III并垂直于x轴的方向为y轴，垂直于光纤探测面光轴方向为z轴方向，建立三维直角坐标系。
设三根亚波长孔径光纤I、II、III的位置分别为O(0,0,0)，M2(x2,0,0)，M3(x3,y3,0)，被测点的坐标为N(x,y,z)，亚波长孔径光纤I出射端到被测物体的距离分别设为l1，亚波长孔径光纤II出射端到被测物体的距离设为l2，亚波长孔径光纤III出射端到被测物体的距离设为l3。
由此可得亚波长孔径光纤II、III的坐标M2(x2,0,0)、M3(x3,y3,0)与已知距离l1、l2、l3之间的关系两点之间方程式：
由此可求解出亚波长孔径光纤II、III的坐标。
由两点之间的距离公式可得如下方程组：
求解上述方程组，可得被测物的三维坐标，实现激光连续扫频测量被测物的三维坐标的要求。
应当说明的是，该具体实施例仅用于对技术方案的进一步阐述，不用于限定该技术方案的范围，任何基于此技术方案的修改、等同替换和改进等都应视为在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于激光连续扫频的三维坐标测量装置，其特征在于，包括：
光源，产生偏振初始光至第一分光模块；
第一分光模块，将偏振初始光分为参考光及第二初始光；
第二分光模块，将第二初始光分为若干束检测光至检测模块；
检测模块，通过检测光经被测物反射后生产测量光入射到第一分光模块；
处理模块，接收第一分光模块的参考光及测量光，并处理；
所述第二分光模块包括：半透半反镜I(4)、半透半反镜II(5)、光纤耦合器I(6)、光纤耦合器II(7)、光纤耦合器III(8)、亚波长孔径光纤I(9)、亚波长孔径光纤II(10)、亚波长孔径光纤III(11)以及测量探头(12)；所述半透半反镜I(4)将第二初始光分为一束透射光s和一束反射光p，透射光s经过半透半反镜II(5)后再次被分为反射光s1和透射光s2，反射光p经光纤耦合器I(6)耦合进亚波长孔径光纤I(9)内，反射光s1经光纤耦合器II(7)耦合进亚波长孔径光纤II(10)内，透射光s2经光纤耦合器III(8)耦合进亚波长孔径光纤III(11)内，上述光束通过亚波长孔径光纤出射端组成的测量探头(12)发射至测量模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光连续扫频的三维坐标测量装置，其特征在于，所述第一分光模块包括：偏振分光棱镜(2)及参考反射镜(3)，所述偏振分光棱镜(2)将所述光源发出偏振初始光分为两束光，一束到达参考反射镜(3)后返回至偏振分光棱镜(2)再出射至处理模块作为参考光，另一束入射至第二分光模块作为第二初始光。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光连续扫频的三维坐标测量装置，其特征在于，所述检测模块包括：光学发射系统(14)、角锥棱镜(15)、光学接收系统(17)、光纤耦合器IV(18)以及亚波长孔径光纤IV(19)；所述光学发射系统(14)将接收到的光通过角锥棱镜(15)发射至被测物(16)表面，经反射后的测量光经光学接收系统(17)接收，再经光纤耦合器IV(18)耦合进亚波长孔径光纤IV(19)后射入偏振分光棱镜(2)。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于激光连续扫频的三维坐标测量装置，其特征在于，所述处理模块包括：计算机、检偏器(20)及探测器(21)，所述检偏器(20)接收测量光与参考光后在探测器(21)内发生外差干涉产生拍频信号，传输至计算机。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光连续扫频的三维坐标测量装置，其特征在于，所述第二分光模块还包括遮光板（13），遮光板（13）依次遮住亚波长孔径光纤I至III中任意两个的出射端口。
6.一种基于激光连续扫频的三维坐标测量方法，用于权利要求1所述的一种基于激光连续扫频的三维坐标测量装置，其特征在于，包括以下步骤：
S01：根据所述测量装置建立坐标系；
S02：打开所述光源进行测量数据获取；
S03：根据数据计算被测物三维坐标。
7.根据权利要求6所述的一种基于激光连续扫频的三维坐标测量方法，其特征在于，步骤S01包括：以三根亚波长孔径光纤中亚波长孔径光纤I（9）的出射端口为坐标原点
，三根亚波长孔径光纤所在的探测面为
平面，原点到亚波长孔径光纤II（10）出射端的方向为
轴，原点到亚波长孔径光纤III（11）并垂直于
轴的方向为
轴，垂直于光纤探测面光轴方向为
轴方向，建立三维直角坐标系。
8.根据权利要求6所述的一种基于激光连续扫频的三维坐标测量方法，其特征在于，所述步骤S02包括：所述偏振分光棱镜(2)将所述光源发出偏振初始光经过分为两束光，一束到达参考反射镜(3)后返回至偏振分光棱镜(2)再出射至处理模块作为参考光，另一束入射至半透半反镜I(4)分为一束透射光s和一束反射光p，透射光s经过半透半反镜II(5)后再次被分为反射光s1和透射光s2，反射光p经光纤耦合器I(6)耦合进亚波长孔径光纤I(9)内，反射光s1经光纤耦合器II(7)耦合进亚波长孔径光纤II(10)内，透射光s2经光纤耦合器III(8)耦合进亚波长孔径光纤III(11)内，上述光束通过亚波长孔径光纤出射端组成的测量探头(12)发射至光学发射系统(14)，将接收到的光通过角锥棱镜(15)发射至被测物(16)表面，经反射后的测量光经光学接收系统(17)接收，再经光纤耦合器IV(18)耦合进亚波长孔径光纤IV(19)后射入偏振分光棱镜(2)，检偏器(20)接收来自偏振分光棱镜(2)的测量光与参考光后在探测器(21)内发生外差干涉产生拍频信号，传输至计算机。
9.根据权利要求6或7或8所述的一种基于激光连续扫频的三维坐标测量方法，其特征在于，所述步骤S03包括：根据所建立的坐标系中各数据点的坐标以及测量所得数据，计算得到被测物的三维坐标。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20201218 |
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