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专利号: 2022109866038
申请人: 长春理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-02-28
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种光学延迟系统延迟时间非线性校准方法,其特征在于,包括以下步骤:

步骤一、搭建偏振式迈克尔逊干涉测量系统:偏振式迈克尔逊干涉测量系统包括光源系统、分光系统、参考臂系统、测量臂系统和干涉系统,所述测量臂系统包括旋转光学延迟系统,旋转光学延迟系统包括旋转棱体、旋转位移台,旋转棱体同轴固定在旋转位移台上且由旋转位移台驱动其绕中轴水平转动;所述光源系统出射的激光光束L1到达分光系统后由偏振分光棱镜分成参考臂光束L2和测量臂光束L3;参考臂光束L2进入参考臂系统反射后回到偏振分光棱镜;测量臂光束L3进入测量臂系统,到达旋转光学延迟系统中的旋转棱体,由旋转棱体的棱面进行反射,最后再经一次反射后原路返回到偏振分光棱镜;参考臂系统返回的参考臂光束L2和测量臂系统返回的测量臂光束L3在偏振分光棱镜的折反射后进行汇合为干涉光束L4,干涉光束L4进入到干涉系统,在干涉系统的CCD相机上获得干涉条纹;

步骤二、旋转位移台以旋转角度间隔β驱动旋转棱体旋转,并在旋转棱体单个棱面的角度变化过程中采集CCD相机中对应的干涉条纹图像;

步骤三、对所述步骤二采集的干涉条纹图像进行处理,获得所述旋转光学延迟系统中旋转棱体单个棱面旋转角度的实际延迟时间;

步骤四、利用最小二乘法拟合所述旋转光学延迟系统中旋转棱体的旋转角度γi与实际延迟时间ti的关系:重复步骤二至步骤三若干次,将旋转棱体单个棱面旋转角度γi在让按此次重复测量下获得的延迟时间平均值作为该棱面实际延迟时间ti,并利用最小二乘法对旋转棱体单个棱面的旋转角度γi和实际延迟时间ti的关系进行拟合;对旋转棱体中的所有棱面重复上述步骤,获得旋转棱体每个棱面的旋转角度和实际延迟时间的最小二乘法拟合关系;

步骤五、基于步骤四的最小二乘法拟合关系,建立旋转光学延迟系统中旋转棱体拟合延迟时间与旋转棱体旋转角度的灵敏度关系,实现对旋转光学延迟系统延迟时间非线性的校准和旋转光学延迟系统编码器的选型。

2.如权利要求1所述的一种光学延迟系统延迟时间非线性校准方法,其特征在于,所述偏振式迈克尔逊干涉测量系统的光源系统包括沿光轴方向依次设置的氦氖激光器、透镜、起偏器;参考臂系统包括沿光轴方向设置的1/4波片和平面反射镜;测量臂系统包括沿光轴方向设置的1/4波片和旋转光学延迟系统,旋转光学延迟系统包含透镜、固定平面反射镜、旋转棱体和旋转位移台,透镜及固定平面反射镜沿旋转棱体反射光路依次设置;干涉系统包括沿光轴方向设置的检偏器和CCD相机;由氦氖激光器出射的激光光束L1,经透镜和起偏器对激光进行扩束后转成偏振光;偏振光到达分光系统后由偏振分光棱镜分成参考臂光束L2和测量臂光束L3;参考臂光束L2进入参考臂系统,依次经1/4波片和平面反射镜后回到分光系统的偏振分光棱镜;测量臂光束L3进入测量臂系统,经1/4波片后到达旋转光学延迟系统中的旋转棱体,由旋转棱体的棱面反射到透镜,最后由固定反射镜原路返回到分光系统的偏振分光棱镜;调节参考臂系统中平面反射镜的角度和位置,使得参考臂系统返回的参考臂光束L2和测量臂系统返回的测量臂光束L3在偏振分光棱镜的折反射后进行汇合为干涉光束L4,干涉光束L4进入到干涉系统,经由检偏器最后到达CCD相机,并在CCD相机上获得干涉条纹。

3.如权利要求2所述的一种光学延迟系统延迟时间非线性校准方法,其特征在于,所述氦氖激光器使用波长632.8nm的氦氖激光器。

4.如权利要求1所述的一种光学延迟系统延迟时间非线性校准方法,其特征在于,所述步骤二具体包括:

2.1)调节参考臂系统、测量臂系统、干涉系统光轴方向以及CCD相机位置,直至干涉条纹位于CCD相机中心区域;

2.2)以旋转角度间隔β微调旋转位移台,驱动旋转棱体旋转;通过CCD相机持续采集旋转棱体角度变化过程中,对应干涉条纹的变化图像;

2.3)旋转位移台持续以旋转角度间隔β驱动旋转棱体旋转,直至旋转棱体转过其单个棱面的工作角度;CCD相机记录下:旋转位移台以旋转角度间隔β转动时,旋转棱体单个棱面工作角度下旋转i次的干涉条纹图像,其中i为旋转位移台以旋转角度间隔β旋转的次数。

5.如权利要求1所述的一种光学延迟系统延迟时间非线性校准方法,其特征在于,所述步骤三具体包括:

3.1)设CCD相机获得的每帧干涉条纹图像中,中心圆环位置干涉级次为m,临近中心圆环的干涉条纹级次为m‑1;选择m‑1级次条纹作为观察对象,计算干涉条纹图像上以该m‑1级次条纹宽度大小d为边长的正方形区域的平均灰度值p,记录旋转棱体转动所述旋转角度间隔β过程中,每帧干涉条纹图像在该正方形面积区域对应的灰度值pj,整个旋转角度间隔β角度旋转过程中采集到的干涉条纹图像总帧数为N,j代表其中第j帧图片;

3.2)利用浮动阈值的方法,选择干涉条纹图像的条纹变化过程中亮条纹和暗条纹面积等于正方形区域面积1/2时的平均灰度值pl记为阈值;

3.3)将在旋转角度间隔β旋转采集到的第j帧图像中灰度值pj大于阈值pl的记为1,灰度值pj小于阈值pl的记为0,则旋转棱体转过旋转角度间隔β过程中的条纹变化量Δ记为:

3.4)重复上述步骤3.1)至步骤3.3),将旋转光学延迟系统单个棱面角度在旋转角度间隔β角度变化下,干涉图像中固定区域的灰度值转换成条纹变化量;

3.5)实际延迟时间ti=条纹变化量Δ×波长λ;最终将旋转棱体每个旋转角度间隔β角度旋转下的条纹变化量Δ转换为延迟时间ti,进而获得旋转棱体的旋转角度γi与实际延迟时间ti的对应关系;其中,i为旋转位移台以旋转角度间隔β旋转的次数,γi为旋转棱体单个棱面的旋转角度。

6.如权利要求1所述的一种光学延迟系统延迟时间非线性校准方法,其特征在于,所述步骤四具体包括:

4.1)将步骤二至步骤三重复若干次,求取旋转棱体单个棱面旋转角度在按照旋转角度间隔β旋转时,对应实际延迟时间的平均值;

4.2)将步骤4.1)求取的延迟时间平均值作为旋转棱体单个棱面旋转角度γi的实际延迟时间ti,并利用最小二乘法对旋转棱体中所述单个棱面的旋转角度和实际延迟时间的关系进行拟合,最小二乘法拟合得到的关系模型为:ti'=aγi+b                        (2)

其中,ti为旋转棱体单个棱面测试得到的实际延迟时间;

ti'为拟合延迟时间;

γi为旋转棱体单个棱面旋转角度;

n为待拟合的数据个数;

i为旋转位移台以旋转角度间隔β旋转的次数;

a为拟合延迟时间对旋转棱体旋转角度的灵敏度;

4.3)重复步骤4.1)至步骤4.2),直至利用最小二乘法完成对旋转棱体中所有棱面的旋转角度γi和实际延迟时间ti关系的拟合,得到所有棱面的拟合延迟时间对旋转棱体旋转角度的灵敏度ak,其中k为旋转棱体的第k个棱面。

7.如权利要求1、4、5、6中任意一项所述的一种光学延迟系统延迟时间非线性校准方法,其特征在于,所述旋转角度间隔β取0.1°。

8.如权利要求1所述的一种光学延迟系统延迟时间非线性校准方法,其特征在于,所述步骤五具体包括:基于步骤四获得的旋转棱体每个棱面的旋转角度和实际延迟时间的最小二乘法拟合关系,得到拟合之后旋转光学延迟系统中旋转棱体的各个棱面的实际延迟时间与旋转位移台旋转角度的对应关系,用以校准旋转光学延迟系统的非线性;

为满足光学探测系统最小采样间隔Δtmin要求,旋转光学延迟系统编码器的最小分辨率Δθmin为:其中,αmax为旋转棱体各个棱面中基于最小二乘法拟合得到的最大灵敏度。