光纖光學(xué)相干測距裝置和光纖光學(xué)測距方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光纖光學(xué)相干測距裝置和光纖光學(xué)測距方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 測距在現(xiàn)代工業(yè)自動化領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用，而遠(yuǎn)距離光學(xué)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(xué)測距技術(shù) 由于本身的特點(diǎn)，在亞微米到幾十毫米的范圍內(nèi)精確測距遇到相應(yīng)的挑戰(zhàn)。如激光雷達(dá)等 測距方法只適用遠(yuǎn)距離測量；傳統(tǒng)的相干光學(xué)測距需要被測表面光滑形成平面反射，且光 路對準(zhǔn)要求十分嚴(yán)格，被測表面相對于測量光的微小角度偏移將導(dǎo)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(xué)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(jìn)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(xué)相干測距裝置和光纖光學(xué)相干測距方法，以 實(shí)現(xiàn)對非光滑表面的相干光學(xué)測距。
[0005] 為此，本發(fā)明的一方面提供了一種光纖光學(xué)相干測距裝置，包括：帶波長掃描的解 調(diào)單元、光學(xué)頭、以及用于將解調(diào)單元發(fā)出的激光傳導(dǎo)至光學(xué)頭上的單模光纖傳導(dǎo)單元，其 中，光學(xué)頭包括準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)和參考面，其中準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)用于將單模光纖傳導(dǎo)單元的光 纖端面輸出的激光準(zhǔn)直；參考面用于將經(jīng)過準(zhǔn)直的激光的一部分反射回光纖端面并耦合進(jìn) 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(jì)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(jìn)入同一單模光纖中進(jìn)行相干形成。
[0006] 進(jìn)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(jì) 算參考面與被測表面的距離。
[0007] 進(jìn)一步地，上述光纖光學(xué)相干測距裝置包括多個(gè)光學(xué)頭和與多個(gè)光學(xué)頭一一對應(yīng) 設(shè)置的多個(gè)單模光纖傳導(dǎo)單元，其中，解調(diào)單元包括與多個(gè)光學(xué)頭一一對應(yīng)設(shè)置的多個(gè)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(dǎo)單元。
[0008] 進(jìn)一步地，上述單模光纖傳導(dǎo)單元包括單模光纖和在單模光纖的傳輸路徑上設(shè)置 的回光分路器件。
[0009] 進(jìn)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(jìn)一步地，上述參考面為準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)的一個(gè)表面。
[0011] 進(jìn)一步地，上述參考面在獨(dú)立于準(zhǔn)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(xué)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(jìn)入同一單模光 纖中進(jìn)行相干形成；以及根據(jù)相干光計(jì)算被測表面與參考面之間的距離。
[0013] 進(jìn)一步地，上述入射在參考面上的光為經(jīng)過準(zhǔn)直的光。
[0014] 進(jìn)一步地，上述入射在被測表面上的光為經(jīng)過準(zhǔn)直的光。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的光纖光學(xué)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(jìn)同一單模光纖芯的光進(jìn)行相干而獲得，如此可對非光學(xué) 反射表面如非拋光的金屬、塑料等表面進(jìn)行測距。本發(fā)明有效地降低了在測距應(yīng)用時(shí)對光 路對準(zhǔn)的要求，從拓展了相干光學(xué)測距在自動化和光學(xué)傳感中的應(yīng)用范圍。
[0016] 除了上面所描述的目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明具有的其它目的、特征、和優(yōu) 點(diǎn)，將結(jié)合附圖作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
【附圖說明】
[0017] 構(gòu)成本說明書的一部分、用于進(jìn)一步理解本發(fā)明的附圖示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)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(shí)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(shí)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(xué)頭的第一實(shí)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(xué)頭的第二實(shí)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(xué)頭的第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)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(shí)施。
[0024] 本發(fā)明的光纖光學(xué)相干測量方法，應(yīng)用了單模光纖的光學(xué)濾波特性，將從被測表 面反射或散射的光耦合進(jìn)單模光纖芯并且與從參考面反射的光耦合進(jìn)同一單模光纖芯的 光進(jìn)行相干，由于兩部分從不同位置散射或反射的光同時(shí)稱合進(jìn)光纖芯，兩部分光被光纖 芯進(jìn)行了空間濾波，它們的空間相干性得到了恢復(fù)，從不同位置散射或反射并耦合進(jìn)入光 纖芯的兩部分光將進(jìn)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(diǎn)的位置信息。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的相干光學(xué)測距裝置包括帶波長掃描的解調(diào)單元、光學(xué)頭和單模 光纖傳導(dǎo)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(dǎo)到光學(xué)頭上；光 學(xué)頭由準(zhǔn)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(gè)表面；準(zhǔn)直透鏡將從光 纖端面輸出的激光準(zhǔn)直，準(zhǔn)直光經(jīng)過參考面時(shí)，參考面將部分光（第一部分光）反射回光纖 端面并耦合進(jìn)入光纖，而其它光通過準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)后，形成平行光或設(shè)計(jì)的有較小會聚角 的光從光頭輸出；從光學(xué)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(jìn)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(dǎo)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