一种光纤白光干涉内窥镜三维测量系统技术方案

一种光纤白光干涉内窥镜三维测量系统，包括光纤干涉装置和测量探头，光纤干涉装置由带宽耦合光纤LED、光纤耦合器、压电陶瓷和光探测器构成，测量探头由光纤干涉臂和电子内窥镜CCD组成。两光纤干涉臂分别接光纤耦合器的两输出端用于投射干涉条纹到被测物体，电子内窥镜CCD采集经被测物调制过的条纹图像，分别采用七步相移算法和加窗傅里叶变换法实现静态物体和动态物体的三维测量。本发明专利技术采用光纤器件，具有尺寸小、结构紧凑、灵活性良好等特点；采用光纤白光干涉装置投射条纹，可提高条纹密度，进而提高测量精度，并且适合于高精度、不连续表面三维形貌测量；将内窥镜技术与光纤白光干涉技术相结合，使得本发明专利技术同时具备灵活性以及测量精度高的特点。

【技术实现步骤摘要】

:本专利技术涉及光学、电子技术、精密机械、显微摄像等多学科交叉的前沿研究领域，具体涉及一种光纤白光干涉内窥镜三维测量系统。
技术介绍
:18世纪末，德国科学家Bozzine首次提出内窥镜的思想，并以烛光为光源成功实现了人体内部直肠和子宫的观察，从此内窥镜技术应运而生。内窥镜是一种光机电结合的精密仪器，用于人眼所不能观察到的物体体内组织和结构，被广泛应用于工业检测、工业微加工、医学诊断、微创手术等领域。随着CCD制备技术以及光纤传感技术的高速发展，从最初的硬管内窥镜到现在的光纤内窥镜以及电子内窥镜，内窥镜技术的发展日臻成熟，仅用于显示和观察的内窥镜技术已经不能满足现代工业和医学领域无损化检测的需求。因此内窥镜三维测量技术的相关研究也逐渐发展起来。美国韦林工业内窥镜在上世纪九十年代初采用单物镜阴影测量法首次实现了孔探工作中的精确测量，其测量镜头的照明光输出窗口刻有一道黑色直线，当照明光通过时会在被测物体上形成一道阴影线，镜头距离物体的远近变化使阴影线在屏幕上的位置左右移动变化，而测量镜头上的单一物镜的成像视角不变，主机内的视频成像处理器会根据直角几何运算原理计算出测量镜头与被测面间的距离，这种方法的缺点是要求测量镜头与被测面相对垂直才能保证测量精度，因而操作难度较高，在应用上有一定的局限性。为解决这一难题，随后又出现了双物镜测量技术，采用双目立体视觉原理进行测量点的三维重建，该方法不再需要镜头与被测物体垂直，一定程度上降低了操作上的难度，但根据双物镜的设计原理，其镜头的视野相对单物镜减半，所能测量的区域明显受限，并且测量点的位置及其匹配点的正确与否存在人为及系统误差的可能性。为解决这一难题，韦林公司于2010年又提出一种3D相位扫描内窥镜测量技术，与单物镜阴影测量法、双物镜立体测量法相比，该技术是内窥检测领域的一个突破性的测量技术，通过测量探头前端的三维相位扫描镜头上的两个可见光LED光栅矩阵，将频闪发射的多条平行阴影线交叉叠加投射到被测物表面上，物体表面几何形状的变化会导致出现畸变的条纹，这些畸变条纹包含了物体的三维形貌信息，并且能够精确获得物体表面较密集的三维点云坐标，清晰呈现被测目标的三维形状与几何尺寸，实现仅用一个测量头就能实现观测和测量。随后，Anton Schick等人基于主动式三角测量原理和数字结构光投影技术提出了一种微型的三维扫描内窥镜，其探头直径仅为3.6mm，能够对任意形状的管道进行三维测量，但是测量精度只能达到0.1_。综上所述，目前应用最广的两种主流的三维测量内窥镜技术主要存在以下问题:采用双目立体视觉技术的内窥镜系统立体匹配精度并不高，测量精度亦不高并且点云数据很少;采用数字结构光投影相位测量技术的内窥镜系统测量精度受投影设备分辨率限制，其测量精度也不高。基于杨氏双缝干涉原理的光纤干涉条纹投影技术，可实现高密度条纹投射，相移精度高、速度快，相比其他条纹投射系统具有独特的优势，能够实现全场高精度三维形貌测量，因此结合光纤干涉技术的内窥镜系统由于光纤尺寸小，干涉条纹分辨率高等优点成为三维测量内窥镜系统的研究热点。
技术实现思路
:本专利技术的目的在于提供一种光纤白光干涉内窥镜三维测量系统。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案来实现的:一种光纤白光干涉内窥镜三维测量系统，包括光纤干涉装置和测量探头;其中，光纤干涉装置包括带宽耦合光纤LED和光纤耦合器；测量探头内部集成了光纤干涉臂和电子内窥镜CCD;工作时，带宽親合光纤LED发出的光经过光纤親合器的一端输入，分光后由两个光纤干涉臂输出，两个光纤干涉臂的端口作为杨氏双孔结构形成光纤马赫泽德干涉条纹投射方式产生的条纹图像，投射到被测物体表面;电子内窥镜CCD采集经被测物体调制后的条纹图像，并输入计算机进行图像处理和相位计算，得到被测物三维形貌数据。本专利技术进一步的改进在于，光纤干涉装置还包括第一压电陶瓷、第二压电陶瓷和光探测器，两个光纤干涉臂分别缠绕在第一压电陶瓷和第二压电陶瓷上，作为相移控制和相位补偿;三维测量系统还包括信号发生器、闭环控制电路和相位控制器;其中，工作时，光束在两个光纤干涉臂的端面发生菲涅尔反射，使得部分光沿原路返回并在光纤耦合器另一端发生干涉，从而构成光纤迈克尔逊干涉仪;信号发生器控制第一压电陶瓷产生一定相移，光探测器转换迈克尔逊干涉信号后送入闭环控制电路进行信号调理，再通过相位控制器输出给第二压电陶瓷以补偿环境干扰引起的相位误差。本专利技术进一步的改进在于，闭环控制电路包括依次连接的差分放大器、低通滤波器、减法器、高通滤波器以及PID控制器。本专利技术进一步的改进在于，对于静态测量，采用七步相移算法，并结合光纤干涉条纹投射模型，恢复物体三维形貌信息；对于动态测量，采用加窗傅里叶变换法进行相位计笪并ο相对于现有技术，本专利技术的有益效果是:I)本专利技术系统中光学干涉装置所包含的LED光源、光耦合器以及光探测器均采用光纤器件，具有尺寸小、结构紧凑、灵活性良好等特点；2)采用光纤干涉装置来投射条纹，可提高条纹密度，进而提高测量精度；3)测量系统以带宽耦合光纤LED作为光源，即采用白光相移干涉法克服了传统的单色光相移干涉法存在的局限性，可用来测量表面粗糙、不连续的物体形貌；4)将内窥镜技术与光纤白光干涉技术相结合，使得本专利技术系统同时具备灵活性以及测量精度高的特点。【附图说明】:图1为内窥镜三维测量系统示意图。图2为测量探头示当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤白光干涉内窥镜三维测量系统，其特征在于，包括光纤干涉装置和测量探头；其中，光纤干涉装置包括带宽耦合光纤LED(1)和光纤耦合器(2)；测量探头内部集成了光纤干涉臂(6)和电子内窥镜CCD(7)；工作时，带宽耦合光纤LED(1)发出的光经过光纤耦合器(2)的一端输入，分光后由两个光纤干涉臂(6)输出，两个光纤干涉臂(6)的端口作为杨氏双孔结构形成光纤马赫泽德干涉条纹投射方式产生的条纹图像，投射到被测物体(11)表面；电子内窥镜CCD(7)采集经被测物体(11)调制后的条纹图像，并输入计算机(12)进行图像处理和相位计算，得到被测物三维形貌数据。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨树明，张国锋，赵楠，时新宇，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61