关键词：有源三角测量技术；表面分布；AO位置传感器；干涉仪。
中图分类号：TP212.14 文献标识码：A 文章编号：1006-883X(2002) 11-0029-03
一、引言
随着科学技术的发展，动态3D传感技术为获取更多的关于3D世界的信息提供了强有力的工具。本文描述的AO固体光学位置传感器是一种优秀的任意3D形状传感器，这种传感器没有传统传感器的精度、速度场、柔韧性等限制，可用于工业3D形状测量、医学、防卫与科学研究等各种领域。AO固体光学位置传感器基于结构光有源三角测量技术，可提供绝对距离测量，计算简单，视频满场表面分布测量，准确可靠。
二、结构
图1为AO固体光学位置传感器的系统结构，包括光源、摄像装置和电子信号传输系统。
1、光源
光源为波长784nm功率15mW的激光二极管。来自激光二极管的光被显微镜物透镜（数值孔径NA=10.025）的前孔径收集和准直。椭圆光束的主轴充满AO调制器（AOM）输入孔径的水平轴。AOM产生三束可以观察的光束：一个零阶（直线传播）光束和两个衍射光束，约50%的入射功率进入两个衍射光束。20mm的透镜将光束会聚到焦平面，零阶光束就锁定在焦平面。经过94cm的发散距离后，最后的干涉条纹分布在25cm x 8cm的目标面积上。因为产生结构花样的是点光源干涉法，来自两个光束的干涉条纹充满整个接收光空间。
2、摄像装置
CCD摄像机用50mm f/1.5透镜距目标69cm和30°角。相对于光源中心线扫描物体。数字化照相机的立体像由数字帧取样器以30frame/s的速率收集供计算机分析。CCD积分时间对新的目标进行调节，但对于给定的目标，在数据收集期间积分时间保持不变。
3、信号产生
数字合成器以62.5MHz的公用采样频率产生的两个正弦波数据流，在计算机控制下每个正弦波信号的频率与相位以32位的精度定位。第一个正弦信号控制AOM驱动参数，而第二个正弦信号控制激光器。
数字数据的第一信道用与25MHz低通滤波器相耦合的12位DAC转换成模拟信号。频率为fm的信号与频率为80MHz的晶振输出相混合。因为信号与一个有源倍增器相混合，对于选定的AOM晶振中心频率fc不能通过，导致倍频AOM驱动参数具有低于-40dB的噪声。利用一个小型RF放大器可使AOM驱动功率最佳化为850mW。
数字数据的第二个信道用与低通滤波器耦合的12位DAC转换成模拟信号，所得模拟信号是方波脉冲列，占空比由控制相对于固定比较器值的正弦波幅值所确定。测量实验用占空比固定为25%，脉冲列的频率固定为2fm。这种二进制信号的作用类似TTL触发器，以200MHz的开关速度驱动激光二极管。
三、测量方法
1、AO传感器
AOM射频驱动信号的合成方法是将调制频率fm与中心频率fc相混合。因为光束的角分离与调制频率，源-点分离和干涉条纹间距成比例，所以可直接由fm控制。目标表面某个位置的时间平均光强<I>为：
式中，t—时间；
(x,y,z)—表示目标表面的位置；
s(x,y,z)—是移动干涉条纹花样；
A(Φt)—归一化振幅调制(AM)。
因为s(x,y,z)可以写成s[f(x,y,z)-t]。式中f是实函数，方程(1)可看作具有AM波形的正弦移动条纹分布在一个周期上的卷积。因为s只包含一个空间频率，卷积定理表明不管AM信号的形式如何，最后的条纹分布将是正弦条纹花样。条纹对比度和质量可用百分调制率M来描述：
式中，<I>max—一定相位或空间范围上稳定条纹花样的峰值强度；
<I>min—一定相位或空间范围上稳定条纹花样的最小强度。
振幅调制(AM)波形的选择影响到干涉条纹花样的强度和对比度。一般说来，一种较长的占空比波形可产生较大的光功率，但在光源的正常运转过程中干涉条纹花样进一步移动，因而影响到干涉条纹花样的对比度。表1给出了三种AM信号的百分调制率M的值。
表1 AM信号的选择对对比度的影响
|
激光振幅调制波形 |
M* (%) |
功率** (%) |
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方波占空比10% |
98 |
10 |
|
方波占空比50% |
63 |
50 |
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全调制正弦波 |
50 |
50 |
*百分调制率M如方程(2)所定义，它是一个对比度质量因子；
**假定CW激光是振幅调制，它是实际达到目标表面的总激光功率的百分数。
2、测量方案
在图1中给定空间周期d的干涉条纹投影到目标空间，在摄像机中看到弯曲的条纹花样。这些条纹的轮廓张角为Φ（即摄像机与AO投影仪的张角）。测量条纹数N即是测量了角Φ。计算与摄像机的一个像素有关的表面元的绝对坐标(x,y,z)要求：
①角Φ；
②象素的坐标；
③摄像机与投影仪的相对位置；
④摄像机参数（如放大倍数）；
⑤余弦定律。
当所利用的条纹相位为{0,π/2,π}时，每个象素的相位编离Φ可由其强度值IΦ计算如下：
给定象素的条纹数N1为：
测量精度受下列因素的限制：
①AOM带宽范围的限制；
②空气扰动；
③传感器与目标的振动；
④由表面粗糙度及有关效应引起的统计溅落；
⑤象素分辨率极限。
四、实验
1、任意表面形状的传感测量：航天飞机模型
利用AO形状传感器测量具有光滑搪瓷表面的长73mm的金属空间飞行器模型。待测目标大部分表面都是白色的，只有少部分表面涂上了黑色糖瓷。
利用1、4和16MHz的AOM调制频率投影{0, π/2, π}条纹相位角。在固定的调制频率对每个象素利用方程(3)计算相位偏离Φ。利用方程(4)和方程(3)将三个相位图简化为一个部分条纹数分布图。利用余弦定律产生高度图，再由高度图获得3D表面分布。实验结果表明表面高度误差为1个象素。
2、平面铝板AO传感测量：噪声特征
利用AOM测量了平面铝板。铝板的高度图用最小二乘方法拟合一个平面。测量的高度与最佳拟合平面的偏差如图2所示。这种误差分布的标准偏差为27µm，对应于最终16MHz条纹的测量误差、(1/73)。误差分布标准偏差的轻微反称性是由于测量平面的曲率引起的，原因是成像透镜、投影条纹花样和板本身的畸变。
五、结论
物体表面3D分布的AO技术具有许多优点：
①测量系统完全固体化，使稳定性、可重复性和可靠性大大提高；
②干涉条纹的相位和频率移动的速度实际上受探测器帧频的限制，因此减少了图像获取期间目标运动所产生的影响；
③系统易于重建，使用方便，可根据应用目的改型；
④系统小巧，可制成手提式；
⑤光束间距可做得很小，克服了以前所用技术带来的投影大量条纹的困难；
⑥条纹花样的扩展中心由AOM驱动信号的中心频率固定，因此中心位置总能精确地确定，提高了3D测量的精确度；
⑦光学系统使两个光源点的光程自动匹配，减少了所要求的相干长度；
⑧系统硬件的复杂性由于采用电子仪器而大为简化，降低了系统误差。
综上所述，声光固体光学位置传感器不但可进行低速任意形状物体的3D测量，而且还可进行视频3D计量，具有广阔的应用前景。