一种用于沥青路面纹理三维测量的正交光纤干涉条纹投射器

技术领域

本发明涉及路面纹理的光学测量领域，具体是一种用于沥青路面纹理三维测量的正交光纤干涉条纹投射器。

背景技术

光学测量技术因其原理相对简单且易于控制而被广泛应用于沥青路面纹理的三维测量之中，主要分为被动视觉和主动视觉两种形式。其中，被动视觉易受光照环境和路表材质的影响，测量鲁棒性低；针对路面纹理量测的主动视觉一般基于线激光扫描，存在的问题是精度和分辨率低，并且视场范围内的全场测量需依赖机械移动装置，效率不高。为了兼顾测量效率和测量分辨率，激光扫描技术的潜在改进方向是转变激光投射方式，即将条状线激光更换为面状结构光。理论上，利用两束激光的相干干涉可以生成连续正弦强度编码的面状条纹图案，将其投射到被测路面，可以一次性重建整个视场内稠密的高精度三维纹理点云。

传统的分波阵面激光干涉形式一般为在不透光的平面掩膜上开两个小孔形成相干点光源，存在的问题是掩膜开孔结构固定导致条纹形态单一以及自由空间中激光强度损耗很大导致的干涉光场投射亮度和对比度很低，使其无法适用于复杂沥青路面纹理的三维测量。

另外，传统的激光干涉一般仅能生成具有单一方向载频的干涉条纹图案，将其作为主动式面结构光投影应用于三维测量时，必须经过复杂的相位主值解调算法和相位解包裹算法才能解码出被测路面引起的调制相位，存在操作繁琐和计算复杂度高的问题，不利于对被测物体三维信息的高效恢复。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，克服现有技术的不足之处，设计一种用于沥青路面纹理三维测量的正交光纤干涉条纹投射器，能够分时生成两幅方向正交的连续正弦强度编码干涉条纹图案，可作为沥青路面纹理三维测量中的主动式面结构光投影。

一种用于沥青路面纹理三维测量的正交光纤干涉条纹投射器，包括如下步骤：

包括激光源，激光源发射发出一束线激光光束，激光光束经由耦合透镜接口汇入保偏光开关输入端口，并由保偏光开关第一个输出端口和保偏光开关第二个输出端口输出，保偏光开关第一个输出端口与第一只保偏光纤分路器的输入端口端接，保偏光开关第二个输出端口与第二只保偏光纤分路器的输入端口端接，通过保偏光开关分时控制切换与第一只保偏光纤分路器和第二只保偏光纤分路器的联通；

第一只保偏光纤分路器和第二只保偏光纤分路器分别以50:50的分光比将所传入的线偏振光等分为两束频率相同、振动方向相同且相位差恒定的线偏振相干光，并分别从各自的输出端口出射进入对应的保偏光纤阵列输入端口，第一只保偏光纤分路器的输出端口有两个，分别与保偏光纤阵列的第一个输入端口和保偏光纤阵列的第二个输入端口端接，第二只保偏光纤分路器的输出端口也有两个，分别与保偏光纤阵列的第三个输入端口和保偏光纤阵列的第四个输入端口端接；

保偏光纤阵列由第一根高双折射保偏单模光纤、第二根高双折射保偏单模光纤、第三根高双折射保偏单模光纤和第四根高双折射保偏单模光纤组成，第一根高双折射保偏单模光纤和第二根高双折射保偏单模光纤分别与保偏光纤阵列的第一个输入端口和保偏光纤阵列的第二个输入端口相连，在保偏光纤阵列中构成横向干涉通道；第三根高双折射保偏单模光纤和第四根高双折射保偏单模光纤分别与保偏光纤阵列的第三个输入端口和保偏光纤阵列的第四个输入端口相连，在保偏光纤阵列中构成与横向干涉通道正交的竖向干涉通道；

保偏光纤阵列出射端面进行了90°研磨和抛光，使得所有四根高双折射保偏单模光纤纤芯在阵列出射端面处保持平整且对齐，并且构成每个干涉通道的两根保偏单模光纤偏振主轴均对准为平行；于是在保偏光开关的切换控制下由两个正交的干涉通道分别形成杨氏双孔干涉，从而分时投射两幅方向正交且干涉光场中心一致、干涉频率相同、干涉对比度最强的干涉条纹图案。

进一步的，激光源为窄线宽单纵模半导体激光器，工作波长为532nm，位于可见绿光波段，易于直接观察干涉条纹形态。

优选的，耦合透镜接口采用模块化设计，一端通过固定螺丝直接连接激光器出光口，另一端通过FC型螺纹与加装有FC/APC型连接器的保偏光开关输入端口相连，通过调节内部的光学镜片组实现激光器出射光束到保偏光开关输入端口的聚焦耦合。

优选的，保偏光开关以静电驱动微反射镜的方式切换控制保偏光开关输入端口到保偏光开关第一个输出端口和保偏光开关第二个输出端口之间的联通，进而实现第一只保偏光纤分路器和第二只保偏光纤分路器的分时工作。

进一步的，第一只保偏光纤分路器和第二只保偏光纤分路器的制作工艺和性能相同，均由两根高双折射保偏单模光纤熔融拉锥而成，实现532nm波长下的3dB分光和偏振消光比≥15dB。

优选的，保偏光纤阵列包括基板，基板上刻有一个方型槽，用于放置3行×3列的单模光纤，第一根高双折射保偏单模光纤置于方型槽第1列中间位置，第二根高双折射保偏单模光纤置于方型槽第3列中间位置，第三根高双折射保偏单模光纤置于方型槽第1行中间位置，第四根高双折射保偏单模光纤置于方型槽第3行中间位置，其余位置放置普通单模光纤，从而第一根高双折射保偏单模光纤和第二根高双折射保偏单模光纤构成了横向干涉通道，第三根高双折射保偏单模光纤和第四根高双折射保偏单模光纤构成了竖向干涉通道，横向和竖向干涉通道干涉纤芯距一致且共用一个投影中心，第一根高双折射保偏单模光纤、第二根高双折射保偏单模光纤、第三根高双折射保偏单模光纤和第四根高双折射保偏单模光纤在方型槽中放置时进行了对芯处理，即将组成每个干涉通道的两根保偏光纤偏振主轴方向对准为平行。

进一步的，第一根高双折射保偏单模光纤、第二根高双折射保偏单模光纤、第三根高双折射保偏单模光纤和第四根高双折射保偏单模光纤纤芯截面等效为4个点光源，分别记作S

(15)

其中，I

S

(16)

其中，I

基于公式（15）和公式（16），S

本发明还提供一种基于条纹投射器的沥青路面纹理三维测量方法，包括如下步骤：

步骤1：搭建测量光路，包括以下分步骤，

步骤1.1：投射器向沥青路面倾斜投射正交干涉条纹；

步骤1.2：选择一水平平板作为参考平面，设置相机光轴垂直于参考平面拍摄；

步骤1.3：设置相机光心和保偏光纤阵列出射端面（23）的连线平行于参考平面；

步骤1.4：设置相机光轴与干涉条纹投射轴相交；

步骤2：求解被测路面任意一点相对于参考平面的深度值；

步骤3：根据该点在相机图像平面中所处的像素位置结合相机的定标参数，解算该点的完整三维坐标。

进一步的，求解被测路面任意一点深度值的公式为：

(17)

其中，h表示被测路面上任意一点相对于参考平面的深度值，

进一步的，步骤3具体包括如下过程：

步骤3.1：建立世界坐标系O-XYZ，其中坐标原点O位于参考平面，Z轴垂直于参考平面；

步骤3.2：标定出相机到参考平面的投影矩阵M；

步骤3.3：确定出被测路面上待求点在相机图像平面中所处的像素位置（u,v）；

步骤3.4：利用下式计算待求点在X轴和Y轴方向上的坐标值（X

（20）/>

其中，s为比例因子。则待求点的完整三维坐标表示为（X

进一步的，求解路面纹理引起的干涉条纹调制相位

步骤a：保偏光开关（5）控制投射x方向载频的干涉条纹到被测路面上；

步骤b：相机采集经路面纹理调制的x方向载频条纹图像，记作I

步骤c：保偏光开关（5）切换投射y方向载频的干涉条纹到被测路面上；

步骤d：相机采集经路面纹理调制的y方向载频条纹图像，记作I

步骤e：分别计算I

步骤f：分别计算I

步骤g：利用I

步骤h：对

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明设计一种用于沥青路面纹理三维测量的正交光纤干涉条纹投射器，能够分时生成两幅方向正交的连续正弦强度编码干涉条纹图案，可作为沥青路面纹理三维测量中的主动式面结构光投影。

1.本发明设计了干涉通道呈双向正交的保偏光纤阵列，通过保偏光开关切换控制可以分时投射两幅干涉光场中心一致、干涉频率相同但方向正交的连续正弦强度编码干涉条纹图案，可作为主动式的面状正交条纹结构光投影用于真实沥青路面纹理的快速和高分辨率三维测量。

2.本发明所设计的投射器采用全保偏结构，能够有效规避普通单模光纤双折射效应引发的干涉光极化状态变化，通过设置保偏光纤阵列中构成各干涉通道的保偏光纤偏振主轴一致实现了光纤干涉条纹对比度的长时间最大化和稳定化。

3.本发明所设计的保偏光纤阵列易于制作，不需要精密加工技艺而仅通过5根普通单模光纤的配合即实现了用于形成干涉的4根高双折射保偏单模光纤的正交排列和精准定位。

4.本发明所设计的投射器使用光纤结构，灵活小巧，易于轻量化集成。

5.本发明所设计的投射器工作波长为532nm，各无源光纤器件均针对532nm波长进行优化，使得所投射出的光纤干涉条纹肉眼可见，相比于现有近红外波段的激光干涉无潜在的安全风险。

附图说明

图1是本发明所提双向光纤干涉条纹投射器整体结构示意图；

图2为本发明所提保偏光纤阵列剖面图；

图3为图2中A处放大图；

图4为正交光纤干涉条纹投射示意图；

图5为应用本发明所提投射器进行沥青路面纹理三维测量的典型光路几何结构；

图6为应用本发明所提投射器进行沥青路面纹理三维测量的总体流程；

其中，1-激光源、2-激光光束、3-耦合透镜接口、4-保偏光开关输入端口、5-保偏光开关、6-保偏光开关第一个输出端口、7-保偏光开关第二个输出端口、8-第一只保偏光纤分路器的输入端口、9-第一只保偏光纤分路器、10-第一只保偏光纤分路器的输出端口、11-第二只保偏光纤分路器的输入端口、12-第二只保偏光纤分路器、13-第二只保偏光纤分路器的输出端口、14-保偏光纤阵列的第一个输入端口、15-保偏光纤阵列的第二个输入端口、16-保偏光纤阵列的第三个输入端口、17-保偏光纤阵列的第四个输入端口、18-第一根高双折射保偏单模光纤、19-第二根高双折射保偏单模光纤、20-第三根高双折射保偏单模光纤、21-第四根高双折射保偏单模光纤、22-保偏光纤阵列、23-保偏光纤阵列出射端面、24-盖板、25-基板、26-UV胶、27-方型槽、28-普通单模光纤、29-保偏光纤应力棒、30-保偏光纤纤芯。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方法对本发明一种用于沥青路面纹理三维测量的正交光纤干涉条纹投射器作进一步详细说明。

本发明所提投射器的整体结构如图1所示，主要由激光源1、耦合透镜接口3、保偏光开关5、第一只保偏光纤分路器9和第二只保偏光纤分路器12、保偏光纤阵列22组成。本发明要解决的主要技术问题在于如何实现光纤干涉条纹的长时间稳定投射以及如何实现两幅正交干涉条纹图案的分时投射。为此，本发明所提投射器采用全保偏结构，由激光源1发出一束线激光光束2，激光光束为偏振光，经由耦合透镜接口3汇入保偏光开关输入端口4；保偏光开关第一个输出端口6与第一只保偏光纤分路器的输入端口8端接，保偏光开关第二个输出端口7与第二只保偏光纤分路器的输入端口11端接，于是可由保偏光开关5分时控制切换与第一只保偏光纤分路器9和第二只保偏光纤分路器12的联通；

第一只保偏光纤分路器的输出端口10分别与保偏光纤阵列的第一个输入端口14和保偏光纤阵列的第二个输入端口15端接，第二只保偏光纤分路器的输出端口13分别与保偏光纤阵列的第三个输入端口16和保偏光纤阵列的第四个输入端口17端接；

每一只保偏光纤分路器均可以50:50的分光比将所传入的线偏振光等分为两束频率相同、振动方向相同且相位差恒定的线偏振相干光，并分别从各自的输出端口出射进入对应的保偏光纤阵列输入端口；

组成保偏光纤阵列的第一根高双折射保偏单模光纤18和第二根高双折射保偏单模光纤19分别与保偏光纤阵列的第一个输入端口14和保偏光纤阵列的第二个输入端口15相连，在保偏光纤阵列22中构成横向干涉通道；组成保偏光纤阵列的第三根高双折射保偏单模光纤20和第四根高双折射保偏单模光纤21分别与保偏光纤阵列的第三个输入端口16和保偏光纤阵列的第四个输入端口17相连，在保偏光纤阵列22中构成与横向干涉通道正交的竖向干涉通道；

保偏光纤阵列出射端面23进行了90°研磨和抛光，使得所有四根高双折射保偏单模光纤纤芯在阵列出射端面处保持平整且对齐，并且构成每个干涉通道的两根保偏单模光纤偏振主轴均对准为平行；于是在保偏光开关5的切换控制下可由两个正交的干涉通道分别形成杨氏双孔干涉，从而分时投射两幅方向正交且具有最强对比度的干涉条纹图案。

在本实施例中，激光源1为窄线宽单纵模半导体激光器，工作波长为532nm，具有TEM00横模和单一纵模。TEM00横模可提供与光纤的有效耦合，单一纵模的光谱线宽<0.00001nm，使得激光相干长度>50m。

耦合透镜接口3采用模块化设计，一端通过固定螺丝直接连接激光器出光口，另一端通过FC型螺纹与加装有FC/APC型连接器的保偏光开关输入端口4相连，可通过调节内部的光学镜片组实现激光器出射光束到保偏光开关输入端口4的聚焦耦合。

保偏光开关5以静电驱动微反射镜的方式切换控制保偏光开关输入端口4到保偏光开关第一个输出端口6和保偏光开关第二个输出端口7之间的联通。由于保偏光开关的两个输出端口分别与两只保偏光纤分路器各自的输入端口连接，于是在保偏光开关5的控制下可以实现第一只保偏光纤分路器9和第二只保偏光纤分路器12的分时工作。

第一只保偏光纤分路器9和第二只保偏光纤分路器12的制作工艺和性能相同，均由两根高双折射保偏单模光纤熔融拉锥而成，并可实现532nm波长下的3dB分光和偏振消光比≥15dB。

如图2和图3所示，保偏光纤阵列22由五根普通单模光纤28、高双折射保偏单模光纤18~21、盖板24、基板25和UV胶26组成。其中，五根普通单模光纤28仅起定位和支撑作用，包层直径125μm。高双折射保偏单模光纤18~21的包层直径均为125μm，均可实现波长532nm激光的完全单模传输。盖板24和基板25材质均为透明石英，基板25上刻有一个尺寸为375μm×375μm的方型槽27，可整齐放置3行×3列的单模光纤。将第一根高双折射保偏单模光纤18置于第1列中间位置，第二根高双折射保偏单模光纤19置于第3列中间位置，第三根高双折射保偏单模光纤20置于第1行中间位置，第四根高双折射保偏单模光纤21置于第3行中间位置，其余位置放置普通单模光纤28，从而第一根高双折射保偏单模光纤18和第二根高双折射保偏单模光纤19构成了横向干涉通道，第三根高双折射保偏单模光纤20和第四根高双折射保偏单模光纤21构成了竖向干涉通道。

由于普通单模光纤28和高双折射保偏单模光纤18~21的包层直径均为125μm，则可精确定位出横向和纵向的干涉纤芯距均为250μm，同时使得横向和竖向干涉通道共用一个投影中心。此外，保偏单模光纤18~21在方型槽27中放置时进行了对芯处理，即将组成每个干涉通道的两根保偏光纤偏振主轴方向对准为平行，在本实施例中每根保偏光纤应力棒29连线均保持平行，此时投射的干涉条纹对比度才为最大。两种单模光纤整齐放置并完成保偏光纤18~21的对芯后，于方型槽27空余的缝隙处滴入低折射率UV胶26，盖上盖板24并使用紫外灯对UV胶26进行固化。固化完成后对保偏光纤阵列出射端面23进行90°研磨和抛光，使得所有四根高双折射保偏单模光纤纤芯在阵列出射端面处保持平整且对齐，从而横向和竖向干涉通道在保偏光纤阵列出射端面23处可分别形成杨氏双孔干涉，在保偏光开关5的控制下可以分时投射两幅干涉对比度最大、干涉光场中心一致、干涉频率相同但方向正交的连续正弦强度编码干涉条纹图案。

图4显示了本发明所提的正交光纤干涉条纹投射示意图。在本实施例中，保偏光纤阵列出射端面23处的第一根高双折射保偏单模光纤18、第二根高双折射保偏单模光纤19、第三根高双折射保偏单模光纤20和第四根高双折射保偏单模光纤21纤芯截面可等效为4个点光源，分别记作S

(1)/>

(2)

(3)

(4)

其中，A表示光波的振幅；ω为光波的频率；λ为光波的波长；r

根据波的叠加原理，S

(5)

相应的干涉光场强度可表示为

(6)

同理，S

(7)

相应的干涉光场强度可表示为

(8)

其中，I

(9)

S

(10)

建立图4所示的xyz投影坐标系，坐标原点(0,0,0)设置在横向和竖向干涉通道共同的投影中心，x轴沿S

(11)

对等式（11）进行一阶泰勒展开得：

(12)

对S

(13)

对等式（13）进行一阶泰勒展开得：

(14)

将等式（12）带入等式（9），得到S

(15)

将等式（14）带入等式（10），得到S

(16)

其中，

应用本发明所提投射器进行沥青路面纹理三维测量的典型光路几何结构如图5所示。

其中，投射器以一定的角度倾斜投射正交干涉条纹，相机光轴垂直于以一水平平板作为的参考平面拍摄，相机光心和保偏光纤阵列出射端面23的连线平行于参考平面，相机光轴与干涉条纹投射轴相交，h为被测路面上任意一点相对于参考平面的深度值。记参考平面引起的干涉条纹调制相位为

(17)

其中，k

应用本发明所提投射器进行沥青路面纹理三维测量的总体流程如图6所示。

首先由保偏光开关5控制使保偏光纤分路器9工作，即使第一根高双折射保偏单模光纤18和第二根高双折射保偏单模光纤19构成的横向干涉通道工作，投射x方向载频的干涉条纹到被测路面上；相机采集经路面纹理调制后的x方向载频条纹图像，记为I

(18)

随后保偏光开关5切换使保偏光纤分路器12工作，即使第三根高双折射保偏单模光纤20和21构成的竖向干涉通道工作，投射y方向载频的干涉条纹到被测路面上；相机采集经路面纹理调制后的y方向载频条纹图像，记为I

(19)

然后对I

于是可分别计算出

同理可求出参考平面的调制相位

最后根据等式（17）表示的相位-高度映射关系结合相机定标参数解算出被测路表任意一点的三维坐标值，完成对路面纹理的三维测量，具体包括如下步骤：

步骤1：建立世界坐标系O-XYZ，其中坐标原点O位于参考平面，Z轴垂直于参考平面；

步骤2：标定出相机到参考平面的投影矩阵M；

步骤3：确定出被测路面上待求点在相机图像平面中所处的像素位置（u,v）；

步骤4：利用下式计算待求点在X轴和Y轴方向上的坐标值（X

(20)

其中，s为比例因子。从而得到待求点的完整三维坐标表示为（X

光纤作为一种光波导体，将激光耦合到其中进行传输，可大大减少能量损耗，目前已被用于构建以迈克尔逊仪为代表的干涉型光纤传感器，通过监测光纤中传输光的相位变化来反应温度、应力等外界物理量的变化。与光纤传感应用不同，本发明利用保偏单模光纤构建杨氏双孔干涉并通过独特的结构设计来分时投射两方向正交的干涉条纹结构光，可用于沥青路面纹理的高效和高分辨率三维测量。

本发明提出一种用于沥青路面纹理三维测量的正交光纤干涉条纹投射器，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。