CN102589440B - 连续变角度数字全息干涉测量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对复杂面型的连续变角度数字全息干涉测量的方法和装置，属于光电测量技术领域。该装置包括激光器、光纤分束器、光纤相移器、精密角度偏转装置、离轴抛物面校准镜、准直透镜组、合光棱镜、光纤、CCD摄像机和计算机等。其特点是系统中的精密角度偏转结构可以多个角度、精密地改变参考光方向。每改变一个角度，参考光和物光干涉产生的全息图都会变化。通过控制光纤相移器，采用相移法求得各个角度下物体的包裹相位值。对包裹相位值的余弦相加得到函数进行峰值搜索，就可以得到物体各点的高度信息。本发明在测量过程中对待测物体各点单独测量，不需要相位去包裹的步骤，能够测量形状复杂的、有间断的物体的面型参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对复杂面型物体连续变角度数字全息干涉测量的方法和装置，属于光电测量技术的领域。
背景技术
数字全息干涉测量(Digital Holographic Metrology)是一项利用全息照相的方法进行干涉计量的技术，具有非接触、全场测量、精度高、灵敏度高、测量迅速简便等优点，可以用于平面度、共面度、厚度等面型参数的测量，在精密机械、航空航天等领域具有广阔的应用前景。
经文献搜索发现，已有的数字全息信息解调方法分为两种，第一种是相移解调方法，利用相移器引入已知的相移，获得物体待测信息的包裹相位图，然后经过相移去包裹处理，获得物体的全场信息。但是，当物体的形状复杂时，相位去包裹将无法进行，所以这种方法只能适用于简单形状物体。如吕晓旭在《激光技术》发表的论文“全息相移技术用于物体的三维面形测量”采用的相位解调的方法。第二种方法是Joseph C.Marron在美国专利5,926,277，“Method and apparatus for three-dimensional imaging using laser illumination interferometry”和Mater Michael J在美国专利7,317,541“Interferometry method based on the wavelength drift of an illumination source”提出的多波长全息干涉测量方法。这种方法是利用可调谐激光器来产生多个波长的激光，将波长作为干涉信息的解调已知量，通过对多个波长照明下的干涉图进行处理，获得物体的面型信息。这种方法虽然可以测量复杂型面，但是因为要用到可调谐激光器，存在设备结构复杂，成本高，激光可调谐范围窄、调谐精度有限等不足，限制了其实际应用效果。
发明内容
针对现有技术的不足和缺陷，本发明提出一种针对复杂面型物体连续变角度数字全息干涉测量的方法和装置，在测量过程中利用精密改变角度的装置改变物光和参考光的干涉角度，CCD摄像机记录每个角度下包含物体高度信息的全息图，将干涉角度作为干涉信息解调的已知量来求得物体高度信息。具体技术方案如下：
一种针对复杂面型物体的连续变角度数字全息干涉测量的装置，包括计算机、CCD摄像机、激光器、光纤分束器、光纤相移器、精密角度偏转装置、准直透镜组、合光棱镜、离轴抛物面校准镜、和光纤等。
激光器通过光纤与光纤分束器相连，光纤分束器将光纤中的光分为物光和参考光两路 光；在物光光纤的端口后设置抛物反射面镜，物光被扩展为一定范围的平行光束，平行光束照射到被测物体上；在参考光路上设置光纤相移器，在参考光纤端口处连接参考光准直透镜组，参考光经过准直镜准直后成为平行光，然后照射到一个平面反射镜上，该平面反射镜固定在一个能精密连续改变角度的精密驱动结构上，平面反射镜反射的平行光经过合光棱镜后进入CCD摄像机；经成像透镜后的物光光束和平面镜反射的参考光光束在CCD摄像机的靶面上相干涉，形成干涉场；CCD摄像机与计算机相连接，并将干涉场送入计算机中处理，得到待测物体的面型参数。
其特征在于，所述的精密角度改变装置可以多个角度、精密地改变参考光的方向，从而改变物光和参考光的干涉角度。每一个角度下，物光和参考光干涉形成的干涉场都不一样，通过CCD摄像机记录下干涉场并送入计算机处理。
本发明还提出了一种利用所述的测量装置的全息干涉测量方法，在每一个参考光入射角度下，通过控制光纤相移器，采用相移法求得各个角度下物体的包裹相位值。把包裹相位值的余弦相加得到一个随物体高度变化的曲线，在自变量为物体高度时，产生一个峰值。在一定范围内对该函数的峰值进行搜索，得到待测物体各点的高度信息。
这种方法不需要相位去包裹过程，可以用于任意复杂形状面型信息的测量。本发明采用连续精密改变参考光角度的方法实现全息干涉的信息解调，测得物体的面型高度信息，不仅使测量范围变大，还使测量结果更加稳定。由于精密改变角度装置属于机械装置，结构简单，成本低廉，更加利于实际推广。而且，本发明在测量过程中对待测物体各点单独测量，无需相位去包裹的过程，能够测量形状复杂、有间断的物体的面型参数。
附图说明
图1是本发明的系统结构图。
图2是本发明的测量流程图。
图3是本发明利用相位包裹值余弦相加函数搜索物体高度的结果图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的连续变角度数字全息干涉测量的系统包括：激光器1、光纤2、光纤分束器3、离轴抛物面校准镜4、光纤相移器5、准直透镜组6、精密角度偏转装置7、合光透镜8、成像透镜9、CCD摄像机10、计算机11。
附图和下面的说明是以精密角度偏转装置改变了16个角度为例，说明本发明的实施方法。
图1中表示出本发明的系统结构图，激光器1通过光纤2与光纤分束器3相连，光纤 分束器3将光纤分为物光和参考光两路光；在物光光纤的端口处设置离轴抛物面校准镜4上，物光经过离轴抛物面校准镜4反射到被测物体上；在参考光光纤上连接光纤相移器5，在参考光光纤端口处连接准直透镜组6，经过扩束后的参考光照射在一面与精密角度偏转装置7相连的平面镜上；平面反射镜反射的平行光经过合光棱镜8与经成像透镜9的物光干涉后进入CCD摄像机10，CCD摄像机10与计算机11相连接；
图2是本发明测量物体的具体流程图。当精密角度改变装置使得物光和参考光干涉角度为θ1～θ16时，对于每个角度θ，控制光纤相移器改变初始相位，CCD摄像机分别采集初始相位为0、 π、 的干涉场信息图；对这些信息图，采用四步相移法求得各个角度下物体的包裹相位值。把包裹相位值的余弦相加得到的一个函数，在自变量为物体高度时，产生一个峰值。在一定范围内对函数峰值进行搜素，得到待测物体各点的高度信息。图3是测量物体上一个高度为300nm的像素点的测量结果。
以上是本发明的一个具体说明例，但是本发明并不限于该实施例。角度偏转装置改变的角度可以有所增减，采用的相移法不限于四步相移法。
Claims (1)
1.一种连续变角度数字全息干涉测量的方法，其特征在于，基于针对复杂面型物体的连续变角度数字全息干涉测量的装置，所述针对复杂面型物体的连续变角度数字全息干涉测量的装置包括激光器，光纤，光纤分束器，离轴抛物面校准镜，光纤相移器，准直透镜组，平面反射镜，成像透镜，精密角度偏转装置，合光棱镜，CCD摄像机，计算机；
激光器通过光纤与光纤分束器相连，光纤分束器将光纤中的光分为物光和参考光两路光；在物光光纤的端口后设置离轴抛物面校准镜，物光被扩展为一定范围的平行光束，平行光束照射到被测物体上；在参考光路上设置光纤相移器，在参考光纤端口处连接准直透镜组，参考光经过准直镜准直后成为平行光，然后照射到一个平面反射镜上，该平面反射镜固定在一个能精密连续改变角度的精密驱动角度偏转装置上，平面反射镜反射的平行光经过合光棱镜后进入CCD摄像机；被测物体反射的物光束经成像透镜后，和平面镜反射的参考光束在CCD摄像机的靶面上相干涉，形成干涉场；CCD摄像机与计算机相连接；
所述的精密角度偏转装置在测量过程中通过连续精密改变参考光的干涉角度，使得物光和参考光干涉角度为θ1～θ16，对于每个角度θ，控制光纤相移器改变初始相位，CCD摄像机分别采集初始相位为0、π、的干涉场，然后将不同干涉角度形成的干涉场输入到计算机中，计算机根据四步相移法得到多个干涉角度下的包裹相位图，然后将多个干涉角度下包裹相位图中包裹相位值的余弦相加得到函数曲线，在自变量为物体高度时，产生一个峰值；在待测物体的高度范围内对函数峰值进行搜索，得到待测物体各点的高度信息。
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