CN104006763A - 一种基于多波长的数字全息三维形貌检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于多波长的数字全息三维形貌检测装置。该装置采用数字全息的方法，采用多个波长对三维物体的表面进行表面形貌测量；在光路结构中，以平面光波照明待测物体并收集反射的物光，利用光束偏转器控制参考光与物光的夹角，实现离轴数字全息。为了在保证观测分辨率的同时增大测量范围，可分别以不同波长的光束测量待测物体，并对得到的全息频谱图进行相减迭代处理，进而得到无相位包裹的待测物体三维形貌信息。该装置通过一体化的光学平台使得各光学器件的布局结构紧凑、灵活、稳定，可用于高精度的大高度、高粗糙度的光学元器件、机械转子等机械组件进行在线三维形貌观测。

Description

一种基于多波长的数字全息三维形貌检测装置

技术领域

本发明涉及一种基于多波长的数字全息三维形貌检测装置，属于光电测量技术领域。

背景技术

目前，三维形貌检测技术主要有散斑干涉技术、结构光技术和数字全息技术等。数字全息技术利用CCD、CMOS等光电图像传感器件以数字形式记录全息图，并用计算机数值模拟光学的衍射过程，再现原始物光场的波前分布，从而准确获取待测物体的振幅和相位信息。

为了将数字全息技术应用于大高度、高粗糙度的平面型三维物体形貌检测，需要解决一些技术问题：(1)数字全息三维形貌检测受波长大小的限制，测量范围仅仅是波长大小，为提高测量范围，一般采用相位解包裹技术，但该技术受到物体表面形貌的限制，仅仅能对特定表面进行相位解包裹，应用范围十分有限。(2)为提高信噪比和成像质量，在图像记录过程当中需要对物光和参考光的光强比、偏振性、入射夹角和波前曲率进行精确控制。(3)为提高三维物体检测的精度和范围，必须结合测量对象的形貌选择合适的波长，同时结合测量对象的装在平台、姿态等因素，合理设计光路，使其结构紧凑，稳定性好，同时便于操作和调试。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出了一种基于多波长的数字全息三维形貌检测装置。本装置采用数字全息的方法，结合多波长的技术，实现大高度、高粗糙度、表面非连续的平面型三维物体的形貌测量；在光路结构中，以平行光照射待测目标并收集散射的物光，通过光束偏转器控制参考光和物光的夹角，实现离轴数字全息。为了保证观测分辨率的同时提高测量范围，可分别使用不同波长的光束测量待测对象的同一三维形貌信息，并对得到的再现相位图采用递归相减，进而得到完整的待测目标的三维形貌信息。该装置通过一体化的光学平台使得多个光学器件的分布紧凑、灵活、稳定，可用于高精度的大高度、高粗糙度表面非连续的平面型光学元器件、机械转子等机械组件进行三维形貌观测。

一种基于多波长的数字全息三维形貌检测装置，包括激光光源、分光单元、反射镜、第一光束准直单元、光束偏转器、第二光束准直单元、消偏振分光棱镜、五维调整安装平台、CMOS相机；

激光光源产生激光1a，激光1a输入至分光单元，激光光源的中心波长范围可调，为635nm-682nm的单纵模激光；

分光单元包括可调衰减器、A半波片、偏振分光棱镜、B半波片；

激光1a经可调衰减器、A半波片入射到偏振分光棱镜上被分为两束偏振方向正交的反射光和透射光，反射光经过B半波片后，形成空间光2a，空间光2a进入参考光路，透射光形成空间光2b，进入物光光路；

空间光2a输出至反射镜，得到反射光3a，输出至第一准直单元；

第一光束准直单元和第二光束准直单元具有相同结构，第一准直单元由空间滤波器和平凸透镜构成，空间滤波器用于对接收到的反射光3a进行扩束处理后，照射至平凸透镜上，经平凸透镜后形成平行光4a输出至光束偏转器；

第二准直单元中，空间滤波器用于对接收到的透射光2b进行扩束处理后照射至平凸透镜上，经平凸透镜后形成平行光6a输出至消偏振分光棱镜；

光束偏转器用于改变参考光的入射角度，输出平行参考光5a；

消偏振分光棱镜将平行参考光5a和物光8a合成一束光，得到光束7b；并且，消偏振分光棱镜接收平行光6a，得到与待测目标表面一致平行照明光7a，直接照射至待测目标表面，得到物光8a；

五维调整安装平台包括三维平移台和二维旋转台，通过三维平移台和二维旋转台实现被光测目标的二维姿态调整及被侧面的旋转对准，通过全息图指示调节待测目标使目标位于全息图中央位置；

CMOS相机用于捕获记录数字全息图。

本发明的优点在于：

(1)采用光学测量方法，具有非接触性、非破坏性，且无需进行预处理，对测量目标几乎无损伤；

(2)采用数字全息技术，减少曝光次数，能够有效克服温度、振动等因素对测量结果的影响，实时获取目标的三维形貌信息；

(3)采用多波长的方法扩展无相位包裹范围，依据物体表面粗糙度及纵向深度选取波长及波长差，在保证测量精度的同时提高测量范围，可用于大高度、高粗糙度、表面非连续的平面型器件的三维形貌测量。

附图说明

图1是本发明数字全息三维形貌检测装置的光路传输结构框图；

图2是本发明分光单元的光路传输结构图

图3是本发明光束偏转器结构图。

图中：

1-激光光源	2-分光单元	3-反射镜
			4-第一光束准直单元	5-光束偏转器	6-第二光束准直单元
7-消偏振分光棱镜	8-五维调整安装平台	9-CMOS相机

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于多波长的数字全息三维形貌检测装置，如图1所示，包括激光光源1、分光单元2、反射镜3、第一光束准直单元4、光束偏转器5、第二光束准直单元6、消偏振分光棱镜7、五维调整安装平台8、CMOS相机9。

其中，第一光束准直单元4和第二光束准直单元6具有相同的结构。

激光光源1产生激光1a，激光1a输入至分光单元2；

激光光源1用于提供635nm-682nm的激光1a，即光信息，该光源提供了中心波长范围为635nm-682nm的单纵模激光，可以选取可选用韩国NANOBASE公司生产的型号为Xperay-TL-STD的激光器。已有的三维形貌测量系统都采用单波长激光器，针对表面非连续、高粗糙度物体，其纵向测量范围只能达到波长量级即几百纳米。通过不同波长照射获取同一物体的多幅全息图，采用全息图相减可得到合成波长全息图，合成波长远大于单个波长，能够有效扩大测量范围。本装置的激光器能够实现波长的连续可调，波长差可精确至0.001nm，相应的合成波长可达几十厘米，能有效提高纵向测量范围。

分光单元2如图2所示，包括可调衰减器2-1、A半波片2-2、偏振分光棱镜2-3、B半波片2-4。

分光单元2用于接收从激光光源1出射的波长范围为635nm-682nm的激光1a，将其分为空间光2a和2b输出，并可调整改变两路光的光强比(一般为1:5～5:1)。

激光1a经可调衰减器2-1、A半波片2-2入射到偏振分光棱镜2-3上被分为两束偏振方向正交的反射光和透射光；其中反射光经过B半波片2-4后，形成空间光2a，空间光2a进入参考光路；透射光形成空间光2b，进入物光光路。

在本发明中，通过旋转调整A半波片2-2，可以改变空间光2a与空间光2b之间的光强比(一般为1:5～5:1)，进而改变平行参考光5a和物光7a的光强比(一般为1:5～5:1)，实现全息图条纹对比度的调节。旋转调整B半波片2-4，能够保证空间光2a与空间光2b的偏振方向一致。

在本发明中，可调衰减器2-1可选取北京大恒光电公司的GCO-0701M型圆形可调衰减器；A半波片2-2和B半波片2-4可选取北京大恒光电公司的GCL-060652型石英多级半波片；偏振分光棱镜2-3可以选取北京大恒光电公司的GCC-402103型偏振分光棱镜。

反射镜3用于转折光束，空间光2a输出至反射镜3，得到反射光3a，输出至第一准直单元4，反射镜3可选取北京大恒光电公司的GCC-102102型反射镜。

第一光束准直单元4和第二光束准直单元6具有相同结构，下面以第一准直单元4为例，进行说明。

第一准直单元4由空间滤波器和平凸透镜构成；空间滤波器用于对接收到的反射光3a进行扩束处理后，照射至平凸透镜上，经平凸透镜后形成平行光4a输出至光束偏转器5。第一准直单元4对反射后的空间光2a进行扩束，并将其准直为平行光出射。

第二准直单元6中，空间滤波器用于对接收到的透射光2b进行扩束处理后照射至平凸透镜上，经平凸透镜后形成平行光6a输出至消偏振分光棱镜7。第二准直单元6用于对反射后的空间光2b进行扩束，并将其准直为平行光出射。

光束准直单元可以由北京大恒光电公司生产的GCO-01M型空间滤波器和GCL-010119型平凸透镜组合而成。

光束偏转器5用于改变参考光的入射角度，进而调整参考光与物光的夹角。如图3所示，光束偏转器5由一维位移台5-1和二维可调节镜架5-2、反射镜5-3组成，可分别选用北京大恒光电公司生产的GCM-150101M型齿轮齿条移动台、GCM-0818型反射镜架以及GCC-102105型反射镜。其中，通过调节旋钮5-6调节一维平移台5-1，实现反射镜5-3x轴方向的移动，通过二维可调节镜架5-2的旋钮5-4、5-5实现反射镜的二维姿态调整，通过调节可实现平行参考光到CMOS相机9的多角度入射。光束偏转器5输出平行参考光5a。

消偏振分光棱镜7用于将平行参考光5a和物光8a合成一束光，得到光束7b，消偏振分光棱镜7可选用Edmund光学公司生产的47571型消偏振分光棱镜。并且，消偏振分光棱镜7接受平行光6a，得到与待测目标表面一致平行照明光7a，直接照射至待测目标表面，得到物光8a。

五维调整安装平台8用于放置被观测目标和实现其对准测量，包括三维平移台和二维旋转台。通过三维平移台和二维旋转台实现被光测目标的二维姿态调整及被侧面的旋转对准。通过全息图指示调节待测目标使目标位于全息图中央位置。可选用北京北光世纪仪器有限公司生产的PTS101M型精密位移台与TG102型精密角位移台组合而成。

CMOS相机9用于捕获记录数字全息图，可以选取加拿大Lumenera公司的CMOS相机，其型号为LU125M-WOIR，分辨率为1280×1024像素，最高帧频15fps，光敏面尺寸2/3英寸，数据接口为USB2.0。

本发明的基于子多波长的数字全息三维形貌检测装置的光路结构为：激光光源1出射的激光1a入射至分光单元2中，经分光单元2的分光处理后输出空间光2a和空间光2b；

所述空间光2a顺次经反射镜3、光束准直单元4、光束偏转器5后输出平行参考光5a入射进入消偏振分光棱镜7；

所述空间2b经光束准直单元6后形成平行照明光6a，平行照明光6a经消偏分光棱镜7反射形成平行光7a直接对五维调整安装平台8上的待测目标进行照射，经待测目标反射后形成包含目标三维形貌信息的物光8a，再次经过标准球面镜后进入消偏振分光棱镜7；

所述消偏振分光棱镜7对入射的平行参考光5a和物光8a进行合光处理得到合并光束7b，该合并光束7b被CMOS相机9的光敏面捕获，从而在CMOS相机9中形成干涉全息图。

在本发明中，由分光单元2分出的空间光2a经反射镜3、第一光束准直单元4、光束偏转器5后入射进入消偏振分光棱镜7，这部分可以称为参考光路。

在本发明中，由分光单元2分出的空间光2b经第二光束准直单元、消偏振分光棱镜7后形成平行照明光波，并经待测面反射后入射至消偏振分光棱镜7，这部分可以称为物光光路。

本发明设计的基于多波长的数字全息三维形貌检测装置，能够适用于高表面粗糙度、大高度、表面非连续的平面型物体的三维形貌测量，可对处于生产线上的目标进行实时动态监测。该装置(1)以非接触、非破坏、无预处理的方式获取目标表面面型信息，对活体细胞的影响非常小；(2)曝光次数少，可有效克服振动、温度的影响；(3)使用多波长获取目标三维形貌信息，视场大、成像分辨率高。

Claims (3)

1.一种基于多波长的数字全息三维形貌检测装置，包括激光光源、分光单元、反射镜、第一光束准直单元、光束偏转器、第二光束准直单元、消偏振分光棱镜、五维调整安装平台、CMOS相机；

激光光源产生激光1a，激光1a输入至分光单元，激光光源的中心波长范围可调，为635nm-682nm的单纵模激光；

分光单元包括可调衰减器、A半波片、偏振分光棱镜、B半波片；

激光1a经可调衰减器、A半波片入射到偏振分光棱镜上被分为两束偏振方向正交的反射光和透射光，反射光经过B半波片后，形成空间光2a，空间光2a进入参考光路，透射光形成空间光2b，进入物光光路；

空间光2a输出至反射镜，得到反射光3a，输出至第一准直单元；

第一光束准直单元和第二光束准直单元具有相同结构，第一准直单元由空间滤波器和平凸透镜构成，空间滤波器用于对接收到的反射光3a进行扩束处理后，照射至平凸透镜上，经平凸透镜后形成平行光4a输出至光束偏转器；

第二准直单元中，空间滤波器用于对接收到的透射光2b进行扩束处理后照射至平凸透镜上，经平凸透镜后形成平行光6a输出至消偏振分光棱镜；

光束偏转器用于改变参考光的入射角度，输出平行参考光5a；

消偏振分光棱镜将平行参考光5a和物光8a合成一束光，得到光束7b；并且，消偏振分光棱镜接收平行光6a，得到与待测目标表面一致平行照明光7a，直接照射至待测目标表面，得到物光8a；

五维调整安装平台包括三维平移台和二维旋转台，通过三维平移台和二维旋转台实现被光测目标的二维姿态调整及被侧面的旋转对准，通过全息图指示调节待测目标使目标位于全息图中央位置；

CMOS相机用于捕获记录数字全息图。

2.根据权利要求1所述的一种基于多波长的数字全息三维形貌检测装置，所述的A半波片进行旋转调整后，能够改变空间光2a与空间光2b之间的光强比，进而改变平行参考光5a和物光7a的光强比，实现全息图条纹对比度的调节。

3.根据权利要求1所述的一种基于多波长的数字全息三维形貌检测装置，所述的B半波片进行旋转调整后，能够保证空间光2a与空间光2b的偏振方向一致。