CN105066908A - 一种基于多波长和多偏振态的数字全息三维形貌检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多波长和多偏振态的数字全息三维形貌检测装置，包括激光光源、分光及更改偏振态单元、第一光束准直单元、被测物体、第二光束准直单元、光程补偿及光束偏转单元和CMOS相机；本装置采用数字全息方法，结合多波长测量技术，可用于表面非光学平滑、高粗糙度、表面结构不连续且起伏较大的物体的三维形貌检测；同时结合光波偏振态对散斑分布的影响，对不同偏振态下的多幅全息图进行信息融合，可有效抑制散斑对再现像的影响，提高信噪比。

Description

一种基于多波长和多偏振态的数字全息三维形貌检测装置

技术领域

本发明涉及一种三维形貌检测系统，更特别地说，是指一种基于多波长和多偏振态的数字全息三维形貌检测系统。

背景技术

数字全息技术利用CCD、CMOS等光电成像探测器件作为记录介质，并以数字形式记录全息图，利用计算机以数字方法模拟再现光学衍射过程，重构三维光场，同时获得光场的振幅和相位信息。其优点包括：(1)以非接触方式检测，对被测物影响很小；(2)记录与再现过程都以数字化形式完成，可对物体的三维信息进行定量分析；(3)在数字重构过程中，可方便地运用数字图像处理技术改善数据质量。

为了将数字全息技术应用于高粗糙度或表面非连续的物体三维形貌检测，并获得高质量的测量结果，需要解决一些技术问题：(1)数字全息三维形貌检测的测量范围仅在波长量级，并且往往存在相位包裹现象，对物体表面非连续的区域，不能通过解包裹操作获取正确的相位分布，限制了该技术的应用范围；(2)在数字全息检测过程中，记录的数据会包含散斑噪声，散斑噪声严重影响检测结果的精度，会造成再现像失真以及细节丢失，因此减小散斑对实现高精度的三维形貌检测具有重要意义；(3)需合理设计光路，使结构紧凑，稳定性高，便于操作。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于多波长和多偏振态的数字全息三维形貌检测装置。本装置采用数字全息方法，结合多波长测量技术，可用于表面非光学平滑、高粗糙度、表面结构不连续且起伏较大的物体的三维形貌检测；同时结合光波偏振态对散斑分布的影响，对不同偏振态下的多幅全息图进行信息融合，可有效抑制散斑对再现像的影响，提高信噪比。在光路中，为了扩大测量范围，分别使用不同波长的激光测量被测物体，并对各自得到的再现相位图做迭代相减处理，进而获得被测物体的正确的三维形貌分布。散斑噪声是杂乱无章的干扰信息，其分布情况会受到照明光的影响，改变照明光的偏振方向会改变散斑噪声的分布，不同的散斑分布之间为非相关关系，因此多次叠加处理的结果趋于零。为了减弱散斑噪声，在每个波长下，通过调节半波片多次改变光波的偏振方向，在多个不同的偏振方向下对分别被测物体进行检测，再对这些结果进行叠加处理，得到该波长下抑制散斑噪声后的检测结果。

本发明的一种基于多波长和多偏振态的数字全息三维形貌检测装置，包括激光光源、分光及更改偏振态单元、第一光束准直单元、第二光束准直单元、被测物体、光程补偿及光束偏转单元和CMOS相机。

激光光源是一台波长可调谐激光器，激光器中LD1波长可调谐范围为635nm-653nm，LD2波长可调谐范围为652nm-668nm，LD3波长可调谐范围为665nm-682nm。

分光及更改偏振态单元一方面用于接收从光源入射的激光，另一方面将激光分为两束偏振方向可变化的线偏振光，并分别输入两个光束准直单元。其中，可调衰减器用于调节入射激光的光强；A半波片用于调整入射激光的偏振方向，并与偏振分光棱镜配合实现透射光和反射光的光强比连续可调；偏振分光棱镜用于将入射激光分为两束线偏振光；B半波片和C半波片分别用于调整透射光和反射光的偏振方向，使两束光的偏振方向保持一致，并且可以更改两束光的偏振方向，实现多偏振态检测的目的；第一检偏器和第二检偏器分别用于检测和记录透射光和反射光的偏振方向。

第一光束准直单元和第二光束准直单元具有相同的结构，均由空间滤波器和平凸透镜构成，空间滤波器用于对入射光束进行扩束，平凸透镜用于输出平行光束。

光程补偿及光束偏转单元用于补偿、调节参考光路的光程，使物光光路和参考光路的光程基本相同；并且调节参考光的角度，使物光和参考光之间存在一个适当的微小夹角，形成离轴干涉全息。

CMOS相机用于捕获、记录数字全息图。

本发明的优点在于：

(1)采用多波长方法扩展测量物体形貌纵向范围，避免相位包裹，根据被测物体表面的纵向深度选取激光波长和波长差，在保证精度的同时避免了相位的不确定性，可用于表面粗糙度高、纵向起伏大、结构不连续的平面型物体的三维形貌测量；

(2)分光及更改偏振态单元同时输出两束线偏振光，并可以精确控制照明光和参考光的偏振态和光强比；

(3)本发明通过多次改变照明光和参考光的偏振方向，可以在非接触、原位探测的前提下，记录多幅包含物体信息以及不同散斑分布的数字全息图，进而通过融合上述全息图的再现像，可显著抑制散斑噪声，得到高精度的三维形貌分布，并且通过改变偏振方向的方式抑制散斑噪声无需在光路中加入过多新的器件，保持了全息光路的简洁，也无需对光束方向、物体位置等进行附加调整，降低了操作难度，提高了检测的稳定性；

(4)光程补偿及光束偏转单元可以精确补偿物光光路和参考光路的光程差，并且调整物光和参考光之间的夹角，以形成清晰的干涉条纹；

(5)本发明观测装置结构紧凑，操作简单，稳定性高。

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是本发明分光及更改偏振态单元的光路传输结构图。

图3是本发明光程补偿及光束偏转单元的光路传输结构图。

图中：

1–激光光源

2–分光及更改偏振态单元

3–第一光束准直单元

4–被测物体

5–第二光束准直单元

6–光程补偿及光束偏转单元

7–CMOS相机

8–第一平面反射镜

9–第二平面反射镜

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明是一种基于多波长和多偏振态的数字全息三维形貌检测装置，该装置包括有激光光源1、分光及更改偏振态单元2、第一光束准直单元3、被测物体4、第二光束准直单元5、光程补偿及光束偏转单元6和CMOS相机7。其中，第一光束准直单元3和第二光束准直单元5具有相同的结构。

激光光源1产生激光1a，激光1a输入至分光及更改偏振态单元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，可以选取韩国NANOBASE公司生产的型号为Xperay-TL-STD的激光器。根据被测物体的表面结构特征和精度要求，通过调谐激光器，采用一系列波长分别照明物体并进行全息记录，测量同一物体，进而通过全息再现计算和数字拍频融合，得到合成波长下的物体全息再现像。本装置采用的激光器能够实现波长连续可调，波长精度可达0.001nm，相应的合成波长可达几十厘米，因此显著提高了全息检测纵向测量范围，同时其测量精度保持在亚波长量级。

分光及更改偏振态单元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、第一检偏器2-5、C半波片2-6、第二检偏器2-7。分光及更改偏振态单元2用于接收从激光光源1出射的激光1a，将其分为空间线偏振光2a和2b输出，并且可以调整两束光的光强比(一般为1:5～5:1)和偏振方向。

激光1a经可调衰减器2-1、A半波片2-2后，入射到偏振分光棱镜2-3，被分为两束偏振方向正交的透射光和反射光；其中透射光经B半波片2-4和第一检偏器2-5后形成空间线偏振光2a，进入物光光路；反射光经C半波片2-6和第二检偏器2-7后形成空间线偏振光2b，进入参考光路。

在本发明中，调节A半波片2-2可以改变光束2a和2b光强比(一般为1:5～5:1)，实现全息图干涉条纹对比度的调节。调节B半波片2-4可以在0至180度范围内改变透射光2a的偏振方向，并由第一检偏器2-5检测并记录透射光2a的偏振方向；调节C半波片2-6可以在0至180度范围内改变反射光2b的偏振方向，并由第二检偏器检测并记录反射光2b的偏振方向。通过半波片和检偏器相配合，保证透射光2a和反射光2b的偏振方向相同。在检测过程中，以固定的角度间隔多次改变透射光2a和反射光2b的偏振方向，在每一个偏振方向下均对被测物体进行一次检测并记录数字全息图。如此记录多幅对应不同偏振方向的全息图，对记录的全息图均进行数值再现，并将所有角度下再现像的相位分布进行叠加平均。散斑为非相干噪声，在叠加平均的作用下趋于零，而被测物体的形貌分布数据不受影响，因此平均后的再现像相位分布中的噪声受到抑制，得到高信噪比的检测结果。

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、B半波片2-4和C半波片2-6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；第一检偏器2-5和第二检偏器2-7可以选取北京大恒光电公司的GCL-050002型偏振片。

第一光束准直单元3和第二光束准直单元5具有相同结构，均由空间滤波器和平凸透镜构成。

第一光束准直单元3接收透射光2a，空间滤波器对光束2a进行扩束和空间滤波处理后，输出至平凸透镜上，经平凸透镜后输出平行光3a，用于照明被测物体4。第一光束准直单元3对透射光2a进行扩束、空间滤波，并将其准直为平行光输出。

第二光束准直单元5接收反射光2b，空间滤波器对光束2b进行扩束和空间滤波处理后，输出至平凸透镜上，经平凸透镜后输出平行光5a，输入光程补偿及光束偏转单元6。第二光束准直单元5对反射光2b进行扩束、空间滤波，并将其准直为平行光输出。

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。

光程补偿及光束偏转单元6用于对参考光路的光程进行补偿以及调整参考光的入射角度。为使物光和参考光形成干涉条纹，须保证物光光路和参考光路的光程差小于激光光源的相干长度。由于本系统中使用的可调谐激光器属于短相干激光器，相干长度较短，因此必须精确调节参考光路的光程，才能形成干涉，得到清晰的干涉条纹。为使再现像中的两个共轭像分离，以便获得真实的再现像，同时又能确保干涉的效果，须保证物光和参考光之间存在一个微小的夹角，形成离轴干涉全息图。

光程补偿及光束偏转单元6如图3所示，由直角棱镜、第一平面反射镜8和第二平面反射镜9构成。入射光束5a入射至直角棱镜，之后反向平行出射至第一平面反射镜8，再经第二平面反射镜9输出光束6a。直角棱镜放置于精密位移台上，可以进行在入射光5a方向上的前后平移，精度可达0.01mm。通过前后平移直角棱镜，可以精确调节参考光束的光程，确保干涉质量。第二平面反射镜9放置于一维平移台和二维可调节镜架上，可以实现一维平移和角度旋转。通过调节第二平面反射镜9的位置和角度，可以调整出射光束6a的角度，保证参考光与物光之间存在适当的夹角。

光束补偿及光束偏转单元6可以由北京北光世纪仪器有限公司生产的OCP112型直角棱镜、TS302型精密平移台，北京大恒光电公司生产的GCC-102105型反射镜、GCM-150101M型齿轮齿条移动台和GCM-0818型反射镜架构成。

CMOS相机7用于捕获和记录数字全息图，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15，光敏面尺寸2/3英寸，数据接口为USB2.0。

本发明的基于多波长和多偏振态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入射至分光及更改偏振态单元2中，经分光及更改偏振态单元2处理后，输出空间线偏振光2a和2b；

所述空间线偏振光2a经过第一光束准直单元3后输出平行线偏振光3a，对被测物体4的表面进行照射，被测物体4表面反射形成包含三维形貌信息的物光4a，入射到CMOS相机7的光敏面；

所述空间线偏振光2b经过第二光束准直单元5和光程补偿及光束偏转单元6后，输出平行线偏振光6a作为参考光，入射至CMOS相机7的光敏面；

所述物光4a和参考光6a在CMOS相机7的光敏面发生干涉，形成干涉条纹，被CMOS相机7捕获并记录下来，得到数字全息图；

调节光程补偿及光束偏转单元6，补偿参考光路的光程并且调整参考光与物光之间的夹角，使全息图中的干涉条纹清晰可见；

在检测过程中，首先将激光光源1的输出波长调至某一选定波长，之后调整分光及更改偏振态单元2中的B半波片2-4和C半波片2-6，通过第一检偏器2-5和第二检偏器2-7检测并记录透射光2a和反射光2b的偏振方向，使两束光的偏振方向保持一致；

调节B半波片2-4和C半波片2-6，以固定的角度间隔多次改变透射光2a和反射光2b的偏振方向，在两束光的偏振方向一致的前提下，分别记录在多个不同偏振方向下的数字全息图，分别对其进行数值再现并提取相位分布后，进行叠加平均，即可抑制检测结果中的散斑噪声；

将激光光源1的输出波长调至其他的选定波长，再次多次改变两束光的偏振方向，分别记录多个不同偏振方向下的数字全息图，并对其再现像的相位分布进行叠加平均，得到抑制散斑噪声后的检测结果；

对不同波长的相位分布图通过迭代相减算法获得对应于合成波长的、无包裹、低散斑噪声的相位分布图，可以准确、全面地反映被测物体表面的三维形貌。

Claims (1)

1.一种基于多波长和多偏振态的数字全息三维形貌检测装置，包括激光光源、分光及更改偏振态单元、第一光束准直单元、被测物体、第二光束准直单元、光程补偿及光束偏转单元和CMOS相机；

激光光源产生激光1a，激光1a输入至分光及更改偏振态单元；

分光及更改偏振态单元包括可调衰减器、A半波片、偏振分光棱镜、B半波片、第一检偏器、C半波片、第二检偏器；

激光1a经可调衰减器、A半波片后，入射到偏振分光棱镜，被分为两束偏振方向正交的透射光和反射光，其中透射光经B半波片和第一检偏器后形成空间线偏振光2a，进入物光光路；反射光经C半波片和第二检偏器后形成空间线偏振光2b，进入参考光路；

其中，通过调节A半波片改变光束2a和2b光强比，通过调节B半波片在0至180度范围内改变透射光2a的偏振方向，第一检偏器检测并记录透射光2a的偏振方向，通过调节C半波片在0至180度范围内改变反射光2b的偏振方向，第二检偏器检测并记录反射光2b的偏振方向，透射光2a和反射光2b的偏振方向相同，检测过程中，以固定的角度间隔多次改变透射光2a和反射光2b的偏振方向，在每一个偏振方向下均对被测物体进行一次检测并记录数字全息图，对所得数字全息图均进行数值再现，将所有偏振角度下的再现结果进行叠加平均，得到抑制散斑噪声后的检测结果；

第一光束准直单元和第二光束准直单元具有相同结构，均由空间滤波器和平凸透镜构成；

第一光束准直单元接收透射光2a，空间滤波器对光束2a进行扩束和空间滤波处理后，输出至平凸透镜上，经平凸透镜后输出平行光3a，照明被测物体，被测物体表面反射形成包含三维形貌信息的物光4a，输出至CMOS相机；

第二光束准直单元接收反射光2b，空间滤波器对光束2b进行扩束和空间滤波处理后，输出至平凸透镜上，经平凸透镜后输出平行光5a，输入光程补偿及光束偏转单元；

光程补偿及光束偏转单元包括直角棱镜、第一平面反射镜和第二平面反射镜；入射光束5a入射至直角棱镜，反向平行出射至第一平面反射镜，经第二平面反射镜输出光束6a，输出至CMOS相机；直角棱镜放置于精密位移台上，能够进行在入射光5a方向上的前后平移，通过前后平移直角棱镜，调节参考光束的光程，第二平面反射镜放置于一维平移台和二维可调节镜架上，实现一维平移和角度旋转；通过调节第二平面反射镜的位置和角度，调整出射光束6a的角度；

物光4a和参考光6a在CMOS相机的光敏面发生干涉，形成干涉条纹，CMOS相机进行捕获和记录，得到数字全息图。