CN108120393B - 一种多光场调制的三维形貌测量方法 - Google Patents

一种多光场调制的三维形貌测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多光场调制的三维形貌测量方法，待测三维物体的衍射光场与参考光场干涉形成原始全息条纹，两束调制光束干涉形成干涉条纹，原始全息条纹与调制光干涉条纹发生非相干叠加后由光电探测器采集，通过解调算法从采集得到的条纹图像中解调出原始全息条纹，再通过数字全息重建算法恢复出待测三维物体形貌，实现对三维形貌的测量。本发明中通过调制光场的引入将原始全息条纹的高频信息调制为能够被探测器采集的低频信息，然后通过算法解调出原始高频信息，在使用相同分辨率探测器情况下能够提高三维形貌测量的分辨率。

Description

一种多光场调制的三维形貌测量方法
技术领域
本发明涉及微观三维形貌测量领域，具体为一种多光场调制的三维形貌测量方法。
背景技术
随着应用需求的提升，要求微纳器件具有更大的信息容量，促使微纳器件由二维、微米级向三维、纳米级发展，也就对纳米级三维结构检测技术提出了迫切需求。在众多测量方法中，光学测量由于其具有非接触、非破坏、测量速度高、系统结构简单、环境适应性强等优点，应用十分广泛。典型的光学测量手段包括激光共聚焦扫描、椭偏仪、宽光谱显微干涉技术、微视觉测试技术、数字全息技术等。其中数字全息技术能够不采用额外的光学成像系统，直接通过记录经被测物体反射或者透射后的衍射光波与参考光叠加形成的干涉条纹，然后通过计算处理即可获得被测物体结构信息。由于该方法是直接通过物光波的相位和振幅信息进行测量，大幅度减少了外界误差的引入，提高了测量的准确性，能够更加真实地反映被测对象的结构信息。同时，由于不必对被测物进行成像，样品加入测量光路中不会降低所采集的干涉条纹清晰度，能够适应反射和透射式测量，对被测物的兼容性好。另外，数字全息采用的是面干涉的光路，具备全场检测、纵向分辨率高的优点。正是由于数字全息测量技术具备这些特有的优势，在各类微纳器件的三维结构测量中得到广泛使用，成为三维微纳测量领域的研究热点之一。
但是受限于现有技术水平，光电探测器的分辨率和尺寸都难以达到胶片等传统记录介质水平，不能充分利用全息测量固有测量精度，导致数字全息测量的横向分辨率有限。因此，如何提高数字全息测量的横向分辨率是需要解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的是在光电探测器的分辨率和尺寸保持不变的情况下，通过多光场调制方法，提高数字全息三维测量的横向分辨率。
为了实现所述目的，本发明提出一种多光场调制的三维形貌测量方法，所述的三维形貌测量方法中待测三维物体的衍射光场与参考光场干涉形成原始全息条纹，两束调制光束干涉形成干涉条纹，原始全息条纹与调制光干涉条纹发生非相干叠加后由光电探测器采集，通过解调算法从采集得到的条纹图像中解调出原始全息条纹，再通过数字全息重建算法恢复出待测三维物体形貌，实现对三维形貌的测量；采用的调制光场将原始全息条纹的高频信息调制为能够被探测器采集的低频信息，然后通过算法解调出原始高频信息，在使用相同分辨率探测器情况下提高三维形貌测量的分辨率。
其中，待测三维物体包括透明物体和表面反光的物体。
其中，待测物的衍射光场是准直激光光束经待测物透射或者反射形成的。
其中，参考光场为球面波或者平面波光场，并且与待测物的衍射光场波长相同。
其中，两束调制光束波长相同，但不同于参考光波长。
其中，两束调制光束干涉形成的干涉条纹的相位、周期、方向可以分别通过改变两束调制光束的光程差、相对角度以及旋转角度进行调节，以产生不同的调制光场干涉条纹。
其中，所述的解调算法首先计算出光电探测器获取图像的频谱分布，然后通过频谱分离、移位与叠加处理就可以解调出原始全息图像。
其中，所述的数字全息重建算法可以为菲涅尔变换法、卷积法和角谱法等常用重建方法。
本发明的有益效果为：
本发明采用调制光场将原始全息条纹的高频信息调制为能够被探测器采集的低频信息，然后通过算法解调出原始高频信息，在使用相同分辨率探测器情况下能够提高三维形貌测量的分辨率。
附图说明
图1为多光场调制的三维形貌测量方法示意图；
图2为调制光场光路结构图；
图3为全息条纹调制过程示意图；
图4为解调算法流程示意图；
图中附图标记含义为：1为待测三维物体，2为参考点光源，3为第一束调制光束，4为第二束调制光束，5为光电探测器；6为激光器，7为分光棱镜，8为反射镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种多光场调制的三维形貌测量方法，待测三维物体1的衍射光场与参考点光源2的光场干涉形成原始全息条纹，两束调制光束即第一调制光束3和第二调制光束4干涉形成干涉条纹，原始全息条纹与调制光干涉条纹发生非相干叠加后由光电探测器5采集，通过解调算法从采集得到的条纹图像中解调出原始全息条纹，再通过数字全息重建算法恢复出待测三维物体形貌，实现对三维形貌的测量。
三维物体的衍射光场是经扩束准直后的激光光束照射物体表面反射形成。参考光场为球面波，通过聚焦物镜对激光光束聚焦后再通过针孔获得。照明物体的光源和参考光场采用的光源相同，均为波长632.8nm的激光。调制光束采用的光源不同于物体照明光，波长选择为532nm，在测量过程中，调制光场的条纹图像需进行相移、旋转以及周期变化。
如图2所示，两调制光束采用相同光源(532nm)，激光器6发出的光束经扩束准直后由分光棱镜7分为两路，通过调节两光路中的反射镜8，使得两光路具有一定光程差，从而在光电探测器5探测面产生干涉条纹。测量中，通过调节反射镜8改变分光棱镜7后的等效光程差可以实现调制光场条纹相移，改变倾斜角可以实现周期变化，在空间内进行旋转可以实现调制光场方向旋转，从而满足复杂图形的测量需求。
调制光场的光场分布按照I(x)＝2I′{1+cos[k△(x)]}计算，其中△(x)＝d+xtanθ，I′为调制光束单束光场分布，k＝2π/λ为波数，d为两调制路等效光程差，θ为两光束相对角度，x为位置。在本实施例中I′＝0.5,d＝0，θ＝3.8°，则调制光场条纹周期为8μm，初始相位为0。
如图3所示，光电探测器直接采集的是原始全息条纹的高频信息和调制光场叠加后的图像。原始全息条纹是由物体衍射光与参考光干涉形成，携带了被测物的形貌信息，但是受限于现有探测器的技术水平，其高频信息不能通过探测器直接获得。本发明采用调制光场对原始全息条纹进行振幅调制，将原始全息条纹图像的高频信息调制为低频信息，能够直接被探测器采集。为了满足不同三维形貌的测量需求，调制光场的图形相位、周期和方向需进行变换。
在本实施例中，原始全息条纹周期为6μm，调制光场条纹周期为8μm，则调制后的光场分布条纹周期按照计算
Figure BDA0001513588350000031
为24μm，将原始全息条纹进行了放大。
如图4所示，对采集得到的条纹图形进行频域解调过程为，首先需要将三部分信息分离，然后将零频错位的IGL(f)、IGH(f)移回正确位置，再将处于正确位置的三部分信息叠加，以扩展频域信息，获得超分辨力检测结果。实施的具体步骤为：
首先，控制双光束干涉条纹改变振幅调制初始相位，建立多个方程，可从中解调不同频率成分对应的光强分布。
然后，借助傅里叶变换的平移特性，在空域中完成信息移位。
IGL(f-f0)＝F[ILg(x)exp(j2πf0x)]
ILg(x)为IGL(f)对应的空域信息。为保证恢复信号的精确性，需要准确确定平移的距离和方向。
最后，将分离后的三部分信息通过一定权重进行叠加，即可实现对待处理信号的解调。权重的确定将影响图像的光强分布，并影响恢复精度。本项目将根据全息图像特性，确定权重分布，保证三维微纳结构恢复精度。
此时，获得的图像分布仅实现了在调制光振幅调制周期方向上的频率扩展。然而，考虑微纳结构复杂的结构特性，需要保证不同横向方向都具有相同的测量分辨力。因此，还需要通过改变调制光场周期、方向，实现不同方向的信号频率调制。
在解调出原始全息图像后，再应用已有的数字全息重现算法，如傅里叶变换法、卷积法和角谱法等，进行三维结构重建。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围内。

Claims (8)

1.一种多光场调制的三维形貌测量方法，其特征在于：所述的三维形貌测量方法中待测三维物体的衍射光场与参考光场干涉形成原始全息条纹，两束调制光束干涉形成干涉条纹，原始全息条纹与调制光干涉条纹发生非相干叠加后由光电探测器采集，通过解调算法从采集得到的条纹图像中解调出原始全息条纹，再通过数字全息重建算法恢复出待测三维物体形貌，实现对三维形貌的测量；采用的调制光场将原始全息条纹的高频信息调制为能够被探测器采集的低频信息，然后通过算法解调出原始高频信息，在使用相同分辨率探测器情况下提高三维形貌测量的分辨率。
2.根据权利要求1所述的一种多光场调制的三维形貌测量方法，其特征在于：待测三维物体包括透明物体和表面反光的物体。
3.根据权利要求1所述的一种多光场调制的三维形貌测量方法，其特征在于：待测物的衍射光场是准直激光光束经待测物透射或者反射形成的。
4.根据权利要求1所述的一种多光场调制的三维形貌测量方法，其特征在于：参考光场为球面波或者平面波光场，并且与待测物的衍射光场波长相同。
5.根据权利要求1所述的一种多光场调制的三维形貌测量方法，其特征在于：两束调制光束波长相同，但不同于参考光波长。
6.根据权利要求1所述的一种多光场调制的三维形貌测量方法，其特征在于：两束调制光束干涉形成的干涉条纹的相位、周期、方向可以分别通过改变两束调制光束的光程差、相对角度以及旋转角度进行调节，以产生不同的调制光场干涉条纹。
7.根据权利要求1所述的一种多光场调制的三维形貌测量方法，其特征在于：所述的解调算法首先计算出光电探测器获取图像的频谱分布，然后通过频谱分离、移位与叠加处理就可以解调出原始全息图像。
8.根据权利要求1所述的一种多光场调制的三维形貌测量方法，其特征在于：所述的数字全息重建算法为菲涅尔变换法、卷积法和角谱法。
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