CN108562241B - 基于光纤束的数字全息柔性测量的装置与方法 - Google Patents

基于光纤束的数字全息柔性测量的装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于精密光学检测技术领域，具体为基于光纤束的数字全息柔性测量的装置与方法。本发明采用泰曼‑格林干涉光路设计小型测头，在样品处采用伽利略式望远结构扩束，提高测量的横向分辨率；采用可调谐激光器作为光源，通过波长扫描实现干涉移相；干涉信号经过光纤束传输，并由凸透镜像面转换成像到CCD相机上；在计算机中模拟光波的逆衍射过程，经过数字全息重构原始物面的三维像。本发明装置结构紧凑与灵活，可以对大尺寸工件实现全区域扫描测量，还能测量孔、洞、槽等复杂结构的内侧表面；基于数字全息重构可以克服光场衍射的影响，提高测量的分辨率，同时避免显微成像的精确对焦过程，增加实时测量的灵活性。

Description

基于光纤束的数字全息柔性测量的装置与方法
技术领域
本发明属于精密光学检测技术领域，具体涉及数字全息柔性测量的装置与方法。
背景技术
随着重大光电装备与精密仪器性能的不断提高，其中光学功能元件同时朝着大尺寸、复杂面形与高精度、高表面质量的方向发展，这不仅需要精确可靠的加工技术，也对光学元件的检测提出了更高的要求。关键元件的大尺度表面的复杂形貌，包括其中粗糙度与缺陷检测要求全区域测量，而采用传统的精密显微仪器无法实现。因此，如何在高分辨率测量的同时保证较大的测量范围，特别是对于孔、洞、槽等复杂结构或封闭结构等内部区域的测量，对现有的检测技术来说是一大挑战。白光干涉仪等干涉测量技术具有极高的纵向分辨率，但是需要精确复杂的PZT机械移动装置，对环境干扰较为敏感。光学显微成像技术景深较小，需要精确的对焦才能实现可靠测量，因此对不便于在较大范围内对复杂曲面进行扫描测量。而数字全息测量方法同时具备光学干涉与显微成像技术的优点，同时能够记录强度和相位信息，获取被测面的三维形貌，是一种高精度、非接触式的新型测量技术，在形貌和变形测量、力学测量、微电路检测等方面，能够充分发挥其特点和优势。然而，基于空间光路的数字全息显微系统体积庞大、结构固定，在测量的实际操作上缺少必要的灵活性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高精度的数字全息柔性测量的装置，用于大尺度复杂结构表面的缺陷检测，克服普通测量仪器不能灵活移动、适用范围受限的缺点。
为解决上述问题，本发明提出一种基于光纤束导光的数字全息柔性测量的装置，将光纤束应用于数字全息，使得系统更加灵活与紧凑外，还可以避免光在衍射过程中受环境背景光干扰较大的问题，提高系统的稳定性和抗干扰能力。
本发明提出的基于光纤束导光的数字全息柔性测量的装置，如图1所示，包括可调谐激光器1、耦合透镜2、光纤隔离器3、光纤准直器4、第一偏振片5、第二偏振片11、偏振分光棱镜6、第一波片7、第二波片10、反射镜8、扩束透镜9、光纤束12、放大成像透镜13和CCD成像器件14；其中，光纤准直器4、两个偏振片5和11、偏振分光棱镜6、第一波片7、第二波片10、反射镜8、扩束透镜9直接组合形成一个小型干涉探头；所述可调谐激光器1、耦合透镜2、光纤隔离器3、光纤准直器4依次光路连接，然后与小型干涉探头连接；小型干涉探头通过光纤束12连接依次连接放大成像透镜13、CCD成像器件14；CCD成像器件14外接计算机15。实现系统的高精度三维扫描测量。
本发明中，小型干涉探头安装在移动导轨上，可实现全表面的扫描测量。
本发明中，所述的扩束透镜9采用伽利略望远结构，位于第二波片10的前面，扩束透镜的倍数为3~6倍，可根据实际测量分辨率要求调整；而且伽利略望远结构中两个镜片之间的距离可调，即根据被测表面的凸凹性调整，使得入射到分光镜中的光束尽量为平行光。
本发明中，光纤束的输出图像经过放大成像透镜13进行放大，CCD成像器件14放置在放大成像透镜13后侧的实像面处。
本发明的基于光纤束导光的数字全息柔性测量的装置，工作原理如下：
由近红外波段的可调谐激光器1输出激光后，通过耦合透镜2进入单模光纤，光纤隔离器3保证其单向传输，经光纤准直器4和第一偏振片5输出为线偏振光，由偏振分光棱镜6分为参考光和物光：其中参考光为s光，经第一波片7转换为圆偏振光，由反射镜8反射后再次经过第一波片转化为p光，透过偏振分光棱镜6；物光为p光，经过扩束透镜9和第二波片10照射被测物体后同样被反射回来，再次经第二波片10转化为s光，通过偏振分光棱镜6反射，与参考光发生干涉，并通过第二偏振片11控制分光比，由光纤束12传输干涉信号，经放大成像透镜13成像于CCD成像器件14，记录为数字全息图，最后在计算机15中模拟光波的逆衍射过程重构原始物面的三维像。
本发明提出的基于光纤束导光的数字全息柔性测量的装置进行表面缺陷的测量方法，具体步骤如下：
（1）根据工件形状，以及导轨与运动机构的特点规划扫描测量路径，设定电机运动程序；
（2）在每一个待测位置，将小型干涉探头对准被测物体，调整测头姿态以及伽利略扩束透镜两个镜片之间的距离，使得背景干涉条纹尽量稀疏；可调谐激光器进行波长扫描，以实现移相干涉，采集多个全息图；
（3）对每一个位置处的干涉图像基于菲涅尔逆向衍射理论进行数字全息重构，得出被测表面的强度(反射率)与相位(形貌)图像；
（4）移动小型干涉探头，在移动过程中，采集不同位置的反射率与形貌图像，进行超分辨数据融合，进一步提高局部缺陷与微小特征的识别能力。
本发明有益效果：
本发明的一种基于光纤束的表面缺陷全区域扫描柔性测量装置，结合了数字全息快速、高精度的测量优势和光纤柔韧灵活、抗干扰的特点，不仅使得系统更加紧凑与灵活、抗干扰能力强，而且扩大了系统的应用范围，可适用于大尺寸元件的扫描测量和孔、洞、槽等复杂结构内表面的检测，同时，可自由调节的分光比，保证系统能够适用于不同反射率的表面。此外，光纤束的应用使得系统可以直接传输物体的像，实现动态观察，具有测量精度高、适用范围广、响应速度快的特点。
附图说明
图1为本发明中的实施例系统装置结构示意图。
图2为实施例中在10x共焦显微镜下测到的物体形貌。
图3为实施例中采用本系统装置记录得到的数字全息图。
图4为实施例中采用本系统装置重构得到的再现像。
图5为实施例中采用本系统装置对分辨率板进行测量得到的重构强度图。
其中，1-可调谐激光器、2-耦合透镜、3-光纤隔离器、4-光纤准直器、5-第一偏振片、6-偏振分光棱镜、7-第一波片、8-反射镜、9-伽利略扩束透镜、10-第二波片、11-第二偏振片、12-光纤束、13-放大成像透镜、14-CCD成像器件、15-计算机。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。
如图1所示是实施例系统结构示意图，本系统由可调谐激光器1、耦合透镜2、光纤隔离器3、光纤准直器4、偏振片5和11、偏振分光棱镜6、第一波片7、第二波片10、反射镜8、伽利略扩束透镜9、光纤束12、放大成像透镜13、CCD成像器件14和计算机15组成。具体实施过程中，可调谐激光器1作为光源首先输出激光，由一根单模光纤输出，通过光纤接头直接和光纤隔离器3、光纤准直器4连接在一起，变为单向传输的准直光束；然后将光纤准直器4、两个偏振片5和11、偏振分光棱镜6、第一波片7、第二波片10、反射镜8、伽利略扩束透镜9固定在一个小型探头中，干涉光输入光纤束12。在干涉探头中，第一波片7、第二偏振片11 分别位于偏振分光棱镜6的左右两侧；反射镜8位于第一波片7的外侧；伽利略扩束透镜9、第一偏振片5分别位于偏振分光棱镜6的上下两侧，第二波片10 位于伽利略扩束透镜9上方，光纤准直器4位于第一偏振片5的下方。第一偏振片5的通光方向与分光棱镜6的p光方向夹角45°，使得射入分光棱镜6的p光与s光能量之比为1:1，旋转第一波片7和第二波片10，使其快轴方向与分光棱镜6的p光方向成45°夹角，于是分光棱镜6反射的s光经过第一波片7变为圆偏光，经过参考镜8反射后再次通过第一波片7变为p光，透过分光棱镜6到达第二偏振片11；而从光源方向透过分光棱镜6的p光经过一个伽利略望远结构进行扩束，再经过第二波片10变为圆偏光，经过被测表面反射后再次通过第二波片10变为s光，经过分光棱镜6反射后也入射到第二偏振片11。透过的线偏光为干涉光束，输入光纤束12传输图像，经放大成像透镜13成像于CCD成像器件14，使图像充满CCD接收屏，第二偏振片11调节参考光和物光的分光比，通过CCD显示的图像可判断两者强度大致相等，继而记录得到比较清晰的全息干涉图。
改变光源波长，分别在780nm，785nm，790nm的条件下采集干涉条纹，利用移相干涉法计算CCD处的复振幅，然后利用衍射重构得到物面处的复振幅，根据几何成像关系得到被测面的形貌以及反射率信息。为了保持测量分辨率与抗干扰能力之间的平衡，一般推荐伽利略扩束系统放大率为3~6倍（实施例中为5倍），物面经过扩束透镜成像，其成像面距光纤束入射端的距离为衍射距离，保持在10~30mm，然后通过光纤束传输，其出射端的图像经过最后的凸透镜在CCD感光面成放大像，成像放大率保持为2~4倍（实施例中为2倍）。
将干涉测头装在移动导轨上，保持测头沿被测曲面法向，由导轨带动对被测工件进行全表面扫描，于是便可以得到全表面的局部缺陷信息。
图2是实施例中的被测样品在10x共焦显微镜下测得的结果，图3为同样在10x放大情况下的本发明装置对样品测量得到的数字全息图，图4为在计算机中对数字全息进行重构得到的相位图；图5为系统对分辨率板测量得到的重构强度图，可以看到，在10x放大情况下，其横向分辨率可以达到5μm左右。

Claims (2)

1.一种基于光纤束的数字全息柔性测量的装置，其特征在于，包括可调谐激光器（1）、耦合透镜（2）、光纤隔离器（3）、光纤准直器（4）、第一偏振片（5）、第二偏振片（11）、偏振分光棱镜（6）、第一波片（7）、第二波片（10）、反射镜（8）、伽利略扩束透镜（9）、光纤束（12）、放大成像透镜（13）和CCD成像器件（14）；其中，光纤准直器（4）、第一偏振片（5）、第二偏振片（11）、偏振分光棱镜（6）、第一波片（7）、第二波片（10）、反射镜（8）、伽利略扩束透镜（9）直接组合形成一个小型干涉探头；所述可调谐激光器（1）、耦合透镜（2）、光纤隔离器（3）、光纤准直器（4）依次光路连接，然后与小型干涉探头连接；干涉探头通过光纤束（12）连接依次连接放大成像透镜（13）、CCD成像器件（14）；CCD成像器件（14）外接计算机（15）；实现系统的高精度三维扫描测量；其中：
所述的小型干涉探头安装在移动导轨上，以实现全表面的扫描测量；
所述的扩束透镜（9）采用伽利略望远结构，位于第二波片（10）的前面，扩束透镜的倍数为3~6倍，可根据实际测量分辨率要求调整；伽利略望远结构中两个镜片之间的距离可调，即根据被测表面的凸凹性调整，使得入射到分光镜中的光束尽量为平行光；
调整偏振分光棱镜（6）的角度，使参考光和物光共轴；旋转第一波片（7）和第二波片（10），使其光轴方向与水平方向成45°夹角，将通过其的线偏光转化为圆偏光；旋转第二偏振片（11）调节参考光和物光的分光比，使其强度大致相等；
装置的工作原理如下：由近红外波段的可调谐激光器（1）输出激光后，通过耦合透镜（2）进入单模光纤，光纤隔离器（3）保证其单向传输，经光纤准直器（4）和第一偏振片（5）输出为线偏振光，由偏振分光棱镜（6）分为参考光和物光：其中参考光为s光，经第一波片（7）转换为圆偏振光，由反射镜（8）反射后再次经过第一波片转化为p光，透过偏振分光棱镜（6）；物光为p光，经过扩束透镜（9）和第二波片（10）照射被测物体后同样被反射回来，再次经第二波片（10）转化为s光，通过偏振分光棱镜（6）反射，与参考光发生干涉，并通过第二偏振片（11）控制分光比，由光纤束（12）传输干涉信号，经放大成像透镜（13）成像于CCD成像器件（14），记录为数字全息图，最后在计算机（15）中模拟光波的逆衍射过程重构原始物面的三维像。
2.基于权利要求1中所述装置的表面缺陷测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）根据工件形状，以及导轨与运动机构的特点规划扫描测量路径，设定电机运动程序；
（2）在每一个待测位置，将干涉探头对准被测物体，调整测头姿态以及伽利略扩束透镜两个镜片之间的距离，使得背景干涉条纹尽量稀疏；可调谐激光器进行波长扫描，以实现移相干涉，采集多个全息图；
（3）对每一个位置处的干涉图像基于菲涅尔逆向衍射理论进行数字全息重构，得出被测表面的强度与相位图像；
（4）移动干涉探头，在移动过程中，采集不同位置的反射率与形貌图像，进行超分辨数据融合，进一步提高局部缺陷与微小特征的识别能力。
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