CN111156926A - 一种四维高光谱探测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四维高光谱探测系统，包括光片探测模块、成像光谱仪模块和扫描移动模块；所述的光片探测模块用于产生光片并捕获被待测样品表面调制的线光，所述的成像光谱仪模块用于获取相同区域的高光谱图像；所述的扫描移动模块用于实现对整个待测样品的扫描探测。应用激光三角法分析光片探测模块的光路结构，建立轴向高度计算模型及横向长宽计算模型，从而可以标定待测样品的空间三轴尺度。同时对成像光谱仪进行波长标定，最后将高光谱图像中的空间二维信息与三维形貌相对应，使得三维形貌上的每一点都包含高光谱信息。本发明具备较高的空间分辨率和光谱分辨率，可用于工业样品表面缺陷检测、结构观察、成分分析及物质鉴别等应用中。

Description

一种四维高光谱探测系统
技术领域
本发明涉及一种四维（空间维+光谱维）探测系统。
背景技术
在线光源照明模式下，光片探测可用于非透明样品表面形貌线扫描三维成像，成像光谱仪可以获取待测样品的高光谱图像立方。但光片探测只能定性还原三维形貌图而不能定量分析各空间轴的尺度信息，高光谱图像中包含的空间信息也是二维平面图像而缺乏高度信息。目前还没有相关的设备系统，能同时测量样品表面形貌和光谱并定量分析。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种四维高光谱探测系统。
一种四维高光谱探测系统，包括光片探测模块、成像光谱仪模块和扫描移动模块；
所述的光片探测模块用于产生光片并捕获被待测样品表面调制的线光，所述的成像光谱仪模块用于获取相同区域的高光谱图像；所述的扫描移动模块用于实现对待测样品的扫描探测；
应用激光三角法分析光片探测模块的光路结构，建立轴向高度计算模型及横向长宽计算模型，从而标定待测样品的空间三轴尺度，同时对成像光谱仪进行波长标定，最后将高光谱图像中的空间二维信息与三维形貌相对应，使得三维形貌上的每一点都包含高光谱信息。
所述的光片探测模块包括：沿着光路传播与探测的宽带光源、准直器、柱面透镜、第一偏振片、第二偏振片、成像镜头、第一管透镜、CMOS相机；
所述的宽带光源发出激光斜45°入射到准直器上，经过准直器扩束后再入射到柱面透镜上，柱面透镜将准直光斑压缩为光片，经过第一偏振片后以线光的形式照射到待测样品上；
线光被待测样品表面调制后，被垂直于入射光方向且同样斜45°放置的探测光路采集，弹性散射光首先通过第二偏振片，滤除部分杂散光，随后被成像镜头收集，经过第一管透镜最终聚焦在CMOS相机上。
所述的激光三角法分析：当入射光照射到待测样品表面时，因表面高度不同，CMOS相机捕获的弹性散射光也会在像面上发生像素偏移，由此依据激光三角法建立计算模型：其中激光入射角为α，散射角为β，散射光与CMOS相机的夹角为θ，物点到成像透镜的距离为l，像点到成像透镜的距离为d，实际表面相对参考表面的高度为z，像点在CMOS像面上的像素偏移为x，高度计算式如下：
Figure 244041DEST_PATH_IMAGE002
选取光源45°斜入射，同时垂直于入射方向采集散射光，CMOS相机与成像透镜平行的光路结构，即α=β=45°，θ=90°，上述的高度计算式简化为：
Figure 492620DEST_PATH_IMAGE004
即高度与像素偏移成线性关系，由此根据像素的偏移来标定系统轴向高度分辨率并计算高度值。
所述的光片探测模块获取待测样品表面的横向分辨率取决于成像镜头的特性，其中线光方向的分辨率通过拍摄测微尺来进行标定，扫描方向的分辨率取决于扫描移动模块的移动精度。
所述的样品表面的弹性散射光，同时被竖直方向的成像镜头捕获，入射到成像透镜，狭缝用于选择对应狭缝宽度范围成像，准直透镜将散射光信号准直，入射到棱镜光栅组上，分光后再经第二管透镜会聚到CMOS像面上，CMOS像面收集到待测样品表面二维像信息以及高光谱信息，实现高光谱成像。
本发明的有益效果：
本发明首先基于激光三角法，建立待测样品表面形貌轴向高度计算式，同时给出横向长宽的定量计算方法，实现了样品三维形貌的定量分析。并把光片探测模块和成像光谱仪模块集成至一套系统，将高光谱图像中二维平面图中各像素点与三维形貌上各点相对应，保证了空间三维图上每点均具备高光谱信息，实现了四维探测。系统具备较高的空间分辨率和光谱分辨率，可用于工业样品表面缺陷检测、结构观察、成分分析及物质鉴别等应用中。
附图说明
图1是本发明一种四维探测系统的示意图；
其中1是宽带光源，2是准直器，3是柱面透镜，4是第一偏振片，5是第二偏振片，6是成像镜头，7是第一管透镜，8是CMOS相机，9是成像镜头，10是成像透镜，11是狭缝，12是准直透镜，13是棱镜光栅组，14是第二管透镜，15是CMOS相机，16是待测样品。
图2是激光三角法原理图；
其中激光入射角为α，散射角为β，散射光与CMOS相机的夹角为θ，物点到成像透镜的距离为l，像点到成像透镜的距离为d，实际表面相对参考表面的高度为z，像点在CMOS像面上的像素偏移为x；A和A’是参考表面的物点和像点，B和B’是实际表面的物点和像点，O是成像透镜的中心。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步阐述。
如图1所示，宽带光源1发出宽带光，经过准直器2后成为准直光斑，通过焦距25mm的柱面透镜3压缩成为光片，在左侧以45°倾斜入射到待测样品16表面。光片被样品调制后，被右侧45°倾斜的4倍显微物镜6采集，经焦距50mm的第一管透镜7会聚，成像于CMOS相机8上。其中两片第一偏振片4和5用于起偏和检偏，在一定程度上降低激光散斑，提高成像信噪比。
另一方面，被照亮的样品16表面的弹性散射光同时被竖直方向的4倍显微物镜9收集，经过焦距50mm的成像透镜10，会聚到宽度50μm的狭缝11上，用于选择对应狭缝宽度的区域范围成像。随后经过焦距50mm的双胶合准直透镜12准直，入射到棱镜光栅组13中实现分光。棱镜光栅组13由两个楔角为9.72°的楔形棱镜和一个300刻线、闪耀角17.5°的闪耀光栅组成。分光后不同波长的光再经焦距50mm的第二管透镜14会聚到CMOS相机15上。
扫描移动模块控制样品的均匀移动，实现光片对样品全表面的扫描覆盖。光片探测模块和成像光谱仪模块分别获得包含完整样品信息的一系列线轮廓图像和高光谱图像。线轮廓图像经过拼接后得到样品表面形貌图，并可以计算出空间各轴尺度。高光谱图像拼接后的二维平面图用于和三维形貌各点相对应，赋予三维图上各点高光谱信息。从而实现“空间维+光谱维”的四维探测。
如图2所示，光源发出的光以入射角α斜射到待测样品的参考表面（水平面）A点，弹性散射光被成像透镜捕获以散射角β成像于CMOS相机上的A’点。当入射光照射到待测样品的实际表面（凹槽或突起，图中为凹槽面）B点，弹性散射光同样成像于CMOS相机上的B’点。根据几何关系可得三角形OCB与OC’B’相似，即存在关系：
Figure 356671DEST_PATH_IMAGE006
对应于图中具体参数则有：
Figure 889152DEST_PATH_IMAGE008
又因为：
Figure 180456DEST_PATH_IMAGE010
结合高斯成像公式：
Figure 916331DEST_PATH_IMAGE012
最终推导出样品表面起伏相对于标准平面的偏移量z遵循如下计算式：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
其中“-”表示实际表面为凹槽，“+”表示实际表面为突起。
在本发明的实施案例中，两路成像镜头方便更换。在保证机械结构不冲突的条件下（两镜头不碰撞），长工作距、高倍率成像镜头能有效提高系统成像分辨率，大大增加本发明的广泛应用性。
作为实施案例的扩展，更换柱透镜，产生覆盖范围更广的光片，同时将两条支路的成像镜头替换为大视场成像镜头，并扩大位移平台的移动范围，可以实现宏观大尺度样品的四维探测。
上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。

Claims (5)

1.一种四维高光谱探测系统，其特征在于：包括光片探测模块、成像光谱仪模块和扫描移动模块；所述的光片探测模块用于产生光片并捕获被待测样品表面调制的线光，所述的成像光谱仪模块用于获取相同区域的高光谱图像；所述的扫描移动模块用于实现对待测样品的扫描探测；
应用激光三角法分析光片探测模块的光路结构，建立轴向高度计算模型及横向长宽计算模型，从而标定待测样品的空间三轴尺度，同时对成像光谱仪进行波长标定，最后将高光谱图像中的空间二维信息与三维形貌相对应，使得三维形貌上的每一点都包含高光谱信息。
2.根据权利要求1所述的一种四维高光谱探测系统，其特征在于：所述的光片探测模块包括：沿着光路传播与探测的宽带光源（1）、准直器（2）、柱面透镜（3）、第一偏振片（4）、第二偏振片（5）、成像镜头（6）、第一管透镜（7）、CMOS相机（8）；所述的宽带光源（1）发出激光斜45°入射到准直器（2）上，经过准直器（2）扩束后再入射到柱面透镜（3）上，柱面透镜（3）将准直光斑压缩为光片，经过第一偏振片（4）后以线光的形式照射到待测样品（16）上；线光被待测样品（16）表面调制后，被垂直于入射光方向且同样斜45°放置的探测光路采集，弹性散射光首先通过第二偏振片（5），滤除部分杂散光，随后被成像镜头（6）收集，经过第一管透镜（7）最终聚焦在CMOS相机（8）上。
3.根据权利要求1所述的一种四维高光谱探测系统，其特征在于：所述的激光三角法分析：当入射光照射到待测样品表面时，因表面高度不同，CMOS相机捕获的弹性散射光也会在像面上发生像素偏移，由此依据激光三角法建立计算模型：其中激光入射角为α，散射角为β，散射光与CMOS相机的夹角为θ，物点到成像透镜的距离为l，像点到成像透镜的距离为d，实际表面相对参考表面的高度为z，像点在CMOS像面上的像素偏移为x，高度计算式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
选取光源45°斜入射，同时垂直于入射方向采集散射光，CMOS相机与成像透镜平行的光路结构，即α=β=45°，θ=90°，上述的高度计算式简化为：
Figure 290997DEST_PATH_IMAGE002
即高度与像素偏移成线性关系，由此根据像素的偏移来标定系统轴向高度分辨率并计算高度值。
4.根据权利要求1所述的一种四维高光谱探测系统，其特征在于：所述的光片探测模块获取待测样品表面的横向分辨率取决于成像镜头的特性，其中线光方向的分辨率通过拍摄测微尺来进行标定，扫描方向的分辨率取决于扫描移动模块的移动精度。
5.根据权利要求1所述的一种四维高光谱探测系统，其特征在于：所述的样品表面的弹性散射光，同时被竖直方向的成像镜头（9）捕获，入射到成像透镜（10），狭缝（11）用于选择对应狭缝宽度范围成像，准直透镜（12）将散射光信号准直，入射到棱镜光栅组（13）上，分光后再经第二管透镜（14）会聚到CMOS像面（15）上，CMOS像面收集到待测样品表面二维像信息以及高光谱信息，实现高光谱成像。
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