CN111750799A - 基于干涉照明的光谱偏振形貌五维信息测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于干涉照明的光谱偏振形貌五维信息测量装置及方法，该装置包括宽光谱光源组件、横向剪切干涉组件、投影物镜组件、成像采集组件和信息处理组件。该方法包括：宽光谱光源组件发射光束至横向剪切干涉组件；横向剪切干涉组件对光束进行处理形成白光干涉条纹；投影物镜组件将白光干涉条纹投影至待测件表面；成像采集组件将接收到的经待测件表面调制后的白光干涉条纹传输至信息处理组件，经解算获得待测件的光谱偏振形貌五维信息。本发明利用干涉照明对待测件表面的五维信息进行调制，只需单次测量即可同时获得待测件的光谱偏振形貌信息。相对传统的测量方法，本发明成像时只需一个物镜，系统调制传递函数更好，成像空间分辨率更高。

Description

基于干涉照明的光谱偏振形貌五维信息测量装置及方法

技术领域

本发明属于光学测量领域，特别是一种基于干涉照明的光谱偏振形貌五维信息测量装置及方法。

背景技术

在目标的成像分析过程中，光谱、偏振、形貌是目标特征分析的重要物理参量。光谱信息反映了目标的物质“指纹”效应，利用光谱信息可以对探测目标进行属性识别和信息量化提取。偏振信息反映了目标的材料理化特性、各向异性，利用偏振信息使得物质的分析和识别更加精确。形貌信息反映了目标的外在纹理、结构等表面几何状态，是目标识别和分析的基础信息源。光谱、偏振、形貌是目标分析的三种重要依据，三者合一的多模态成像技术能够将信息量从低维空间扩展至五维空间，有效增加目标感知和全面分析的手段，将是光学成像技术发展过程中的一项重要创新。

近年来，光谱成像、偏振成像、立体形貌测量技术出现了交叉融合的发展趋势，推动着光学成像技术向多维度、多信息融合的方向发展，极大地提升了光学成像技术的感知识别能力。光谱偏振形貌测量技术具有高光谱分辨率、高空间分辨率和高形貌分辨率等优点，在生物医学、食品安全、地质勘测、司法鉴定和文物鉴定等领域具有很大的应用潜力。目前实现光谱偏振形貌测量较为可行的方案是采用高光谱成像仪、偏振成像仪及三维形貌测量仪三种独立分体式的光学系统对同一目标进行成像，但该类系统结构和操作复杂，成像过程难以同步进行，成像精度容易受环境因素影响，而且三类图像信息之间的配准处理复杂，难以实现高精度成像测量，实用化程度有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能同步测量光谱偏振形貌信息的五维信息测量装置及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于干涉照明的光谱偏振形貌五维信息测量装置，包括依次配置的：

用于发射光束的宽光谱光源组件；

用于对光束进行处理形成白光干涉条纹的横向剪切干涉组件；

用于将白光干涉条纹投影至待测件表面进行干涉照明的投影物镜组件；

用于接收经待测件表面的光谱偏振形貌信息调制后的白光干涉条纹的成像采集组件；

用于求取待测件的光谱偏振形貌五维信息的信息处理组件；所述光谱偏振形貌五维信息包括偏振光谱信息和三维形貌信息。

基于上述基于干涉照明的光谱偏振形貌五维信息测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤1、宽光谱光源组件发射光束至横向剪切干涉组件；

步骤2、横向剪切干涉组件对光束进行处理形成白光干涉条纹；

步骤3、投影物镜组件将白光干涉条纹投影至待测件表面；

步骤4、成像采集组件将接收到的经待测件表面的光谱偏振形貌信息调制后的白光干涉条纹传输至信息处理组件，经解算获得待测件的光谱偏振形貌五维信息。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)测量装置为光谱偏振形貌一体化测量装置，只需要单次测量即可同步获取目标各点的光谱信息、偏振分量和表面三维形貌信息；2)相比于传统的干涉光谱仪，本发明的测量装置首次采用干涉照明的方式实现光谱调制，由宽光谱光源直接照射Sagnac干涉剪切器，生成白光条纹，再经过投影物镜组件将白光干涉条纹投影到待测件表面进行光谱形貌测量；3)测量装置中的探测器前只有一个成像物镜，相比于一般干涉光谱仪，系统像差更小，调制传递函数更好，因而系统成像空间分辨率更高；4)相比于传统的条纹投影三维测量系统，采用白光条纹代替单色条纹，与白光干涉仪类似，能够测量表面形貌起伏较大的待测件，没有相位测量轮廓术只能测量表面连续物体的局限性，适用范围更广。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明基于干涉照明的光谱偏振形貌五维信息测量装置的结构框图。

图2是本发明基于干涉照明的光谱偏振形貌五维信息测量装置的光路示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明一种基于干涉照明的光谱偏振形貌五维信息测量装置，包括依次配置的：

用于发射光束的宽光谱光源组件1；

用于对光束进行处理形成白光干涉条纹的横向剪切干涉组件2；

用于将白光干涉条纹投影至待测件表面进行干涉照明的投影物镜组件3；

用于接收经待测件表面的光谱偏振形貌信息调制后的白光干涉条纹的成像采集组件4；

用于求取待测件的光谱偏振形貌五维信息的信息处理组件5；所述光谱偏振形貌五维信息包括偏振光谱信息和三维形貌信息。

结合图2，进一步地，宽光谱光源组件1包括沿光轴依次设置的宽光谱光源11、光阑12、准直物镜13、散射器14；

横向剪切干涉组件2为Sagnac干涉剪切器，包括分光棱镜21、完全相同的第一反射镜22和第二反射镜23；其中分光棱镜21位于宽光谱光源组件1的光轴上；

入射至分光棱镜21的光分为透射光和反射光，透射光入射至第一反射镜22，由第一反射镜22反射至第二反射镜23，经第二反射镜23反射至分光棱镜21，再经分光棱镜21透射出射；反射光反射至第二反射镜23，经第二反射镜23反射至第一反射镜22，经第一反射镜22反射至分光棱镜21，再经分光棱镜21反射出射。

进一步地，投影物镜组件3包括依次设置的成像物镜31、光阑32和投影物镜33；其中成像物镜31与横向剪切干涉组件2的出射光同轴。

进一步地，成像采集组件4包括同轴依次设置的成像物镜41和面阵探测器42。

基于上述测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤1、宽光谱光源组件1发射光束至横向剪切干涉组件2；

步骤2、横向剪切干涉组件2对光束进行处理形成白光干涉条纹；

步骤3、投影物镜组件3将白光干涉条纹投影至待测件表面；

步骤4、成像采集组件4将接收到的经待测件表面的光谱偏振形貌信息调制后的白光干涉条纹传输至信息处理组件5，经解算获得待测件的光谱偏振形貌五维信息。

进一步地，步骤1具体为：宽光谱光源11发射光束，依次经光阑12、准直物镜13、散射器14，变为扩散的面光源出射并入射至分光棱镜21。

进一步地，步骤2具体为：分光棱镜21将扩散的面光源光束分为透射光束和反射光束，其中透射光束入射至第一反射镜22，由第一反射镜22反射至第二反射镜23，经第二反射镜23反射至分光棱镜21再透射出射；反射光束反射至第二反射镜23，由第二反射镜23反射至第一反射镜22，经第一反射镜22反射至分光棱镜21再反射出射；透射光束和反射光束在出射位置发生干涉。

进一步地，步骤3具体为：成像物镜31对干涉光束进行会聚并成像于光阑32处，光阑32对干涉光束进行限制形成白光干涉条纹，再由投影物镜33将宽光谱干涉条纹投影至待测件表面。

进一步地，步骤4具体为：

步骤4-1、驱动放置横向剪切干涉组件2的旋转台旋转，以实现白光干涉条纹在待测件表面扫描，在此过程中，由成像物镜41将经待测件表面光谱偏振形貌信息调制的宽光谱干涉条纹成像在面阵探测器42上，获得干涉图像序列；

步骤4-2、对面阵探测器42上的干涉图像进行数据提取和处理，经解算获得待测件的光谱偏振形貌五维信息。

进一步优选地，步骤4-2所述解算获得待测件的光谱偏振形貌五维信息，具体为：

待测件表面的白光干涉条纹信号为：

I(x,y,p,Δ)＝∫B(x,y,p,σ)(1+cos(2πσΔ+2πσz(x,y)))dσ

式中，I(x,y,p,Δ)为探测器采集到的干涉光强，x和y分别为待测点在探测器靶面的横向和纵向位置，p为线偏振方向，Δ为该点由于干涉产生的光程差，z(x,y)为由待测件表面高度调制带来的等效光程差，B(x,y,p,σ)为偏振光谱强度，σ为波数；

(1)获取待测件的偏振光谱强度B(x,y,p,σ)，所用公式为：

B(x,y,p,σ)＝Re(F(x,y,p,σ)exp(-jtan^-1(F(x,y,p,σ))))

式中，F(x,y,p,σ)为干涉光强I(x,y,p,Δ)的傅里叶变换，Δ_z(x,y)为待测点的白光干涉信号强度主极大值对应的光程位置，L为执行傅里叶变换的采样长度；

(2)获取待测件的三维形貌信息H(x,y)，所用公式为：

H(x,y)＝f(z(x,y))

式中，σ_c为待测件有效光谱范围内的某一波数，由用户自定义选取；f(z(x,y))为z(x,y)与H(x,y)的映射函数；

f(z(x,y))为高阶幂次多项式形式：

式中，n表示多项式求和中的迭代数值，a_n为第n阶多项式的系数，m为多项式的最高幂次。

本发明利用干涉照明对待测件表面的五维信息进行调制，只需单次测量即可同时获得待测目标的光谱偏振形貌信息。此外相对于传统的结合光谱测量系统、偏振测量系统和立体形貌测量系统进行测量的方法，本发明成像时只需一个物镜，系统调制传递函数更好，成像空间分辨率更高。

Claims (10)

1.一种基于干涉照明的光谱偏振形貌五维信息测量装置，其特征在于，包括依次配置的：

用于发射光束的宽光谱光源组件(1)；

用于对光束进行处理形成白光干涉条纹的横向剪切干涉组件(2)；

用于将白光干涉条纹投影至待测件表面进行干涉照明的投影物镜组件(3)；

用于接收经待测件表面的光谱偏振形貌信息调制后的白光干涉条纹的成像采集组件(4)；

用于求取待测件的光谱偏振形貌五维信息的信息处理组件(5)；所述光谱偏振形貌五维信息包括偏振光谱信息和三维形貌信息。

2.根据权利要求1所述的基于干涉照明的光谱偏振形貌五维信息测量装置，其特征在于，所述宽光谱光源组件(1)包括沿光轴依次设置的宽光谱光源(11)、光阑(12)、准直物镜(13)、散射器(14)；

所述横向剪切干涉组件(2)为Sagnac干涉剪切器，包括分光棱镜(21)、完全相同的第一反射镜(22)和第二反射镜(23)；其中分光棱镜(21)位于宽光谱光源组件(1)的光轴上；

入射至分光棱镜(21)的光分为透射光和反射光，透射光入射至第一反射镜(22)，由第一反射镜(22)反射至第二反射镜(23)，经第二反射镜(23)反射至分光棱镜(21)，再经分光棱镜(21)透射出射；反射光反射至第二反射镜(23)，经第二反射镜(23)反射至第一反射镜(22)，经第一反射镜(22)反射至分光棱镜(21)，再经分光棱镜(21)反射出射。

3.根据权利要求2所述的基于干涉照明的光谱偏振形貌五维信息测量装置，其特征在于，所述投影物镜组件(3)包括依次设置的成像物镜(31)、光阑(32)和投影物镜(33)；其中成像物镜(31)与横向剪切干涉组件(2)的出射光同轴。

4.根据权利要求3所述的基于干涉照明的光谱偏振形貌五维信息测量装置，其特征在于，所述成像采集组件(4)包括同轴依次设置的成像物镜(41)和面阵探测器(42)。

5.基于权利要求1所述的基于干涉照明的光谱偏振形貌五维信息测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、宽光谱光源组件(1)发射光束至横向剪切干涉组件(2)；

步骤2、横向剪切干涉组件(2)对光束进行处理形成白光干涉条纹；

步骤3、投影物镜组件(3)将白光干涉条纹投影至待测件表面；

步骤4、成像采集组件(4)将接收到的经待测件表面的光谱偏振形貌信息调制后的白光干涉条纹传输至信息处理组件(5)，经解算获得待测件的光谱偏振形貌五维信息。

6.根据权利要求5所述的基于干涉照明的光谱偏振形貌五维信息测量方法，其特征在于，步骤1具体为：宽光谱光源(11)发射光束，依次经光阑(12)、准直物镜(13)、散射器(14)，变为扩散的面光源出射并入射至分光棱镜(21)。

7.根据权利要求6所述的基于干涉照明的光谱偏振形貌五维信息测量方法，其特征在于，步骤2具体为：分光棱镜(21)将扩散的面光源光束分为透射光束和反射光束，其中透射光束入射至第一反射镜(22)，由第一反射镜(22)反射至第二反射镜(23)，经第二反射镜(23)反射至分光棱镜(21)再透射出射；反射光束反射至第二反射镜(23)，由第二反射镜(23)反射至第一反射镜(22)，经第一反射镜(22)反射至分光棱镜(21)再反射出射；透射光束和反射光束在出射位置发生干涉。

8.根据权利要求7所述的基于干涉照明的光谱偏振形貌五维信息测量方法，其特征在于，步骤3具体为：成像物镜(31)对干涉光束进行会聚并成像于光阑(32)处，光阑(32)对干涉光束进行限制形成白光干涉条纹，再由投影物镜(33)将宽光谱干涉条纹投影至待测件表面。

9.根据权利要求8所述的基于干涉照明的光谱偏振形貌五维信息测量方法，其特征在于，步骤4具体为：

步骤4-1、驱动放置横向剪切干涉组件(2)的旋转台旋转，以实现白光干涉条纹在待测件表面扫描，在此过程中，由成像物镜(41)将经待测件表面光谱偏振形貌信息调制的宽光谱干涉条纹成像在面阵探测器(42)上，获得干涉图像序列；

步骤4-2、对面阵探测器(42)上的干涉图像进行数据提取和处理，经解算获得待测件的光谱偏振形貌五维信息。

10.根据权利要求9所述的基于干涉照明的光谱偏振形貌五维信息测量方法，其特征在于，步骤4-2所述解算获得待测件的光谱偏振形貌五维信息，具体为：

待测件表面的白光干涉条纹信号为：

I(x,y,p,Δ)＝∫B(x,y,p,σ)(1+cos(2πσΔ+2πσz(x,y)))dσ

式中，I(x,y,p,Δ)为探测器采集到的干涉光强，x和y分别为待测点在探测器靶面的横向和纵向位置，p为线偏振方向，Δ为该点由于干涉产生的光程差，z(x,y)为由待测件表面高度调制带来的等效光程差，B(x,y,p,σ)为偏振光谱强度，σ为波数；

(1)获取待测件的偏振光谱强度B(x,y,p,σ)，所用公式为：

B(x,y,p,σ)＝Re(F(x,y,p,σ)exp(-jtan^-1(F(x,y,p,σ))))

式中，F(x,y,p,σ)为干涉光强I(x,y,p,Δ)的傅里叶变换，Δ_z(x,y)为待测点的白光干涉信号强度主极大值对应的光程位置，L为执行傅里叶变换的采样长度；

(2)获取待测件的三维形貌信息H(x,y)，所用公式为：

H(x,y)＝f(z(x,y))

式中，σ_c为待测件有效光谱范围内的某一波数，由用户自定义选取；f(z(x,y))为z(x,y)与H(x,y)的映射函数；

f(z(x,y))为高阶幂次多项式形式：

式中，n表示多项式求和中的迭代数值，a_n为第n阶多项式的系数，m为多项式的最高幂次。

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