CN113418470B - 光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统及测量方法，其克服了现有技术中存在的针对待测物体的上、下表面及内部分层的微观结构，无法实现三维结构的快速测量，实现透明物体各分层界面微观形貌的高精度、非接触、同步三维形貌测量。本发明包括测量系统本体，测量系统本体包括依次设置的多光谱光源、显微物镜、透镜、分光镜一、聚焦色散透镜和待测物体，分光镜一后方设置有分光镜二，分光镜二前方依次设置有消色差显微物镜和光纤光谱仪，分光镜二后方设置有平面平晶，平面平晶前方依次设置有会聚透镜和滤波器，滤波器设置在平面平晶前表面反射光的会聚焦点处，滤波器前方设置有图像传感器，光纤光谱仪和图像传感器分别与计算机连接。

Description

光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统及测量方法

技术领域：

本发明属于精密测量技术领域，涉及一种光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统及测量方法。

背景技术：

数字全息测量技术通过记录物光的振幅和相位达到快速恢复待测物体三维形貌的目的，具有非接触、全场、高分辨率、快速重构等优势，能为微光学元件、微机电系统、生物医学等领域的研究提供更为有效的技术工具。专利文献1(专利号CN 111796501 A)所记载的，利用紧邻的两平面平晶，实现参考光和测试光间的相位差变化，实现被测目标的相移数字全息显微成像和测量。专利文献2(专利号CN111829453A)所记载的，利用平面平晶前后表面间形成的干涉腔长结合波长调谐激光器，实现被测物体的无机械移动共光路相移数字全息显微成像和测量。但是，目前的数字全息技术仅适用于待测物体表面反射或透射形成的相位变化测量，不适用于以重构待测物体的三维结构，针对待测物体的上、下表面及内部分层的微观结构，无法实现三维结构的快速测量。

光谱共焦扫描技术利用精密针孔滤波技术，只探测处于焦平面位置上的信息，最大限度地抑制了非聚焦平面的杂散光，具有很高的成像分辨率和信噪比；并能沿轴线方向进行无损光学断层扫描，进而确定待测物体各层的位置信息。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统及测量方法，其克服了现有技术中存在的仅适用于待测物体表面反射或透射形成的相位变化测量，无法实现三维结构的快速测量的问题，实现透明物体各分层界面微观形貌的高精度、非接触、同步三维形貌测量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统，其特征在于：包括测量系统本体，测量系统本体包括依次设置的多光谱光源、显微物镜、透镜、分光镜一、聚焦色散透镜和待测物体，分光镜一后方设置有分光镜二，分光镜二前方依次设置有消色差显微物镜和光纤光谱仪，分光镜二后方设置有平面平晶，平面平晶前方依次设置有会聚透镜和滤波器，滤波器设置在平面平晶前表面反射光的会聚焦点处，滤波器前方设置有图像传感器，光纤光谱仪和图像传感器分别与计算机连接。

聚焦色散透镜的聚焦范围为最小波长的光λ_min和最大波长的光λ_max的聚焦点之间距离。

平面平晶的前、后表面具有同等光学表面质量，且平面平晶的后表面镀制高反射率薄膜。

滤波器设置有滤波窗口一和滤波窗口二，滤波窗口一为直径50μm的针孔，滤波窗口二为直径5mm的圆孔。

一种光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：多光谱光源通过显微物镜和透镜的光束整形后，形成工作用平行光；该平行光经聚焦色散透镜后产生色散，使得不同波长的光线在光轴上的不同位置聚焦，当待测物体置于聚焦范围内时，只有聚焦在待测物体分层界面的光线能够返回至聚焦色散透镜；此时待测物体存在有几个分层界面，则有几个波长的光线返回至聚焦色散透镜，形成测试光束；

步骤二：测试光束经分光镜一和分光镜二后分为两束，其中经分光镜二反射的光线由消色差显微物镜耦合至光纤光谱仪，经光纤光谱仪频谱分析后，确定反射回来的光线中存在的波长，从而确定待测物体分层界面的位置；经分光镜二透射的光线由平面平晶前、后表面反射后，经滤波器形成参考光束及测试光束，在图像传感器的靶面上形成离轴数字全息干涉图；

步骤三：将获得的数字全息干涉图进行预处理；首先，进行傅里叶变换得到频谱图，不同波长引入不同的载波，使得不同波长的频谱信息在频域里串扰很小；然后，可设置滤波窗口提取出不同波长的+1级频谱；最后，对其进行逆傅里叶变换得到物光波的复振幅分布；

步骤四：利用数字全息角谱相位重构算法，分别获得不同波长的重构相位，从而确定待测物体不同分层界面的三维形貌。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

1、本发明测量方法可同时获得待测物体不同分层界面的三维形貌，大大提高测量效率；

2、本发明测量方法可在测量不同分层界面三维形貌的同时，还可以确定每一分层界面的位置，有助于更好地分析待测物体的特性参数；

3、本发明测量系统测试光与参考光通过相同的光路，结构简单，操作便捷，易于消除系统噪声的影响；

4、本发明测量系统在参考光与测试光共光路的前提下，实现了离轴数字全息，便于零级频谱和正负一级频谱的分离，易于准确地相位重建。

附图说明：

图1为本发明光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统的结构示意图；

图2为本发明中聚焦色散元件的结构示意图；

图3为本发明中平面平晶前、后表面反射图；

图4为本发明中滤波器的结构示意图；

图5为本发明中数字全息再现时频谱提取示意图；

图6为本发明中全息图预处理流程图；

图7为本发明中数字全息角谱重建算法程序流程图。

图中，1-多光谱光源、2-显微物镜、3-透镜、4-分光镜一、5-聚焦色散透镜、6-待测物体、7-分光镜二、8-消色差显微物镜、9-光纤光谱仪、10-平面平晶、11-会聚透镜、12-滤波器、13-图像传感器、14-计算机、15-滤波窗口一、16-滤波窗口二。

具体实施方式：

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。这些实施例是用于说明本发明而不限于本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体实验环境做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

本发明基于光谱共焦的准确定位，提出了一种光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量装置及测量方法，以实现待测物体各分层界面微观形貌的同步三维测量。

参见图1，本发明包括测量系统本体，测量系统本体包括依次设置的多光谱光源1、显微物镜2、透镜3、分光镜一4、聚焦色散透镜5和待测物体6，分光镜一4后方设置有分光镜二7，分光镜二7前方依次设置有消色差显微物镜8和光纤光谱仪9，分光镜二7后方设置有平面平晶10，平面平晶10前方依次设置有会聚透镜11和滤波器12，滤波器12设置在平面平晶10前表面反射光的会聚焦点处，滤波器12前方设置有图像传感器(13)，光纤光谱仪9和图像传感器13分别与计算机14连接。

本发明所涉及的多光谱光源是指连续光谱光源或多波长非连续光谱光源。多光谱光源1照射到显微物镜2和透镜3进行光束整形，形成平面光束，该平面光束透过分光镜一4后，经聚焦色散透镜5后产生色散，使得不同波长的光线在光轴上的不同位置聚焦。待测物体6位于聚焦色散透镜5的聚焦范围内，在待测物体6的不同分层界面处产生聚焦反射，形成测试光束，该测试光束经分光镜一4和分光镜二7后，分为透射光与反射光；反射光经消色差显微物镜8后，由光纤光谱仪9接收，经光谱分析后确定反射光的波长，从而确定待测物体不同分层界面的位置。透射光到达平面平晶10，在平面平晶10的前、后两个表面分别反射，图中实线表示平面平晶10前表面的反射光，虚线表示平面平晶10后表面的反射光。平面平晶10前、后表面的反射光经会聚透镜11后，聚焦在沿光轴方向的不同位置处；滤波器12设置在平面平晶10前表面反射光的会聚焦点处，此时，平面平晶10后表面反射光束在滤波器12上形成一个较大的光斑，经滤波器12上两个滤波窗口后，出射的测试光束与参考光束相遇，形成离轴全息干涉图，由图像传感器13得到数字全息干涉图，传输至计算机14，经由数字全息角谱相位重构算法，获得不同波长重构的相位数据，从而确定待测物体不同分层界面的三维形貌。

图2为本发明中聚焦色散元件5的结构示意图。不同波长的光经聚焦色散元件后汇聚在轴上点的位置不同，其中λ₁聚焦在被测物体6上表面，λ₂聚焦在被测物体6某深度的分层界面，λ₃聚焦在被测物体6下表面，λ_min和λ_max的聚焦点之间距离为聚焦色散元件5的聚焦范围。

图3为本发明平面平晶10前、后表面反射图。平面平晶10的前、后表面具有同等光学表面质量，且平面平晶10的后表面镀制高反射率薄膜。图中实线表示平面平晶10前表面反射光，图中虚线表示平面平晶10后表面反射光。

图4为本发明滤波器12的结构示意图。滤波器12含有两个滤波窗口即滤波窗口一15和滤波窗口二16，滤波窗口一15为直径50μm的针孔，保证平面平晶10后表面反射光束经会聚透镜11聚焦后照明针孔，并形成针孔衍射，得到理想球面参考光束。滤波窗口二16为直径5mm的圆孔，保证平面平晶6前表面反射光束经会聚透镜7聚焦后能够完全通过，形成测试光束。

本发明还包括基于光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量装置的测量方法，具体包括以下步骤：

步骤一：多光谱光源1通过显微物镜2和透镜3的光束整形后，形成工作用平行光；该平行光经聚焦色散透镜5后产生色散，使得不同波长的光线在光轴上的不同位置聚焦，当待测物体6置于聚焦范围内时，只有聚焦在待测物体分层界面的光线能够返回至聚焦色散透镜5，此时，待测物体6存在有几个分层界面，则有几个波长的光线返回至聚焦色散透镜，形成测试光束。

步骤二：测试光束经分光镜一4和分光镜二7后分为两束，其中经分光镜二7反射的光线由消色差显微物镜8耦合至光纤光谱仪9，经光纤光谱仪9频谱分析后，可以确定反射回来的光线中存在的波长，从而确定待测物体6分层界面的位置；经分光镜二7透射的光线由平面平晶10前、后表面反射后，经滤波器12形成参考光束及测试光束，在图像传感器13的靶面上形成离轴数字全息干涉图。

步骤三：将获得的数字全息干涉图进行预处理。首先，进行傅里叶变换得到频谱图，不同波长引入不同的载波，使得不同波长的频谱信息在频域里串扰很小；然后，可设置滤波窗口提取出不同波长的+1级频谱；最后，对其进行逆傅里叶变换得到物光波的复振幅分布。

参见图6，图6为本发明中全息图预处理流程图,全息图预处理过程为：将全息图进行傅里叶变换得到频谱图，设置滤波窗口提取+1级频谱，将频谱移中，再进行逆傅里叶变换得到物光波的复振幅分布。

步骤四：利用数字全息角谱相位重构算法，分别获得不同波长的重构相位，从而确定待测物体不同分层界面的三维形貌。

参见图7，图7为本发明中数字全息角谱重建算法程序流程图。数字全息角谱重建算法程序流程为：将预处理得到的物光波复振幅分布点乘数值模拟的参考光，经过傅里叶变换后转化到频域，得到全息面的频谱，然后点乘频域传递函数，以频域的形式传播，得到再现像的频谱再进行逆傅里叶变换得到再现光场复振幅分布即再现像。光波场在整个传播过程中无近似，能够有效减少误差。

图5为数字全息再现时频谱提取示意图。设置矩形滤波窗口提取λ₁，λ₂，λ₃对应的+1级频谱图后进行再现处理，即可获得图2所示被测物体6上表面、某深度的分层界面及下表面的三维相位重构。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统，其特征在于：包括测量系统本体，测量系统本体包括依次设置的多光谱光源(1)、显微物镜(2)、透镜(3)、分光镜一(4)、聚焦色散透镜(5)和待测物体(6)，分光镜一(4)后方设置有分光镜二(7)，分光镜二(7)前方依次设置有消色差显微物镜(8)和光纤光谱仪(9)，分光镜二(7)后方设置有平面平晶(10)，平面平晶(10)前方依次设置有会聚透镜(11)和滤波器(12)，滤波器(12)设置在平面平晶(10)前表面反射光的会聚焦点处，滤波器(12)前方设置有图像传感器(13)，光纤光谱仪(9)和图像传感器(13)分别与计算机(14)连接。

2.根据权利要求1所述的光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统，其特征在于：聚焦色散透镜(5)的聚焦范围为最小波长的光λ_min和最大波长的光λ_max的聚焦点之间距离。

3.根据权利要求1或2所述的光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统，其特征在于：平面平晶(10)的前、后表面具有同等光学表面质量，且平面平晶(10)的后表面镀制高反射率薄膜。

4.根据权利要求3所述的光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统，其特征在于：滤波器(12)设置有滤波窗口一(15)和滤波窗口二(16)，滤波窗口一(15)为直径50μm的针孔，滤波窗口二(16)为直径5mm的圆孔。

5.一种采用权利要求1所述的光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：多光谱光源(1)通过显微物镜(2)和透镜(3)的光束整形后，形成工作用平行光；该平行光经聚焦色散透镜(5)后产生色散，使得不同波长的光线在光轴上的不同位置聚焦，当待测物体置于聚焦范围内时，只有聚焦在待测物体分层界面的光线能够返回至聚焦色散透镜(5)；此时待测物体(6)存在有几个分层界面，则有几个波长的光线返回至聚焦色散透镜(5)，形成测试光束；

步骤二：测试光束经分光镜一(4)和分光镜二(7)后分为两束，其中经分光镜二(7)反射的光线由消色差显微物镜(8)耦合至光纤光谱仪(9)，经光纤光谱仪(9)频谱分析后，确定反射回来的光线中存在的波长，从而确定待测物体分层界面的位置；经分光镜二(7)透射的光线由平面平晶(10)前、后表面反射后，经滤波器(12)形成参考光束及测试光束，在图像传感器(13)的靶面上形成离轴数字全息干涉图；

步骤三：将获得的数字全息干涉图进行预处理；首先，进行傅里叶变换得到频谱图，不同波长引入不同的载波，使得不同波长的频谱信息在频域里串扰很小；然后，设置滤波窗口提取出不同波长的+1级频谱；最后，对其进行逆傅里叶变换得到物光波的复振幅分布；

步骤四：利用数字全息角谱相位重构算法，分别获得不同波长的重构相位，从而确定待测物体不同分层界面的三维形貌。

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