CN113654482A

CN113654482A - 一种基于色差和谱域干涉的光学3d成像装置及方法

Info

Publication number: CN113654482A
Application number: CN202111002348.0A
Authority: CN
Inventors: 王毅; 黄玉斌; 马振鹤; 赵玉倩
Original assignee: Northeastern University Qinhuangdao Branch
Current assignee: Northeastern University Qinhuangdao Branch
Priority date: 2021-08-30
Filing date: 2021-08-30
Publication date: 2021-11-16
Anticipated expiration: 2041-08-30
Also published as: CN113654482B

Abstract

本发明公开一种基于色差和谱域干涉的光学3D成像装置及方法，涉及光学干涉检测技术领域。该装置包括宽带光源，光源出射光入射第一透镜；第一透镜出射平行光入射分光装置；分光装置出射参考光和样品光；样品光依次经过第三透镜和第四透镜入射扫描振镜后经第五透镜以不同焦点聚焦在样品的不同深度层面上；参考光入射光栅，从光栅出射不同波长的参考光通过第二透镜聚焦反射镜表面；在第二透镜和反射镜之间设置三角形透光体；经反射镜反射的参考光和经样品的不同深度层面反射的样品光均进入分光装置后，再进入光谱仪中形成干涉光谱；光谱仪与扫描振镜均与计算机相连。实现了高纵向分辨率、高横向分辨率、大景深、大可测量角度，提高了解调精度。

Description

一种基于色差和谱域干涉的光学3D成像装置及方法

技术领域

本发明涉及光学干涉检测技术领域，具体涉及一种基于色差和谱域干涉的光学3D成像装置及方法。

背景技术

随着精密制造业的发展，对3D成像技术的要求越来越高，光学干涉技术是一种重要的3D成像技术，具有非接触及分辨率高的优点，可以达到纳米及亚纳米的纵向分辨率，但是光学干涉技术的纵向测量范围和测量角度受到限制。

3D成像的纵向分辨率、横向分辨率、测量角度是衡量成像技术的重要因素，纵向分辨率受干涉技术影响，而横向分辨率则取决于光束聚焦在待测样品上的光斑尺寸。在光学成像技术中，景深与横向分辨率是一对相互制约的参数，横向分辨率为

其中λ为波长，f为焦距，d为透镜通光孔径，由数值孔径定义式NA＝n*sinα，其中孔径角半数α较小时，

由此可知如果想要高横向分辨率，就要采用大的数值孔径，但是大的数值孔径会导致景深变小，即纵向测量范围变小。此外，由于工业检测存在大量透明及高反光材质，例如手机外壳、玻璃面板和精加工的金属表面等，这些材质表面的漫反射较弱，进入探测系统的主要是镜面反射光，如图1所示，实线表示照射到样品的光锥，虚线表示经样品表面镜面反射的光锥，当探测点角度较大时，反射的光锥会偏离较大的方向，图1中的(a)图表示数值孔径较大的情况，反射光部分返回探测系统，因此可以测量到干涉光谱，图1中的(b)图表示数值孔径较小的情况，反射光不能进入探测系统，无法测量到该点的干涉光谱，因此较大的测量角度需要较大的数值孔径，较大的数值孔径同样有利于增大横向分辨，但是会导致景深较小，限制纵向测量范围。

在光学3D成像中，要求高横向分辨率、高纵向分辨率、大景深及大的可测量角度范围，通过增大数值孔径提高横向分辨率和可测量角度范围，但同时也会减小景深。色差技术可以解决横向分辨率、景深、可测量角度范围相互制约的问题，利用色散原理可形成多波长的不同焦点，可同时满足大景深、高横向分辨率和大测量角度范围的要求。但是色差技术需要带宽较大的光源，对于同一高度，干涉光谱的频率与光源的波数带宽Δk成正比，这会导致光学3D成像中的干涉光谱频率较高，而干涉光谱频率较高时，信号的衰减较大，导致信号的信噪比较低，影响解调精度。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种基于色差和谱域干涉的光学3D成像装置及方法，旨在解决光学3D成像中横向分辨率、可测量角度范围与大景深的这一矛盾。

本发明的技术方案为：

本发明第一方面提供一种基于色差和谱域干涉的光学3D成像装置，该装置包括宽带光源，所述宽带光源的出射光入射到第一透镜；从所述第一透镜出射平行光并入射到分光装置；从所述分光装置出射参考光和样品光；所述样品光入射第三透镜，所述第三透镜出射不同波长的样品光；所述不同波长的样品光通过第四透镜入射到扫描振镜后经过第五透镜以不同的焦点聚焦在样品的不同深度层面上；所述参考光入射光栅，从所述光栅出射的不同波长的参考光通过第二透镜而聚焦到反射镜的表面；在所述第二透镜和所述反射镜之间设置三角形透光体，以改变所述不同波长的参考光的光程；经所述反射镜的表面反射的参考光和经所述样品的不同深度层面反射的样品光进入所述分光装置后，再进入光谱仪中形成干涉光谱，所述光谱仪与所述扫描振镜均与计算机相连接。

进一步地，根据所述的基于色差和谱域干涉的光学3D成像装置，所述第一透镜为准直透镜。

进一步地，根据所述的基于色差和谱域干涉的光学3D成像装置，所述第三透镜为色差透镜。

进一步地，根据所述的基于色差和谱域干涉的光学3D成像装置，所述光栅为反射式光栅。

进一步地，根据所述的基于色差和谱域干涉的光学3D成像装置，所述反射镜为平面反射镜。

本发明第二方面提供一种基于色差和谱域干涉的光学3D成像方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：将宽带光源的出射光分配为参考光和样品光；

步骤2：使所述样品光经过色差透镜产生纵向色散，获得不同波长的样品光，使不同波长的样品光分别以平行光、聚焦光、发散光入射到扫描振镜上，并使扫描振镜的出射光聚焦在样品的不同深度层面上；同时，对所述参考光进行分光获得不同波长的参考光，且使不同波长的参考光以不同的光程聚焦到反射镜表面；

步骤3：控制通过反射镜表面反射的参考光和通过所述样品的不同深度层面反射的样品光进入光谱仪，在光谱仪中形成干涉光谱并将干涉光谱信号传输给一台计算机；

步骤4：通过所述计算机传输电压信号以改变扫描振镜中X、Y振镜的反射角，使样品光在样品的不同深度层面进行二维扫描，相应地在所述计算机上获得对应的干涉光谱信号；

步骤5：在所述计算机中对获得的干涉光谱信号进行高通滤波，消除直流分量，获得交流分量；

步骤6：获取所述交流分量的相位信息；

步骤7：对所述交流分量的相位进行去卷绕处理，获得去卷绕的相位；

步骤8：对去卷绕的相位进行一阶求导，再用最小二乘法对所述一阶求导的结果进行线性拟合后获得各测量点对应的样品表面的上下高度差，进而实现3D成像。

进一步地，根据所述的基于色差和谱域干涉的光学3D成像方法，所述将光源的出射光分配为参考光和样品光的方法为：将光源的出射光进行准直后利用分光装置分配为参考光和样品光。

进一步地，根据所述的基于色差和谱域干涉的光学3D成像方法，所述获取所述交流分量的相位信息的方法为：对所述交流分量进行希尔伯特变换得到正弦项，再由三角函数关系得到所述交流分量的相位信息。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案较现有技术具有以下有益效果：

1、利用谱域干涉实现了高纵向分辨率，利用色差实现高横向分辨率、大景深和大可测量角度。

2、经过对参考臂的光程按照波长大小进行补偿，再结合色差效应，降低了干涉光谱频率，减小了信号的衰减，提高信号的信噪比，因此提高了解调精度。

附图说明

图1中(a)图表示数值孔径较大时反射光部分返回探测系统的示意图；(b)图表示数值孔径较小时反射光不能进入探测系统的示意图；

图2为本实施方式基于色差和谱域干涉的光学3D成像装置的结构示意图；

图3为本实施方式基于色差和谱域干涉的光学3D成像方法流程示意图；

图4为本实施方式样品光到达样品表面之前的光路示意图；

图5(a)为关闭参考臂测量得到的样品光示意图；(b)为关闭样品臂测量得到的参考光示意图；(c)为同时开放样品臂和参考臂得到的干涉光谱示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优势更加清晰，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图2是本实施方式的基于色差和谱域干涉的光学3D成像装置的结构示意图，如图2所示，所述基于色差和谱域干涉的光学3D成像装置包括宽带光源1，所述宽带光源1的出射光入射到第一透镜2；从所述第一透镜2出射的平行光入射到分光装置3；从分光装置3出射参考光和样品光；所述样品光依次经过第三透镜4和第四透镜5入射到扫描振镜16后经过第五透镜8以不同的焦点聚焦在样品9的不同深度层面上；所述参考光入射光栅10，从所述光栅10出射的不同波长的参考光通过第二透镜11而聚焦到反射镜13的表面；在所述第二透镜11和所述反射镜13之间设置三角形透光体12，以改变所述不同波长参考光的光程；经所述反射镜13反射的参考光和经所述样品9的不同深度层面反射的样品光进入所述分光装置3后，再进入光谱仪14中形成干涉光谱，所述光谱仪14与所述扫描振镜16均与电脑15相连接。

所述第一透镜2以采用准直透镜为较佳；所述分光装置3为分束器、分光片、分束镜、分光镜等用于将一束入射光分配成两束出射光的装置；所述第三透镜4采用色差透镜，通过增大该透镜的数值孔径可提高装置的横向分辨率，其目的是为了产生更大的纵向测量范围、增大样品的可测量角度范围。第五透镜8为聚焦透镜；所述光栅10采用的是反射式光栅；所述反射镜13以平面反射镜为较佳；所述三角形透光体12采用玻璃、树脂、塑料等可透光的材料；所述扫描振镜16由X振镜6和Y振镜7构成，所述X振镜6和所述Y振镜7同时与所述电脑15相连接；

实施例

宽带光源1通过光纤连接准直透镜2，所述宽带光源1发出的光通过光纤进入准直透镜2；被所述准直透镜2准直后得到的平行光入射在所述分束器3上；，所述分束器3将入射光一分为二，分配为参考光和样品光两束出射光；所述参考光入射反射式光栅10，经光栅10分光获得不同波长的参考光，从所述反射式光栅10出射不同波长的参考光通过凸透镜11而聚焦到平面反射镜13的表面上；在所述凸透镜11和所述平面反射镜13之间设置有三角形玻璃块12，以改变不同波长的所述参考光的光程；所述样品光经过第三透镜4和第四透镜5入射X振镜6和Y振镜7后经过色散透镜8以不同的焦点聚焦在样品9的不同深度层面上；经所述平面反射镜13反射的参考光和经所述样品9的不同深度层面反射的样品光进入所述分束器3后，再进入光谱仪14，在所述光谱仪14中形成干涉光谱，光谱仪将光谱干涉信号传输给电脑15，所述电脑15还同时与所述X振镜6和所述Y振镜7相连接。

在成像技术中分辨率是能分辨两个点的中心距离，恰能分辨的最小中心距离为最高分辨率，可见分辨率越小越好：由纵向分辨率公式

可知采用宽带光源，使得Δλ变大，相应地Δz变小，从而纵向分辨率得到提高；由透镜数值孔径定义式NA＝n*sinα，

可知，采用大数值孔径可以增大角度α，进而增大第三透镜(色差透镜)4的通光孔径d，由横向分辨率公式

可得，Δx变小，从而横向分辨率得到提高；在同一数值孔径下，样品倾斜所产生的反射回透镜的光必然会有所损失，且倾斜角度越大，损失越大，如果在倾斜角度不变的情况下，增大透镜的数值孔径就会使反射回光变多，减小光的损失，一定程度上也增大了样品的可倾斜角度范围，增大了装置的测量角度，从而进行更好的成像；采用色散原理，纵向形成多波长不同的焦点，相比于原来小带宽波长所产生的纵向焦移，大带宽波长所产生的纵向焦移更加明显，范围更大，可用于纵向大范围测量，实现了大景深，如图4所示，由于XY振镜只改变光的方向，对最后成像没有影响，所以在图4中将XY振镜忽略不画。

图3是基于色差和谱域干涉的光学3D成像方法流程示意图，如图3所示，该方法包括如下步骤：

步骤1：将光源的出射光进行准直后利用分光装置分配为参考光和样品光；

在本实施例中，首先对所述宽带光源1的光利用所述准直透镜2进行准直，然后使准直后的光平行入射到所述分束器3，经由光束器分光，分为样品光和参考光两束出射光；

在本实施例中，使所述样品光经第三透镜4产生纵向色散后，不同波长的平行光、聚焦光、发散光通过第四透镜5入射到所述扫描振镜上，从扫描透镜出射的光经第五透镜8聚焦在样品9的不同深度层面上；同时，使所述参考光经光栅10分光获得不同波长的参考光，使不同波长的参考光经第二透镜11和三角形玻璃块12聚焦到反射镜13的表面上，在第二透镜11和反射镜13之间加入的三角形玻璃块12，是用于改变不同波长的参考光的光程，进而达到补偿光程差的作用。

步骤3：控制通过反射镜表面反射的参考光和通过所述样品的不同深度层面反射的样品光进入光谱仪，在光谱仪中形成干涉光谱且光谱仪将干涉光谱信号传输给电脑；

在本实施例中，通过所述反射镜13表面反射的参考光和通过所述样品9的不同深度层面反射的样品光在光谱仪中形成干涉光谱，且光谱仪将干涉光谱信号传输给电脑15；

步骤4：通过所述电脑传输电压信号以改变扫描振镜中X、Y振镜的反射角，使样品光在样品的不同深度层面进行二维扫描，相应地在电脑上得到式(1)所示的干涉光谱信号；

I(X,Y；K)＝α(X,Y；K)+β(X,Y；K)COS(K(H(X,Y)-aK-b)+φ) (1)

上述公式中，a和b为常数；由于所述三角形透光体12的作用，不同波长的参考光的光程不同，aK+b为参考臂光程；X和Y表示扫描点的空间坐标；H(X,Y)表示相对高度，即当前测量点对应的样品表面的上下高度差；K表示光谱仪采集的光谱的波数坐标；由于3D成像是相对测量，因此常数b可以去掉；φ表示干涉信号的初始相位；α(X,Y；K)表示直流分量；β(X,Y；K)表示由于色差效应产生的样品光的强度调制函数。

在本实施例中，扫描成像过程：要完成对一个区域的成像，需要通过所述电脑15控制所述X振镜6和所述Y振镜7实现二维扫描，即通过电脑传输的电压信号来改变两个振镜的反射角，从而改变样品光聚焦在样品表面的位置，即改变了样品光在样品表面的XY坐标，进而通过光谱仪获得样品表面的每一点的干涉光谱I(X,Y；K)。在本实施例中，关闭参考臂测量得到的样品光如图5(a)所示，关闭样品臂测量得到的参考光如图5(b)所示，同时开放样品臂和参考臂得到的干涉光谱如图5(c)所示。

步骤5：对式(1)所示的干涉光谱信号进行高通滤波，消除直流分量，得到式(2)所示的交流分量；

I₁(X,Y；K)＝β(X,Y；K)COS(K(H(X,Y)-aK-b)+φ) (2)

步骤6：对式(2)所示的交流分量进行希尔伯特变换得到式(3)所示的正弦项，再由三角函数关系得到式(4)所示的所属交流分量的相位信息；

I₂(X,Y；K)＝sin(K(H(X,Y)-aK-b)+φ) (3)

θ(X,Y；K)＝K(H(X,Y)-aK-b) (4)

步骤7：利用现有的解调技术对步骤6得到的所述交流分量的相位进行去卷绕处理，获得去卷绕的相位；

由于反正切的运算范围为

所以步骤6得到的所述交流分量的相位为卷绕相位，因此需利用现有的解调技术对θ(X,Y；K)进行去卷绕，即判断相邻点相位差，当差小于

加上π，当差大于

减去π，得到去卷绕的相位θ1(X,Y；K)；

对去卷绕的相位θ1(X,Y；K)进行一阶求导，得到θ2(X,Y；K)＝H(X,Y)-2aK-b，再用最小二乘法对θ2(X,Y；K)进行线性拟合，可求得a和(H(X,Y)-b)，由于3D成像是利用相对高度成像，所以b可以忽略，将高度信息H(X,Y)进行拼接，最终实现3D成像。

若没有参考光的光程补偿时，干涉光谱频率大小为H(X,Y)，信号频率较高，不易于解调，经过对参考臂的光程按照波长大小进行补偿，再结合色差效应后，可到干涉光谱的频率大小为(H(X,Y)-2aK-b)，如公式(1)所示，降低了干涉光谱频率，减小了信号的衰减，提高信号的信噪比，因此提高了解调精度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；因而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims

1.一种基于色差和谱域干涉的光学3D成像装置，其特征在于，该装置包括宽带光源，所述宽带光源的出射光入射到第一透镜；从所述第一透镜出射平行光并入射到分光装置；从所述分光装置出射参考光和样品光；所述样品光入射第三透镜，所述第三透镜出射不同波长的样品光；所述不同波长的样品光通过第四透镜入射到扫描振镜后经过第五透镜以不同的焦点聚焦在样品的不同深度层面上；所述参考光入射光栅，从所述光栅出射的不同波长的参考光通过第二透镜而聚焦到反射镜的表面；在所述第二透镜和所述反射镜之间设置三角形透光体，以改变所述不同波长的参考光的光程；经所述反射镜的表面反射的参考光和经所述样品的不同深度层面反射的样品光进入所述分光装置后，再进入光谱仪中形成干涉光谱，所述光谱仪与所述扫描振镜均与计算机相连接。

2.根据权利要求1所述的基于色差和谱域干涉的光学3D成像装置，其特征在于，所述第一透镜为准直透镜。

3.根据权利要求1所述的基于色差和谱域干涉的光学3D成像装置，其特征在于，所述第三透镜为色差透镜。

4.根据权利要求1所述的基于色差和谱域干涉的光学3D成像装置，其特征在于，所述光栅为反射式光栅。

5.根据权利要求1所述的基于色差和谱域干涉的光学3D成像装置，其特征在于，所述反射镜为平面反射镜。

6.一种基于色差和谱域干涉的光学3D成像方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：将宽带光源的出射光分配为参考光和样品光；

步骤6：获取所述交流分量的相位信息；

7.根据权利要求6所述的基于色差和谱域干涉的光学3D成像方法，其特征在于，所述将宽带光源的出射光分配为参考光和样品光的方法为：将宽带光源的出射光进行准直后利用分光装置分配为参考光和样品光。

8.根据权利要求6所述的基于色差和谱域干涉的光学3D成像方法，其特征在于，所述获取所述交流分量的相位信息的方法为：对所述交流分量进行希尔伯特变换得到正弦项，再由三角函数关系得到所述交流分量的相位信息。