CN114739318A - 基于虚拟光学层析技术高速解析物体表面形貌的系统 - Google Patents
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Abstract
基于虚拟光学层析技术高速解析物体表面形貌的系统，包括若干根光纤，光纤均连接有光纤开关，光纤开关控制每根光纤的数据传输通道的关断，光纤开关连接有准直仪，通过准直仪的光信号射到分束器中，分束器的下表面依次设置有参考表面和物体表面，参考表面上设有机械振荡器件，由机械振荡器件带动参考表面移动，通过分束器的光信号依次射到参考表面和物体表面上，再由参考表面和物体表面反射到物镜中，经过物镜的光信号传输至图像捕捉器件中，由图像捕捉器件获取物体表面的参数。本发明通过机械振荡器件求解单波长相位，采取虚拟光学层析技术来对物体表面的形貌进行高速解析，推导出物体的表面形貌，解决多值性的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其是基于虚拟光学层析技术高速解析物体表面形貌的系统。
背景技术
不同类型的物体上的这样的抛光表面可以是几个平方米大小，并且要求1微米或更小的表面精度，另外，包括抛光表面的物体的本身的重量也是很大的，例如，汽车的器件的模具的抛光、发动机零件、医学植入物(人造髋关节)、光学器件等等，其物体表面抛光精度要求很小。如今，具有抛光表面的物体的抛光过程都是在实验室进行的，在实验室中，需要一次性在小的区域处对物体表面进行测量，对物体表面进行抛光的目的是要创建由预定义表面参数(例如，平滑度、表面形貌的均方根、预定义深度处的沟和线的清晰度、锐度和指定高度处的峰、结构的方向等)限定的预定义结构，这样的参数必须通过工业手段达到，并且通常一起被定义为物体表面的“质量”，现有的物体表面测量手段大多是手动进行的，通过手动抛光查看物体来建立质量，而即使小部分使用机器人等自动化设备的测量手段也必须是通过将物体从处理室中取出再进行手动检查，自动化程度低，且不能满足现在日益增长的精度的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过采取虚拟光学层析技术来高速解析物体表面形貌的系统。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
基于虚拟光学层析技术高速解析物体表面形貌的系统，包括若干根光纤，每根光纤中的光信号都为分离出的单色光源，所述光纤均连接有光纤开关，所述光纤开关控制每根光纤的数据传输通道的关断，所述光纤开关连接有准直仪，通过所述准直仪的光信号射到分束器中，所述分束器是适用于将照射光波朝向参考表面和物体表面引导的器件，准直仪适用于生成平坦的波前，即在平坦表面上具有相同相位的波前；
所述分束器的下表面依次设置有参考表面和物体表面，所述物体表面的形貌是指表面的物理几何三维属性的三维布置，如形状、高度、深度，即，包括其凸出特征及其特征的位置的表面的配置，所述参考表面是表面反射光波行进的路径距离的参考，该路径距离也可被称为延迟，所述参考表面上设有机械振荡器件，由所述机械振荡器件带动参考表面移动，通过所述分束器的光信号依次射到所述参考表面和物体表面上，再由所述参考表面和物体表面反射到物镜中，经过物镜的光信号传输至图像捕捉器件中，由图像捕捉器件获取物体表面的参数，图像捕捉器件可以是照相机，例如电荷耦合器件照相机、互补金属氧化物半导体照相机或其他适用于捕捉图像的任何类型的图像捕捉机构；
所述准直仪发出的照射光波在坐标系X轴和Y轴上的波分量为EX和EY，EX和EY之间的相位差为δ，基于相位差δ获取参考表面和物体表面之间的距离，相位差δ通过四帧重叠策略得出，所述四帧重叠策略为：
式中，a为背景强度，b为正弦条纹的调制值，
为要测量的相位值，可为任意的参考相位值，
为照射光波的坐标，为检测条纹的图案。
优选的，所述四帧重叠策略中
的计算公式为：
i＝1、2……N。
优选的，所述分束器的偏移角度为相对于所述照射光波成45°角，以便使参考表面和物体表面的表面引导光波以平面的方式碰撞物体表面和参考表面，参考表面和物体表面相互平行，表面引导光波为朝向参考表面或物体表面引导的线偏振光波。
优选的，所述机械振荡器件为位移台、压电驱动器、MEMS触发器中的一种，通过所述机械振荡器件移动参考表面，每移动一个位移，所述图像捕捉器件获得一个参考图像。
优选的，所述参考表面为线栅偏振器。
优选的，所述参考表面和物体表面反射的光波分别为参考反射光波和表面反射光波，所述参考反射光波为在参考表面处反射的垂直线偏振光波。
优选的，所述图像捕捉器件连接有处理器和存储器，所述图像捕捉器件将获取的图像传输至处理器中，所述处理器分析图像参数并存储至所述存储器中。
优选的，所述存储器中储存的图像参数包括光强度数据、波长数据、频率信息、光波反射数据、光波数据、物体形貌数据。
本发明的优点和积极效果是：
本发明通过机械振荡器件求解单波长相位，采取虚拟光学层析技术来对物体表面的形貌进行高速解析，推导出物体的表面形貌，解决多值性的问题。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
图中：
1、分束器；2、参考表面；3、物体表面；
13、物镜；14、图像捕捉器件；21、光纤开关；22、准直仪；31、光纤；
201、机械振荡器件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：
如图1所示，本发明所述的基于虚拟光学层析技术高速解析物体表面形貌的系统，包括若干根光纤31，每根光纤31中的光信号都为分离出的单色光源，光纤31均连接有光纤开关21，光纤开关21控制每根光纤31的数据传输通道的关断，光纤开关21连接有准直仪22，通过准直仪22的光信号射到分束器1中，分束器1是适用于将照射光波朝向参考表面2和物体表面3引导的器件，准直仪22适用于生成平坦的波前，即在平坦表面上具有相同相位的波前，图1中所示的坐标系，X轴是从左到右的水平轴，Y轴的方向是内外，Z轴是从下到上的垂直轴。
将分束器1的偏移角度限定为相对于照射光波成45°角，以便使参考表面2和物体表面3的表面引导光波以平面的方式碰撞物体表面和参考表面，参考表面2和物体表面3相互平行，表面引导光波为朝向参考表面2或物体表面3引导的线偏振光波。
分束器1的下表面依次设置有参考表面2和物体表面3，物体表面3也被称为表面，物体表面3的形貌是指表面的物理几何三维属性的三维布置，如形状、高度、深度，即，包括其凸出特征及其特征的位置的表面的配置，参考表面2是表面反射光波行进的路径距离的参考，该路径距离也可被称为延迟，参考表面2上设有机械振荡器件201，由机械振荡器件201带动参考表面2移动，通过分束器1的光信号依次射到参考表面2和物体表面3上，再由参考表面2和物体表面3反射到物镜13中，经过物镜13的光信号传输至图像捕捉器件14中，由图像捕捉器件14获取物体表面3的参数，图像捕捉器件14可以是照相机，例如电荷耦合器件照相机、互补金属氧化物半导体照相机或其他适用于捕捉图像的任何类型的图像捕捉机构；
准直仪22发出的照射光波在坐标系X轴和Y轴上的波分量为EX和EY，EX和EY之间的相位差为δ，基于相位差δ获取参考表面2和物体表面3之间的距离，相位差δ通过四帧重叠策略得出，四帧重叠策略所用的计算公式依次为：
i＝1、2……N。
式中，a为背景强度，b为正弦条纹的调制值，
为要测量的相位值，可为任意的参考相位值，
为照射光波的坐标，为检测条纹的图案。
机械振荡器件201为位移台、压电驱动器、MEMS触发器中的一种，通过机械振荡器件201移动参考表面2，每移动一个位移，图像捕捉器件14获得一个参考图像。
参考表面2为线栅偏振器，参考表面2和物体表面3反射的光波分别为参考反射光波和表面反射光波，参考反射光波为在参考表面2处反射的垂直线偏振光波。
图像捕捉器件14连接有处理器和存储器，图像捕捉器件14将获取的图像传输至处理器中，处理器分析图像参数并存储至存储器中，存储器中储存的图像参数包括光强度数据、波长数据、频率信息、光波反射数据、光波数据、物体形貌数据。
具体实施时，本发明通过机械振荡器件求解单波长相位，采取虚拟光学层析技术来对物体表面的形貌进行高速解析，推导出物体的表面形貌，解决多值性的问题。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (8)
1.基于虚拟光学层析技术高速解析物体表面形貌的系统，包括若干根光纤(31)，所述光纤(31)均连接有光纤开关(21)，所述光纤开关(21)控制每根光纤(31)的数据传输通道的关断，其特征在于：所述光纤开关(21)连接有准直仪(22)，通过所述准直仪(22)的光信号射到分束器(1)中；
所述分束器(1)的下表面依次设置有参考表面(2)和物体表面(3)，所述参考表面(2)上设有机械振荡器件(201)，由所述机械振荡器件(201)带动参考表面(2)移动，通过所述分束器(1)的光信号依次射到所述参考表面(2)和物体表面(3)上，再由所述参考表面(2)和物体表面(3)反射到物镜(13)中，经过物镜(13)的光信号传输至图像捕捉器件(14)中，由图像捕捉器件(14)获取物体表面(3)的参数；
所述准直仪(22)发出的照射光波在坐标系X轴和Y轴上的波分量为EX和EY，EX和EY之间的相位差为δ，基于相位差δ获取参考表面(2)和物体表面(3)之间的距离，相位差δ通过四帧重叠策略得出，所述四帧重叠策略为：
式中，a为背景强度，b为正弦条纹的调制值，
为要测量的相位值，可为任意的参考相位值，
为照射光波的坐标，为检测条纹的图案。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟光学层析技术高速解析物体表面形貌的系统，其特征在于：所述四帧重叠策略中
的计算公式为：
i＝1、2……N。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟光学层析技术高速解析物体表面形貌的系统，其特征在于：所述分束器(1)的偏移角度为相对于所述照射光波成45°角。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟光学层析技术高速解析物体表面形貌的系统，其特征在于：所述机械振荡器件(201)为位移台、压电驱动器、MEMS触发器中的一种，通过所述机械振荡器件(201)移动参考表面(2)，每移动一个位移，所述图像捕捉器件(14)获得一个参考图像。
5.根据权利要求1所述的基于虚拟光学层析技术高速解析物体表面形貌的系统，其特征在于：所述参考表面(2)为线栅偏振器。
6.根据权利要求1所述的基于虚拟光学层析技术高速解析物体表面形貌的系统，其特征在于：所述参考表面(2)和物体表面(3)反射的光波分别为参考反射光波和表面反射光波，所述参考反射光波为在参考表面(2)处反射的垂直线偏振光波。
7.根据权利要求1所述的基于虚拟光学层析技术高速解析物体表面形貌的系统，其特征在于：所述图像捕捉器件(14)连接有处理器和存储器，所述图像捕捉器件(14)将获取的图像传输至处理器中，所述处理器分析图像参数并存储至所述存储器中。
8.根据权利要求7所述的基于虚拟光学层析技术高速解析物体表面形貌的系统，其特征在于：所述存储器中储存的图像参数包括光强度数据、波长数据、频率信息、光波反射数据、光波数据、物体形貌数据。
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