一种基于多波长的数字全息三维形貌检测装置制造方法
【专利摘要】本发明是一种基于多波长的数字全息三维形貌检测装置。该装置采用数字全息的方法，采用多个波长对三维物体的表面进行表面形貌测量；在光路结构中，以平面光波照明待测物体并收集反射的物光，利用光束偏转器控制参考光与物光的夹角，实现离轴数字全息。为了在保证观测分辨率的同时增大测量范围，可分别以不同波长的光束测量待测物体，并对得到的全息频谱图进行相减迭代处理，进而得到无相位包裹的待测物体三维形貌信息。该装置通过一体化的光学平台使得各光学器件的布局结构紧凑、灵活、稳定，可用于高精度的大高度、高粗糙度的光学元器件、机械转子等机械组件进行在线三维形貌观测。
【专利说明】—种基于多波长的数字全息三维形貌检测装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于多波长的数字全息三维形貌检测装置，属于光电测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002]目前，三维形貌检测技术主要有散斑干涉技术、结构光技术和数字全息技术等。数字全息技术利用CCD、CMOS等光电图像传感器件以数字形式记录全息图，并用计算机数值模拟光学的衍射过程，再现原始物光场的波前分布，从而准确获取待测物体的振幅和相位信息。
[0003]为了将数字全息技术应用于大高度、高粗糙度的平面型三维物体形貌检测，需要解决一些技术问题:(I)数字全息三维形貌检测受波长大小的限制，测量范围仅仅是波长大小，为提高测量范围，一般采用相位解包裹技术，但该技术受到物体表面形貌的限制，仅仅能对特定表面进行相位解包裹，应用范围十分有限。(2)为提高信噪比和成像质量，在图像记录过程当中需要对物光和参考光的光强比、偏振性、入射夹角和波前曲率进行精确控制。(3)为提高三维物体检测的精度和范围，必须结合测量对象的形貌选择合适的波长，同时结合测量对象的装在平台、姿态等因素，合理设计光路，使其结构紧凑，稳定性好，同时便于操作和调试。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决上述问题，提出了一种基于多波长的数字全息三维形貌检测装置。本装置采用数字全息的方法，结合多波长的技术，实现大高度、高粗糙度、表面非连续的平面型三维物体的形貌测量；在光路结构中，以平行光照射待测目标并收集散射的物光，通过光束偏转器控制参考光和物光的夹角，实现离轴数字全息。为了保证观测分辨率的同时提高测量范围，可分别使用不同波长的光束测量待测对象的同一三维形貌信息，并对得到的再现相位图采用递归相减，进而得到完整的待测目标的三维形貌信息。该装置通过一体化的光学平台使得多个光学器件的分布紧凑、灵活、稳定，可用于高精度的大高度、高粗糙度表面非连续的平面型光学元器件、机械转子等机械组件进行三维形貌观测。
[0005]一种基于多波长的数字全息三维形貌检测装置，包括激光光源、分光单元、反射镜、第一光束准直单兀、光束偏转器、第二光束准直单兀、消偏振分光棱镜、五维调整安装平台、CMOS相机；
[0006]激光光源产生激光la，激光Ia输入至分光单元，激光光源的中心波长范围可调，为635nm-682nm的单纵模激光；
[0007]分光单元包括可调衰减器、A半波片、偏振分光棱镜、B半波片；
[0008]激光Ia经可调衰减器、A半波片入射到偏振分光棱镜上被分为两束偏振方向正交的反射光和透射光，反射光经过B半波片后，形成空间光2a，空间光2a进入参考光路，透射光形成空间光2b，进入物光光路；[0009]空间光2a输出至反射镜，得到反射光3a，输出至第一准直单元；
[0010]第一光束准直单元和第二光束准直单元具有相同结构，第一准直单元由空间滤波器和平凸透镜构成，空间滤波器用于对接收到的反射光3a进行扩束处理后，照射至平凸透镜上，经平凸透镜后形成平行光4a输出至光束偏转器；
[0011]第二准直单元中，空间滤波器用于对接收到的透射光2b进行扩束处理后照射至平凸透镜上，经平凸透镜后形成平行光6a输出至消偏振分光棱镜；
[0012]光束偏转器用于改变参考光的入射角度，输出平行参考光5a ；
[0013]消偏振分光棱镜将平行参考光5a和物光8a合成一束光,得到光束7b ;并且,消偏振分光棱镜接收平行光6a，得到与待测目标表面一致平行照明光7a，直接照射至待测目标表面，得到物光8a ；
[0014]五维调整安装平台包括三维平移台和二维旋转台，通过三维平移台和二维旋转台实现被光测目标的二维姿态调整及被侧面的旋转对准，通过全息图指示调节待测目标使目标位于全息图中央位置；
[0015]CMOS相机用于捕获记录数字全息图。
[0016]本发明的优点在于:
[0017](I)采用光学 测量方法，具有非接触性、非破坏性，且无需进行预处理，对测量目标几乎无损伤；
[0018](2)采用数字全息技术，减少曝光次数，能够有效克服温度、振动等因素对测量结果的影响，实时获取目标的三维形貌信息；
[0019](3)采用多波长的方法扩展无相位包裹范围，依据物体表面粗糙度及纵向深度选取波长及波长差，在保证测量精度的同时提高测量范围，可用于大高度、高粗糙度、表面非连续的平面型器件的三维形貌测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明数字全息三维形貌检测装置的光路传输结构框图；
[0021]图2是本发明分光单元的光路传输结构图
[0022]图3是本发明光束偏转器结构图。
[0023]图中:
[0024]
【权利要求】
1.一种基于多波长的数字全息三维形貌检测装置，包括激光光源、分光单元、反射镜、第一光束准直单元、光束偏转器、第二光束准直单元、消偏振分光棱镜、五维调整安装平台、CMOS相机； 激光光源产生激光la，激光Ia输入至分光单元，激光光源的中心波长范围可调，为635nm-682nm的单纵模激光； 分光单元包括可调衰减器、A半波片、偏振分光棱镜、B半波片； 激光Ia经可调衰减器、A半波片入射到偏振分光棱镜上被分为两束偏振方向正交的反射光和透射光，反射光经过B半波片后,形成空间光2a,空间光2a进入参考光路,透射光形成空间光2b，进入物光光路； 空间光2a输出至反射镜，得到反射光3a，输出至第一准直单元； 第一光束准直单元和第二光束准直单元具有相同结构，第一准直单元由空间滤波器和平凸透镜构成，空间滤波器用于对接收到的反射光3a进行扩束处理后，照射至平凸透镜上，经平凸透镜后形成平行光4a输出至光束偏转器； 第二准直单元中，空间滤波器用于对接收到的透射光2b进行扩束处理后照射至平凸透镜上，经平凸透镜后形成平行光6a输出至消偏振分光棱镜； 光束偏转器用于改变参考光的入射角度，输出平行参考光5a ； 消偏振分光棱镜将平行参考光5a和物光8a合成一束光,得到光束7b ;并且，消偏振分光棱镜接收平行光6a，得到与待测目标表面一致平行照明光7a，直接照射至待测目标表面，得到物光8a ； 五维调整安装平台包括三维平移台和二维旋转台，通过三维平移台和二维旋转台实现被光测目标的二维姿态调整及被侧面的旋转对准，通过全息图指示调节待测目标使目标位于全息图中央位置； CMOS相机用于捕获记录数字全息图。
2.根据权利要求1所述的一种基于多波长的数字全息三维形貌检测装置，所述的A半波片进行旋转调整后，能够改变空间光2a与空间光2b之间的光强比，进而改变平行参考光5a和物光7a的光强比，实现全息图条纹对比度的调节。
3.根据权利要求1所述的一种基于多波长的数字全息三维形貌检测装置，所述的B半波片进行旋转调整后，能够保证空间光2a与空间光2b的偏振方向一致。
【文档编号】G01B11/24GK104006763SQ201410259126
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】潘锋, 肖文, 陈宗晖, 闫贝贝, 杨洪建, 赵晨晓, 张旭红 申请人:北京航空航天大学