一种基于多波长和多偏振态的数字全息三维形貌检测装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种三维形貌检测系统，更特别地说，是指一种基于多波长和多偏振态的数字全息三维形貌检测系统。
【背景技术】
[0002]数字全息技术利用(XD、CMOS等光电成像探测器件作为记录介质，并以数字形式记录全息图，利用计算机以数字方法模拟再现光学衍射过程，重构三维光场，同时获得光场的振幅和相位信息。其优点包括:⑴以非接触方式检测，对被测物影响很小；⑵记录与再现过程都以数字化形式完成，可对物体的三维信息进行定量分析；(3)在数字重构过程中，可方便地运用数字图像处理技术改善数据质量。
[0003]为了将数字全息技术应用于高粗糙度或表面非连续的物体三维形貌检测，并获得高质量的测量结果，需要解决一些技术问题:(I)数字全息三维形貌检测的测量范围仅在波长量级，并且往往存在相位包裹现象，对物体表面非连续的区域，不能通过解包裹操作获取正确的相位分布，限制了该技术的应用范围；(2)在数字全息检测过程中，记录的数据会包含散斑噪声，散斑噪声严重影响检测结果的精度，会造成再现像失真以及细节丢失，因此减小散斑对实现高精度的三维形貌检测具有重要意义；(3)需合理设计光路，使结构紧凑，稳定性高，便于操作。
【发明内容】
[0004]本发明为了解决上述问题，提出了一种基于多波长和多偏振态的数字全息三维形貌检测装置。本装置采用数字全息方法，结合多波长测量技术，可用于表面非光学平滑、高粗糙度、表面结构不连续且起伏较大的物体的三维形貌检测；同时结合光波偏振态对散斑分布的影响，对不同偏振态下的多幅全息图进行信息融合，可有效抑制散斑对再现像的影响，提高信噪比。在光路中，为了扩大测量范围，分别使用不同波长的激光测量被测物体，并对各自得到的再现相位图做迭代相减处理，进而获得被测物体的正确的三维形貌分布。散斑噪声是杂乱无章的干扰信息，其分布情况会受到照明光的影响，改变照明光的偏振方向会改变散斑噪声的分布，不同的散斑分布之间为非相关关系，因此多次叠加处理的结果趋于零。为了减弱散斑噪声，在每个波长下，通过调节半波片多次改变光波的偏振方向，在多个不同的偏振方向下对分别被测物体进行检测，再对这些结果进行叠加处理，得到该波长下抑制散斑噪声后的检测结果。
[0005]本发明的一种基于多波长和多偏振态的数字全息三维形貌检测装置，包括激光光源、分光及更改偏振态单元、第一光束准直单元、第二光束准直单元、被测物体、光程补偿及光束偏转单元和CMOS相机。
[0006]激光光源是一台波长可调谐激光器，激光器中LD I波长可调谐范围为635nm-653nm, LD2波长可调谐范围为652nm_668nm，LD3波长可调谐范围为665nm_682nm。
[0007]分光及更改偏振态单元一方面用于接收从光源入射的激光，另一方面将激光分为两束偏振方向可变化的线偏振光，并分别输入两个光束准直单元。其中，可调衰减器用于调节入射激光的光强；A半波片用于调整入射激光的偏振方向，并与偏振分光棱镜配合实现透射光和反射光的光强比连续可调；偏振分光棱镜用于将入射激光分为两束线偏振光；B半波片和C半波片分别用于调整透射光和反射光的偏振方向，使两束光的偏振方向保持一致，并且可以更改两束光的偏振方向，实现多偏振态检测的目的；第一检偏器和第二检偏器分别用于检测和记录透射光和反射光的偏振方向。
[0008]第一光束准直单元和第二光束准直单元具有相同的结构，均由空间滤波器和平凸透镜构成，空间滤波器用于对入射光束进行扩束，平凸透镜用于输出平行光束。
[0009]光程补偿及光束偏转单元用于补偿、调节参考光路的光程，使物光光路和参考光路的光程基本相同；并且调节参考光的角度，使物光和参考光之间存在一个适当的微小夹角，形成离轴干涉全息。
[0010]CMOS相机用于捕获、记录数字全息图。
[0011]本发明的优点在于:
[0012](I)采用多波长方法扩展测量物体形貌纵向范围，避免相位包裹，根据被测物体表面的纵向深度选取激光波长和波长差，在保证精度的同时避免了相位的不确定性，可用于表面粗糙度高、纵向起伏大、结构不连续的平面型物体的三维形貌测量；
[0013](2)分光及更改偏振态单元同时输出两束线偏振光，并可以精确控制照明光和参考光的偏振态和光强比；
[0014](3)本发明通过多次改变照明光和参考光的偏振方向，可以在非接触、原位探测的前提下，记录多幅包含物体信息以及不同散斑分布的数字全息图，进而通过融合上述全息图的再现像，可显著抑制散斑噪声，得到高精度的三维形貌分布，并且通过改变偏振方向的方式抑制散斑噪声无需在光路中加入过多新的器件，保持了全息光路的简洁，也无需对光束方向、物体位置等进行附加调整，降低了操作难度，提高了检测的稳定性；
[0015](4)光程补偿及光束偏转单元可以精确补偿物光光路和参考光路的光程差，并且调整物光和参考光之间的夹角，以形成清晰的干涉条纹；
[0016](5)本发明观测装置结构紧凑，操作简单，稳定性高。
【附图说明】
[0017]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；
[0018]图2是本发明分光及更改偏振态单兀的光路传输结构图。
[0019]图3是本发明光程补偿及光束偏转单元的光路传输结构图。
[0020]图中:
[0021]1-激光光源
[0022]2 -分光及更改偏振态单兀
[0023]3 -第一光束准直单元
[0024]4 -被测物体
[0025]5 -第二光束准直单元
[0026]6 -光程补偿及光束偏转单元
[0027]7 - CMOS 相机
[0028]8 -第一平面反射镜
[0029]9 -第二平面反射镜
【具体实施方式】
[0030]下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
[0031]如图1所示，本发明是一种基于多波长和多偏振态的数字全息三维形貌检测装置，该装置包括有激光光源1、分光及更改偏振态单元2、第一光束准直单元3、被测物体4、第二光束准直单元5、光程补偿及光束偏转单元6和CMOS相机7。其中，第一光束准直单元3和第二光束准直单元5具有相同的结构。
[0032]激光光源I产生激光la，激光Ia输入至分光及更改偏振态单兀2 ；
[0033]激光光源I用于提供635nm-682nm的激光la，即光信息，该光源提供了中心波长范围为635nm-682nm的单纵模激光，可以选取韩国NAN0BASE公司生产的型号为Xperay-TL-STD的激光器。根据被测物体的表面结构特征和精度要求，通过调谐激光器，采用一系列波长分别照明物体并进行全息记录，测量同一物体，进而通过全息再现计算和数字拍频融合，得到合成波长下的物体全息再现像。本装置采用的激光器能够实现波长连续可调，波长精度可达0.0Olnm，相应的合成波长可达几十厘米，因此显著提高了全息检测纵向测量范围，同时其测量精度保持在亚波长量级。
[0034]分光及更改偏振态单元2如图2所示，包括可调衰减器2-1、Α半波片2_2、偏振分光棱镜2-3、B半波片2-4、第一检偏器2-5、C半波片2_6、第二检偏器2_7。分光及更改偏振态单元2用于接收从激光光源I出射的激光la，将其分为空间线偏振光2a和2b输出，并且可以调整两束光的光强比(一般为1:5?5:1)和偏振方向。
[0035]激光Ia经可调衰减器2-1、A半波片2_2后，入射到偏振分光棱镜2_3，被分为两束偏振方向正交的透射光和反射光；其中透射光经B半波片2-4和第一检偏器2-5后形成空间线偏振光2a，进入物光光路；反射光经C半波片2-6和第二检偏器2-7后形成空间线偏振光2b，进入参考光路。
[0036]在本发明中，调节A半波片2-2可以改变光束2a和2b光强比(一般为1:5?5:1)，实现全息图干涉条纹对比度的调节。调节B半波片2-4可以在O至180度范围内改变透射光2a的偏振方向，并由第一检偏器2-5检测并记录透射光2a的偏振方向；调节C半波片2-6可以在O至180度范围内改变反射光2b的偏振方向，并由第二检偏器检测并记录反射光2b的偏振方向。通过半波片和检偏器相配合，保证透射光2a和反射光2b的偏振方向相同。在检测过程中，以固定的角度间隔多次改变透射光2a和反射光2b的偏振方向，在每一个偏振方向下均对被测物体进行一次检测并记录数字全息图。如此记录多幅对应不同偏振方向的全息图，对记录的全息图均进行数值再现，并将所有角度下再现像的相位分布进行叠加平均。散斑为非相