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一種基于多波長的數字全息三維形貌檢測裝置制造方法
【專利摘要】本發明是一種基于多波長的數字全息三維形貌檢測裝置。該裝置采用數字全息的方法，采用多個波長對三維物體的表面進行表面形貌測量；在光路結構中，以平面光波照明待測物體并收集反射的物光，利用光束偏轉器控制參考光與物光的夾角，實現離軸數字全息。為了在保證觀測分辨率的同時增大測量范圍，可分別以不同波長的光束測量待測物體，并對得到的全息頻譜圖進行相減迭代處理，進而得到無相位包裹的待測物體三維形貌信息。該裝置通過一體化的光學平臺使得各光學器件的布局結構緊湊、靈活、穩定，可用于高精度的大高度、高粗糙度的光學元器件、機械轉子等機械組件進行在線三維形貌觀測。
【專利說明】—種基于多波長的數字全息三維形貌檢測裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于多波長的數字全息三維形貌檢測裝置，屬于光電測量【技術領域】。
【背景技術】
[0002]目前，三維形貌檢測技術主要有散斑干涉技術、結構光技術和數字全息技術等。數字全息技術利用CCD、CMOS等光電圖像傳感器件以數字形式記錄全息圖，并用計算機數值模擬光學的衍射過程，再現原始物光場的波前分布，從而準確獲取待測物體的振幅和相位信息。
[0003]為了將數字全息技術應用于大高度、高粗糙度的平面型三維物體形貌檢測，需要解決一些技術問題:(I)數字全息三維形貌檢測受波長大小的限制，測量范圍僅僅是波長大小，為提高測量范圍，一般采用相位解包裹技術，但該技術受到物體表面形貌的限制，僅僅能對特定表面進行相位解包裹，應用范圍十分有限。(2)為提高信噪比和成像質量，在圖像記錄過程當中需要對物光和參考光的光強比、偏振性、入射夾角和波前曲率進行精確控制。(3)為提高三維物體檢測的精度和范圍，必須結合測量對象的形貌選擇合適的波長，同時結合測量對象的裝在平臺、姿態等因素，合理設計光路，使其結構緊湊，穩定性好，同時便于操作和調試。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是為了解決上述問題，提出了一種基于多波長的數字全息三維形貌檢測裝置。本裝置采用數字全息的方法，結合多波長的技術，實現大高度、高粗糙度、表面非連續的平面型三維物體的形貌測量；在光路結構中，以平行光照射待測目標并收集散射的物光，通過光束偏轉器控制參考光和物光的夾角，實現離軸數字全息。為了保證觀測分辨率的同時提高測量范圍，可分別使用不同波長的光束測量待測對象的同一三維形貌信息，并對得到的再現相位圖采用遞歸相減，進而得到完整的待測目標的三維形貌信息。該裝置通過一體化的光學平臺使得多個光學器件的分布緊湊、靈活、穩定，可用于高精度的大高度、高粗糙度表面非連續的平面型光學元器件、機械轉子等機械組件進行三維形貌觀測。
[0005]一種基于多波長的數字全息三維形貌檢測裝置，包括激光光源、分光單元、反射鏡、第一光束準直單兀、光束偏轉器、第二光束準直單兀、消偏振分光棱鏡、五維調整安裝平臺、CMOS相機；
[0006]激光光源產生激光la，激光Ia輸入至分光單元，激光光源的中心波長范圍可調，為635nm-682nm的單縱模激光；
[0007]分光單元包括可調衰減器、A半波片、偏振分光棱鏡、B半波片；
[0008]激光Ia經可調衰減器、A半波片入射到偏振分光棱鏡上被分為兩束偏振方向正交的反射光和透射光，反射光經過B半波片后，形成空間光2a，空間光2a進入參考光路，透射光形成空間光2b，進入物光光路；[0009]空間光2a輸出至反射鏡，得到反射光3a，輸出至第一準直單元；
[0010]第一光束準直單元和第二光束準直單元具有相同結構，第一準直單元由空間濾波器和平凸透鏡構成，空間濾波器用于對接收到的反射光3a進行擴束處理后，照射至平凸透鏡上，經平凸透鏡后形成平行光4a輸出至光束偏轉器；
[0011]第二準直單元中，空間濾波器用于對接收到的透射光2b進行擴束處理后照射至平凸透鏡上，經平凸透鏡后形成平行光6a輸出至消偏振分光棱鏡；
[0012]光束偏轉器用于改變參考光的入射角度，輸出平行參考光5a ；
[0013]消偏振分光棱鏡將平行參考光5a和物光8a合成一束光,得到光束7b ;并且,消偏振分光棱鏡接收平行光6a，得到與待測目標表面一致平行照明光7a，直接照射至待測目標表面，得到物光8a ；
[0014]五維調整安裝平臺包括三維平移臺和二維旋轉臺，通過三維平移臺和二維旋轉臺實現被光測目標的二維姿態調整及被側面的旋轉對準，通過全息圖指示調節待測目標使目標位于全息圖中央位置；
[0015]CMOS相機用于捕獲記錄數字全息圖。
[0016]本發明的優點在于:
[0017](I)采用光學 測量方法，具有非接觸性、非破壞性，且無需進行預處理，對測量目標幾乎無損傷；
[0018](2)采用數字全息技術，減少曝光次數，能夠有效克服溫度、振動等因素對測量結果的影響，實時獲取目標的三維形貌信息；
[0019](3)采用多波長的方法擴展無相位包裹范圍，依據物體表面粗糙度及縱向深度選取波長及波長差，在保證測量精度的同時提高測量范圍，可用于大高度、高粗糙度、表面非連續的平面型器件的三維形貌測量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發明數字全息三維形貌檢測裝置的光路傳輸結構框圖；
[0021]圖2是本發明分光單元的光路傳輸結構圖
[0022]圖3是本發明光束偏轉器結構圖。
[0023]圖中:
[0024]
【權利要求】
1.一種基于多波長的數字全息三維形貌檢測裝置，包括激光光源、分光單元、反射鏡、第一光束準直單元、光束偏轉器、第二光束準直單元、消偏振分光棱鏡、五維調整安裝平臺、CMOS相機； 激光光源產生激光la，激光Ia輸入至分光單元，激光光源的中心波長范圍可調，為635nm-682nm的單縱模激光； 分光單元包括可調衰減器、A半波片、偏振分光棱鏡、B半波片； 激光Ia經可調衰減器、A半波片入射到偏振分光棱鏡上被分為兩束偏振方向正交的反射光和透射光，反射光經過B半波片后,形成空間光2a,空間光2a進入參考光路,透射光形成空間光2b，進入物光光路； 空間光2a輸出至反射鏡，得到反射光3a，輸出至第一準直單元； 第一光束準直單元和第二光束準直單元具有相同結構，第一準直單元由空間濾波器和平凸透鏡構成，空間濾波器用于對接收到的反射光3a進行擴束處理后，照射至平凸透鏡上，經平凸透鏡后形成平行光4a輸出至光束偏轉器； 第二準直單元中，空間濾波器用于對接收到的透射光2b進行擴束處理后照射至平凸透鏡上，經平凸透鏡后形成平行光6a輸出至消偏振分光棱鏡； 光束偏轉器用于改變參考光的入射角度，輸出平行參考光5a ； 消偏振分光棱鏡將平行參考光5a和物光8a合成一束光,得到光束7b ;并且，消偏振分光棱鏡接收平行光6a，得到與待測目標表面一致平行照明光7a，直接照射至待測目標表面，得到物光8a ； 五維調整安裝平臺包括三維平移臺和二維旋轉臺，通過三維平移臺和二維旋轉臺實現被光測目標的二維姿態調整及被側面的旋轉對準，通過全息圖指示調節待測目標使目標位于全息圖中央位置； CMOS相機用于捕獲記錄數字全息圖。
2.根據權利要求1所述的一種基于多波長的數字全息三維形貌檢測裝置，所述的A半波片進行旋轉調整后，能夠改變空間光2a與空間光2b之間的光強比，進而改變平行參考光5a和物光7a的光強比，實現全息圖條紋對比度的調節。
3.根據權利要求1所述的一種基于多波長的數字全息三維形貌檢測裝置，所述的B半波片進行旋轉調整后，能夠保證空間光2a與空間光2b的偏振方向一致。
【文檔編號】G01B11/24GK104006763SQ201410259126
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月11日 優先權日:2014年6月11日
【發明者】潘鋒, 肖文, 陳宗暉, 閆貝貝, 楊洪建, 趙晨曉, 張旭紅 申請人:北京航空航天大學