專利名稱：連續(xù)變角度數(shù)字全息干涉測(cè)量的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種針對(duì)復(fù)雜面型物體連續(xù)變角度數(shù)字全息干涉測(cè)量的方法和裝置， 屬于光電測(cè)量技術(shù)的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
數(shù)字全息干涉測(cè)量(Digital Holographic Metrology)是一項(xiàng)利用全息照相的方法進(jìn)行干涉計(jì)量的技術(shù)，具有非接觸、全場(chǎng)測(cè)量、精度高、靈敏度高、測(cè)量迅速簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)， 可以用于平面度、共面度、厚度等面型參數(shù)的測(cè)量，在精密機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。經(jīng)文獻(xiàn)搜索發(fā)現(xiàn)，已有的數(shù)字全息信息解調(diào)方法分為兩種，第一種是相移解調(diào)方法，利用相移器引入已知的相移，獲得物體待測(cè)信息的包裹相位圖，然后經(jīng)過(guò)相移去包裹處理，獲得物體的全場(chǎng)彳目息。但是，當(dāng)物體的形狀復(fù)雜時(shí)，相位去包裹將無(wú)法進(jìn)行，所以這種方法只能適用于簡(jiǎn)單形狀物體。如呂曉旭在《激光技術(shù)》發(fā)表的論文“全息相移技術(shù)用于物體的三維面形測(cè)量”采用的相位解調(diào)的方法。第二種方法是Jowph C. Marron 在美國(guó)專利 5，926，277, “Method and apparatus for three-dimensional imaging using laser illumination interferometry” 和 Mater Michael J 在美國(guó)專 利 7,317,541 “Interferometry method based on the wavelength drift of an illumination source”提出的多波長(zhǎng)全息干涉測(cè)量方法。這種方法是利用可調(diào)諧激光器來(lái)產(chǎn)生多個(gè)波長(zhǎng)的激光，將波長(zhǎng)作為干涉信息的解調(diào)已知量，通過(guò)對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)照明下的干涉圖進(jìn)行處理，獲得物體的面型信息。這種方法雖然可以測(cè)量復(fù)雜型面，但是因?yàn)橐玫娇烧{(diào)諧激光器，存在設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，激光可調(diào)諧范圍窄、調(diào)諧精度有限等不足，限制了其實(shí)際應(yīng)用效果。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，本發(fā)明提出一種針對(duì)復(fù)雜面型物體連續(xù)變角度數(shù)字全息干涉測(cè)量的方法和裝置，在測(cè)量過(guò)程中利用精密改變角度的裝置改變物光和參考光的干涉角度，CCD攝像機(jī)記錄每個(gè)角度下包含物體高度信息的全息圖，將干涉角度作為干涉信息解調(diào)的已知量來(lái)求得物體高度信息。具體技術(shù)方案如下一種針對(duì)復(fù)雜面型物體的連續(xù)變角度數(shù)字全息干涉測(cè)量的裝置，包括計(jì)算機(jī)、CCD 攝像機(jī)、激光器、光纖分束器、光纖相移器、精密角度偏轉(zhuǎn)裝置、準(zhǔn)直透鏡組、合光棱鏡、離軸拋物面校準(zhǔn)鏡、和光纖等。激光器通過(guò)光纖與光纖分束器相連，光纖分束器將光纖中的光分為物光和參考光兩路光；在物光光纖的端口后設(shè)置拋物反射面鏡，物光被擴(kuò)展為一定范圍的平行光束，平行光束照射到被測(cè)物體上；在參考光路上設(shè)置光纖相移器，在參考光纖端口處連接參考光準(zhǔn)直透鏡組，參考光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后成為平行光，然后照射到一個(gè)平面反射鏡上，該平面反射鏡固定在一個(gè)能精密連續(xù)改變角度的精密驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)上，平面反射鏡反射的平行光經(jīng)過(guò)合光棱鏡后進(jìn)入CCD攝像機(jī)；經(jīng)成像透鏡后的物光光束和平面鏡反射的參考光光束在CCD攝像機(jī)的靶面上相干涉，形成干涉場(chǎng)；CCD攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)相連接，并將干涉場(chǎng)送入計(jì)算機(jī)中處理，得到待測(cè)物體的面型參數(shù)。其特征在于，所述的精密角度改變裝置可以多個(gè)角度、精密地改變參考光的方向， 從而改變物光和參考光的干涉角度。每一個(gè)角度下，物光和參考光干涉形成的干涉場(chǎng)都不一樣，通過(guò)CXD攝像機(jī)記錄下干涉場(chǎng)并送入計(jì)算機(jī)處理。本發(fā)明還提出了一種利用所述的測(cè)量裝置的全息干涉測(cè)量方法，在每一個(gè)參考光入射角度下，通過(guò)控制光纖相移器，采用相移法求得各個(gè)角度下物體的包裹相位值。把包裹相位值的余弦相加得到一個(gè)隨物體高度變化的曲線，在自變量為物體高度時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)峰值。在一定范圍內(nèi)對(duì)該函數(shù)的峰值進(jìn)行搜索，得到待測(cè)物體各點(diǎn)的高度信息。這種方法不需要相位去包裹過(guò)程，可以用于任意復(fù)雜形狀面型信息的測(cè)量。本發(fā)明采用連續(xù)精密改變參考光角度的方法實(shí)現(xiàn)全息干涉的信息解調(diào)，測(cè)得物體的面型高度信息，不僅使測(cè)量范圍變大，還使測(cè)量結(jié)果更加穩(wěn)定。由于精密改變角度裝置屬于機(jī)械裝置， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，更加利于實(shí)際推廣。而且，本發(fā)明在測(cè)量過(guò)程中對(duì)待測(cè)物體各點(diǎn)單獨(dú)測(cè)量，無(wú)需相位去包裹的過(guò)程，能夠測(cè)量形狀復(fù)雜、有間斷的物體的面型參數(shù)。


圖I是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明的測(cè)量流程圖。圖3是本發(fā)明利用相位包裹值余弦相加函數(shù)搜索物體高度的結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，本發(fā)明的連續(xù)變角度數(shù)字全息干涉測(cè)量的系統(tǒng)包括激光器I、光纖 2、光纖分束器3、離軸拋物面校準(zhǔn)鏡4、光纖相移器5、準(zhǔn)直透鏡組6、精密角度偏轉(zhuǎn)裝置7、合光透鏡8、成像透鏡9、CXD攝像機(jī)10、計(jì)算機(jī)11。附圖和下面的說(shuō)明是以精密角度偏轉(zhuǎn)裝置改變了 16個(gè)角度為例，說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方法。圖I中表示出本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，激光器I通過(guò)光纖2與光纖分束器3相連，光纖分束器3將光纖分為物光和參考光兩路光；在物光光纖的端口處設(shè)置離軸拋物面校準(zhǔn)鏡 4上，物光經(jīng)過(guò)離軸拋物面校準(zhǔn)鏡4反射到被測(cè)物體上；在參考光光纖上連接光纖相移器5， 在參考光光纖端口處連接準(zhǔn)直透鏡組6，經(jīng)過(guò)擴(kuò)束后的參考光照射在一面與精密角度偏轉(zhuǎn)裝置7相連的平面鏡上；平面反射鏡反射的平行光經(jīng)過(guò)合光棱鏡8與經(jīng)成像透鏡9的物光干涉后進(jìn)入CXD攝像機(jī)10，CXD攝像機(jī)10與計(jì)算機(jī)11相連接；圖2是本發(fā)明測(cè)量物體的具體流程圖。當(dāng)精密角度改變裝置使得物光和參考光干涉角度為Q16時(shí)，對(duì)于每個(gè)角度e，控制光纖相移器改變初始相位，CCD攝像機(jī)分別
采集初始相位為o、l 、^的干涉場(chǎng)信息圖；對(duì)這些信息圖，采用四步相移法求得各個(gè)角度
￡ 2
下物體的包裹相位值。把包裹相位值的余弦相加得到的一個(gè)函數(shù)，在自變量為物體高度時(shí)， 產(chǎn)生一個(gè)峰值。在一定范圍內(nèi)對(duì)函數(shù)峰值進(jìn)行搜素，得到待測(cè)物體各點(diǎn)的高度信息。圖3 是測(cè)量物體上一個(gè)高度為300nm的像素點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果
以上是本發(fā)明的一個(gè)具體說(shuō)明例，但是本發(fā)明并不限于該實(shí)施例。角度偏轉(zhuǎn)裝置改變的角度可以有所增減，采用的相移法不限于四步相移法。
權(quán)利要求
1.一種針對(duì)復(fù)雜面型物體的連續(xù)變角度數(shù)字全息干涉測(cè)量的裝置，包括激光器，光纖，光纖分束器，離軸拋物面校準(zhǔn)鏡，光纖相移器，準(zhǔn)直透鏡組，平面反射鏡，成像透鏡，精密角度偏轉(zhuǎn)裝置，合光棱鏡，CCD攝像機(jī)，計(jì)算機(jī)；激光器通過(guò)光纖與光纖分束器相連，光纖分束器將光纖中的光分為物光和參考光兩路光；在物光光纖的端口后設(shè)置離軸拋物面校準(zhǔn)鏡，物光被擴(kuò)展為一定范圍的平行光束，平行光束照射到被測(cè)物體上；在參考光路上設(shè)置光纖相移器，在參考光纖端口處連接準(zhǔn)直透鏡組，參考光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后成為平行光，然后照射到一個(gè)平面反射鏡上，該平面反射鏡固定在一個(gè)能精密連續(xù)改變角度的精密驅(qū)動(dòng)角度偏轉(zhuǎn)裝置上，平面反射鏡反射的平行光經(jīng)過(guò)合光棱鏡后進(jìn)入CCD攝像機(jī)；被測(cè)物體反射的物光束經(jīng)成像透鏡后，和平面鏡反射的參考光束在CCD攝像機(jī)的靶面上相干涉，形成干涉場(chǎng)；CCD攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)相連接；其特征在于，所述的精密角度偏轉(zhuǎn)裝置在測(cè)量過(guò)程中可以多個(gè)角度改變參考光的方向，進(jìn)而改變物光和參考光的干涉角度；通過(guò)CCD攝像機(jī)記錄下不同干涉角度形成的干涉場(chǎng)并送入計(jì)算機(jī)處理，獲得物體高度信息。
2.利用權(quán)利要求I所述的裝置的全息干涉測(cè)量方法，其特征在于，通過(guò)控制光纖相移器，采用相移法求得各個(gè)參考光入射角度下物體的包裹相位值；把包裹相位值的余弦相加的函數(shù)曲線，在自變量為物體高度時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)峰值；在一定范圍內(nèi)對(duì)函數(shù)峰值進(jìn)行搜素， 得到待測(cè)物體各點(diǎn)的高度信息。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種針對(duì)復(fù)雜面型的連續(xù)變角度數(shù)字全息干涉測(cè)量的方法和裝置，屬于光電測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括激光器、光纖分束器、光纖相移器、精密角度偏轉(zhuǎn)裝置、離軸拋物面校準(zhǔn)鏡、準(zhǔn)直透鏡組、合光棱鏡、光纖、CCD攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)等。其特點(diǎn)是系統(tǒng)中的精密角度偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)可以多個(gè)角度、精密地改變參考光方向。每改變一個(gè)角度，參考光和物光干涉產(chǎn)生的全息圖都會(huì)變化。通過(guò)控制光纖相移器，采用相移法求得各個(gè)角度下物體的包裹相位值。對(duì)包裹相位值的余弦相加得到函數(shù)進(jìn)行峰值搜索，就可以得到物體各點(diǎn)的高度信息。本發(fā)明在測(cè)量過(guò)程中對(duì)待測(cè)物體各點(diǎn)單獨(dú)測(cè)量，不需要相位去包裹的步驟，能夠測(cè)量形狀復(fù)雜的、有間斷的物體的面型參數(shù)。
文檔編號(hào)G01B11/02GK102589440SQ20121000682
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者羅興, 賈書(shū)海, 陳花玲 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)