一種基于多波長和多偏振態(tài)的數(shù)字全息三維形貌檢測裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三維形貌檢測系統(tǒng)，更特別地說，是指一種基于多波長和多偏振態(tài)的數(shù)字全息三維形貌檢測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字全息技術(shù)利用(XD、CMOS等光電成像探測器件作為記錄介質(zhì)，并以數(shù)字形式記錄全息圖，利用計算機以數(shù)字方法模擬再現(xiàn)光學(xué)衍射過程，重構(gòu)三維光場，同時獲得光場的振幅和相位信息。其優(yōu)點包括:⑴以非接觸方式檢測，對被測物影響很小；⑵記錄與再現(xiàn)過程都以數(shù)字化形式完成，可對物體的三維信息進行定量分析；(3)在數(shù)字重構(gòu)過程中，可方便地運用數(shù)字圖像處理技術(shù)改善數(shù)據(jù)質(zhì)量。
[0003]為了將數(shù)字全息技術(shù)應(yīng)用于高粗糙度或表面非連續(xù)的物體三維形貌檢測，并獲得高質(zhì)量的測量結(jié)果，需要解決一些技術(shù)問題:(I)數(shù)字全息三維形貌檢測的測量范圍僅在波長量級，并且往往存在相位包裹現(xiàn)象，對物體表面非連續(xù)的區(qū)域，不能通過解包裹操作獲取正確的相位分布，限制了該技術(shù)的應(yīng)用范圍；(2)在數(shù)字全息檢測過程中，記錄的數(shù)據(jù)會包含散斑噪聲，散斑噪聲嚴重影響檢測結(jié)果的精度，會造成再現(xiàn)像失真以及細節(jié)丟失，因此減小散斑對實現(xiàn)高精度的三維形貌檢測具有重要意義；(3)需合理設(shè)計光路，使結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性高，便于操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種基于多波長和多偏振態(tài)的數(shù)字全息三維形貌檢測裝置。本裝置采用數(shù)字全息方法，結(jié)合多波長測量技術(shù)，可用于表面非光學(xué)平滑、高粗糙度、表面結(jié)構(gòu)不連續(xù)且起伏較大的物體的三維形貌檢測；同時結(jié)合光波偏振態(tài)對散斑分布的影響，對不同偏振態(tài)下的多幅全息圖進行信息融合，可有效抑制散斑對再現(xiàn)像的影響，提高信噪比。在光路中，為了擴大測量范圍，分別使用不同波長的激光測量被測物體，并對各自得到的再現(xiàn)相位圖做迭代相減處理，進而獲得被測物體的正確的三維形貌分布。散斑噪聲是雜亂無章的干擾信息，其分布情況會受到照明光的影響，改變照明光的偏振方向會改變散斑噪聲的分布，不同的散斑分布之間為非相關(guān)關(guān)系，因此多次疊加處理的結(jié)果趨于零。為了減弱散斑噪聲，在每個波長下，通過調(diào)節(jié)半波片多次改變光波的偏振方向，在多個不同的偏振方向下對分別被測物體進行檢測，再對這些結(jié)果進行疊加處理，得到該波長下抑制散斑噪聲后的檢測結(jié)果。
[0005]本發(fā)明的一種基于多波長和多偏振態(tài)的數(shù)字全息三維形貌檢測裝置，包括激光光源、分光及更改偏振態(tài)單元、第一光束準直單元、第二光束準直單元、被測物體、光程補償及光束偏轉(zhuǎn)單元和CMOS相機。
[0006]激光光源是一臺波長可調(diào)諧激光器，激光器中LD I波長可調(diào)諧范圍為635nm-653nm, LD2波長可調(diào)諧范圍為652nm_668nm，LD3波長可調(diào)諧范圍為665nm_682nm。
[0007]分光及更改偏振態(tài)單元一方面用于接收從光源入射的激光，另一方面將激光分為兩束偏振方向可變化的線偏振光，并分別輸入兩個光束準直單元。其中，可調(diào)衰減器用于調(diào)節(jié)入射激光的光強；A半波片用于調(diào)整入射激光的偏振方向，并與偏振分光棱鏡配合實現(xiàn)透射光和反射光的光強比連續(xù)可調(diào)；偏振分光棱鏡用于將入射激光分為兩束線偏振光；B半波片和C半波片分別用于調(diào)整透射光和反射光的偏振方向，使兩束光的偏振方向保持一致，并且可以更改兩束光的偏振方向，實現(xiàn)多偏振態(tài)檢測的目的；第一檢偏器和第二檢偏器分別用于檢測和記錄透射光和反射光的偏振方向。
[0008]第一光束準直單元和第二光束準直單元具有相同的結(jié)構(gòu)，均由空間濾波器和平凸透鏡構(gòu)成，空間濾波器用于對入射光束進行擴束，平凸透鏡用于輸出平行光束。
[0009]光程補償及光束偏轉(zhuǎn)單元用于補償、調(diào)節(jié)參考光路的光程，使物光光路和參考光路的光程基本相同；并且調(diào)節(jié)參考光的角度，使物光和參考光之間存在一個適當(dāng)?shù)奈⑿A角，形成離軸干涉全息。
[0010]CMOS相機用于捕獲、記錄數(shù)字全息圖。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0012](I)采用多波長方法擴展測量物體形貌縱向范圍，避免相位包裹，根據(jù)被測物體表面的縱向深度選取激光波長和波長差，在保證精度的同時避免了相位的不確定性，可用于表面粗糙度高、縱向起伏大、結(jié)構(gòu)不連續(xù)的平面型物體的三維形貌測量；
[0013](2)分光及更改偏振態(tài)單元同時輸出兩束線偏振光，并可以精確控制照明光和參考光的偏振態(tài)和光強比；
[0014](3)本發(fā)明通過多次改變照明光和參考光的偏振方向，可以在非接觸、原位探測的前提下，記錄多幅包含物體信息以及不同散斑分布的數(shù)字全息圖，進而通過融合上述全息圖的再現(xiàn)像，可顯著抑制散斑噪聲，得到高精度的三維形貌分布，并且通過改變偏振方向的方式抑制散斑噪聲無需在光路中加入過多新的器件，保持了全息光路的簡潔，也無需對光束方向、物體位置等進行附加調(diào)整，降低了操作難度，提高了檢測的穩(wěn)定性；
[0015](4)光程補償及光束偏轉(zhuǎn)單元可以精確補償物光光路和參考光路的光程差，并且調(diào)整物光和參考光之間的夾角，以形成清晰的干涉條紋；
[0016](5)本發(fā)明觀測裝置結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡單，穩(wěn)定性高。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明數(shù)字全息三維形貌檢測裝置的光路傳輸結(jié)構(gòu)框圖；
[0018]圖2是本發(fā)明分光及更改偏振態(tài)單兀的光路傳輸結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖3是本發(fā)明光程補償及光束偏轉(zhuǎn)單元的光路傳輸結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖中:
[0021]1-激光光源
[0022]2 -分光及更改偏振態(tài)單兀
[0023]3 -第一光束準直單元
[0024]4 -被測物體
[0025]5 -第二光束準直單元
[0026]6 -光程補償及光束偏轉(zhuǎn)單元
[0027]7 - CMOS 相機
[0028]8 -第一平面反射鏡
[0029]9 -第二平面反射鏡
【具體實施方式】
[0030]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0031]如圖1所示，本發(fā)明是一種基于多波長和多偏振態(tài)的數(shù)字全息三維形貌檢測裝置，該裝置包括有激光光源1、分光及更改偏振態(tài)單元2、第一光束準直單元3、被測物體4、第二光束準直單元5、光程補償及光束偏轉(zhuǎn)單元6和CMOS相機7。其中，第一光束準直單元3和第二光束準直單元5具有相同的結(jié)構(gòu)。
[0032]激光光源I產(chǎn)生激光la，激光Ia輸入至分光及更改偏振態(tài)單兀2 ；
[0033]激光光源I用于提供635nm-682nm的激光la，即光信息，該光源提供了中心波長范圍為635nm-682nm的單縱模激光，可以選取韓國NAN0BASE公司生產(chǎn)的型號為Xperay-TL-STD的激光器。根據(jù)被測物體的表面結(jié)構(gòu)特征和精度要求，通過調(diào)諧激光器，采用一系列波長分別照明物體并進行全息記錄，測量同一物體，進而通過全息再現(xiàn)計算和數(shù)字拍頻融合，得到合成波長下的物體全息再現(xiàn)像。本裝置采用的激光器能夠?qū)崿F(xiàn)波長連續(xù)可調(diào)，波長精度可達0.0Olnm，相應(yīng)的合成波長可達幾十厘米，因此顯著提高了全息檢測縱向測量范圍，同時其測量精度保持在亞波長量級。
[0034]分光及更改偏振態(tài)單元2如圖2所示，包括可調(diào)衰減器2-1、Α半波片2_2、偏振分光棱鏡2-3、B半波片2-4、第一檢偏器2-5、C半波片2_6、第二檢偏器2_7。分光及更改偏振態(tài)單元2用于接收從激光光源I出射的激光la，將其分為空間線偏振光2a和2b輸出，并且可以調(diào)整兩束光的光強比(一般為1:5?5:1)和偏振方向。
[0035]激光Ia經(jīng)可調(diào)衰減器2-1、A半波片2_2后，入射到偏振分光棱鏡2_3，被分為兩束偏振方向正交的透射光和反射光；其中透射光經(jīng)B半波片2-4和第一檢偏器2-5后形成空間線偏振光2a，進入物光光路；反射光經(jīng)C半波片2-6和第二檢偏器2-7后形成空間線偏振光2b，進入?yún)⒖脊饴贰?br>[0036]在本發(fā)明中，調(diào)節(jié)A半波片2-2可以改變光束2a和2b光強比(一般為1:5?5:1)，實現(xiàn)全息圖干涉條紋對比度的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)B半波片2-4可以在O至180度范圍內(nèi)改變透射光2a的偏振方向，并由第一檢偏器2-5檢測并記錄透射光2a的偏振方向；調(diào)節(jié)C半波片2-6可以在O至180度范圍內(nèi)改變反射光2b的偏振方向，并由第二檢偏器檢測并記錄反射光2b的偏振方向。通過半波片和檢偏器相配合，保證透射光2a和反射光2b的偏振方向相同。在檢測過程中，以固定的角度間隔多次改變透射光2a和反射光2b的偏振方向，在每一個偏振方向下均對被測物體進行一次檢測并記錄數(shù)字全息圖。如此記錄多幅對應(yīng)不同偏振方向的全息圖，對記錄的全息圖均進行數(shù)值再現(xiàn)，并將所有角度下再現(xiàn)像的相位分布進行疊加平均。散斑為非相