一种被测体振动的相移数字全息三维测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术一种基于相移数字全息的精密表面三维形貌测量装置及方法，该装置包括：产生照射到在被测物体表面并返回的物光束及产生参考光的光束分束模块；接收光束分束模块的产生参考光，基于不同的电压力，产生不同增亮增程后物光束的不同参考光束的参考光束调整模块；接收光束分束模块的产生物光束，进行光束放大的透镜成像系统；接收参考光束调整模块的不同参考光束及透镜成像系统放大后的物光束，分别进行光束合并的第二偏振分光棱镜；对合并后的一系列光束分别发生干涉的线偏振片；对一系列干涉图像进行采集的图像采集模块；接收图像采集模块传送的一系列干涉图像，采用相移算法提取物光的相位信息实现被测体表面三维形貌的测量的计算机。测量的计算机。测量的计算机。

【技术实现步骤摘要】
一种被测体振动的相移数字全息三维测量方法及装置


[0001]本专利技术属于光学精密测量领域，涉及一种被测体振动的相移数字全息三维测量方法及装置.

技术介绍

[0002]近年来，数字全息术因其在三维形貌测量术中有强大的应用潜力而被广泛地关注和研究。根据全息图产生方式，数字全息可分为离轴和同轴数字全息。其中，离轴方式通过在物光与参考光之间引入一个夹角，从获得的单幅载频全息图中滤除零级像和共轭像的干扰，但是该方式不能充分利用CCD/CMOS等光电器件的空间带宽积。同轴记录方式中物光和参考光沿相同方向传播，能够充分利用CCD/CMOS的空间带宽积，然而需要通过在物光和参考光之间引入不同的相移量，再利用相移法直接提取同轴全息图中的物光信息。相移数字全息技术是以数字全息技术为基础，结合相移技术而形成的高精度、非接触测量手段，被广泛应用于工业检测及生物医学等多种领域。相移数字全息不仅具有数字全息技术的优势还具有更高的相位测量精度、更高的空间分辨率、较低的噪声水平。
[0003]相移干涉测量通过记录在物光与参考光之间引入不同相移量而形成与之对应的干涉图样，利用相应的相移算法和数字再现算法从相移干涉图样中重构被测样品的振幅及相位分布。被测样品的重构精度依赖精确的相移量信息，相移量通过压电陶瓷产生位移的方式实现，然而相移量信息受如下因素影响无法精确获取：(1)压电陶瓷材料的电致伸缩存在固有迟滞性和非线性误差，从而导致压电陶瓷移相器存在随机相移误差，使得实际的相移值偏离设定值；(2)环境振动不可避免的引起被测体以及相关元器件产生振动，振动导致参考光和物光之间引入分布式的未知相移量。因此，目前亟需一种针对被测体振动引起的分布式未知相移量的确定方法以实现精密被测体表面微观三维形貌的高精度测量。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术提供本专利技术采用的技术方案是：一种基于相移数字全息的精密表面三维形貌测量装置，包括：
[0005]产生照射到被测物体表面并返回的物光束及参考光束的光束分束模块；
[0006]接收光束分束模块产生的参考光，基于施加的不同的电压力，产生不同增加光程后的参考光束的参考光束调整模块；
[0007]接收光束分束模块的产生物光束的透镜成像系统；
[0008]接收经过参考光束调整模块的参考光束及经过透镜成像系统的物光束，对其进行合束的第二偏振分光棱镜；
[0009]对经过线偏振片的合束光形成的一系列干涉图像进行采集的图像采集模块；
[0010]接收图像采集模块传送的一系列干涉图像，采用相移算法提取物光的相位信息实现被测体表面三维形貌的测量的计算机。
[0011]所述被测物体为刚体模型。
[0012]进一步地：所述光束分束模块包括
[0013]产生光束的激光器；
[0014]对光束进行衰减的衰减器；
[0015]对衰减后光束进行扩束的扩束器；
[0016]对扩束后的光束进行改变光的偏振特性的第一半波片；
[0017]将改变光的偏振特性后的光束分为两路的第一偏振分光棱镜；第一路光为参考光束；
[0018]经过第一偏振分光棱镜分出的第二路光，经过四分之一波片照射到被测物体上，被测物体反射的光经过四分之一波片，返回到第一偏振分光棱镜后发生透射，形成物光束。
[0019]进一步地：参考光束调整模块包括
[0020]接收第一偏振分光棱镜分出的参考光束，对参考光束进行反射的反射镜；
[0021]对所述反射镜反射后参考光速改变偏振特性的第二半波片；
[0022]对所述第二半波片传送的参考光束改变光程的压电陶瓷相移器。
[0023]进一步地：压电陶瓷相移器接收计算机施加的不同电压实现相移，当给压电陶瓷施加驱动电压时，压电陶瓷上的平面反射镜沿光轴方向产生相应位移，从而取得不同相移量的全息图。
[0024]一种基于相移数字全息的精密表面三维形貌测量方法，包括以下步骤：
[0025]假设到达相机CCD/CMOS探测器平面的物光波、参考光复振幅分布分别为：
[0026][0027]式(1)中，A
o
(x,y)、A
r
(x,y)，记为A
o
、A
r
，为物光、参考光的振幅，，为物光、参考光的振幅，表示物光和参考光相位；
[0028]全息干涉图则为：
[0029][0030]式(2)中，表示物光和参考光相位差；
[0031]通过控制压电陶瓷产生位移的方式在参考光中引入相移量δ
i
，则不同相移量情况下的全息图干涉图表示为：
[0032][0033]式(3)中δ
i
为第i次相对于第一幅相移产生的相移量，如果以第一次测量时的参考光相位为基准，则δ1＝0；
[0034]被测体振动情况下沿光轴Z轴产生的位移引起的相移量误差分布为：
[0035]ε
i
(x,y)＝a
i
x+b
i
y+c
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0036]考虑被测体振动，式(3)干涉图更新为：
[0037][0038]考虑被测体振动导致的相移量误差影响，基于区域分块的思想对振动引起的相移量误差分布进行求解，确定相移量误差ε
i
(x,y)；
[0039]任一全息干涉图中被测体振动引起的相移量误差ε
i
(x,y)确定后，即可根据式(5)计算图像内每一点(x,y)的相位信息，具体如下：
[0040][0041]式(13)中，σ
i
＝σ
i
(x,y)＝ε
i
(x,y)+δ
i
,A＝A(x,y),,A＝A(x,y),I
i
＝I
i
(x,y)。其中，A(x,y)、B(x,y)、I
i
(x,y)、ε
i
(x,y)以及δ
i
定义如式(5)；
[0042]根据式(13)计算的u(x,y)和v(x,y)，物光和参考光相位差计算为：
[0043][0044]根据式(14)计算出的物光和参考光相位差信息，结合参考光的相位为常数，即可恢复出物光的相位信息，根据物光相位即可获取被测体表面三维形貌h(x,y)：
[0045][0046]进一步地：基于区域分块的思想对振动引起的相移量误差分布进行求解，确定相移量误差ε
i
(x,y)的过程如下：
[0047]S1:将一系列相移干涉图像按照相同的区域划分方式划分成M
×
N个小块划分区域，
[0048]S2:对每一个小块划分区域，假定该区域内振动引起的相移量误差是相同的，利用统计分析的方式求取平均的相移量误差；
[0049]S3:对所有小块划分区域的相移量误差求取完成后，利用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相移数字全息的精密表面三维形貌测量装置，其特征在于：包括：产生照射到被测物体表面并返回的物光束及参考光束的光束分束模块；接收光束分束模块产生的参考光，基于施加的不同的电压力，产生不同增加光程后的参考光束的参考光束调整模块；接收光束分束模块的产生物光束的透镜成像系统；接收经过参考光束调整模块的参考光束及经过透镜成像系统的物光束，对其进行合束的第二偏振分光棱镜；对经过线偏振片的合束光形成的一系列干涉图像进行采集的图像采集模块；接收图像采集模块传送的一系列干涉图像，采用相移算法提取物光的相位信息实现被测体表面三维形貌的测量的计算机。2.根据权利要求1一种基于相移数字全息的精密表面三维形貌测量装置，其特征在于：被测物体为刚体模型。3.根据权利要求1的一种基于相移数字全息的精密表面三维形貌测量装置，其特征在于：光束分束模块包括产生光束的激光器；对光束进行衰减的衰减器；对衰减后光束进行扩束的扩束器；对扩束后的光束进行改变光的偏振特性的第一半波片；将改变光的偏振特性后的光束分为两路的第一偏振分光棱镜；第一路光为参考光束；经过第一偏振分光棱镜分出的第二路光，经过四分之一波片照射到被测物体上，被测物体反射的光经过四分之一波片，返回到第一偏振分光棱镜后发生透射，形成物光束。4.根据权利要求1的一种基于相移数字全息的精密表面三维形貌测量装置，其特征在于：参考光束调整模块包括接收第一偏振分光棱镜分出的参考光束，对参考光束进行反射的反射镜；对所述反射镜传送反射后参考光速更变偏振特性的第二半波片；对所述第二半波片传送的参考光束改变光程的压电陶瓷相移器。5.根据权利要求1的一种基于相移数字全息的精密表面三维形貌测量装置，其特征在于：压电陶瓷相移器接收计算机施加的不同电压实现相移，当给压电陶瓷施加驱动电压时，压电陶瓷上的平面反射镜沿光轴方向产生相应位移，从而取得不同相移量的全息图。6.一种基于权利要求1
‑
5的一种基于相移数字全息的精密表面三维形貌测量方法，其特征在于：假设到达相机CCD/CMOS探测器平面的物光波、参考光复振幅分布分别为：式(1)中，A
o
(x,y)、A
r
(x,y)，记为A
o
、A
r
，为物光、参考光的振幅，，为物光、参考光的振幅，表示物光和参考光相位；全息干涉图则为：
式(2)中，表示物光和参考光相位差；通过控制压电陶瓷产生位移的方式在参考光中引入相移量δ
i
，则不同相移量情况下的全息图干涉图表示为：式(3)中δ
i
为第i次相对于第一幅相移产生的相移量，如果以第一次测量时的参考光相位为基准，则δ1＝0；被测体振动情况下沿光轴Z轴产生的位移引起的相移量误差分布为：ε
i
(x,y)＝a
i
x+b
i
y+c
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)考虑被测体振动，式(3)干涉图更新为：考虑被测体振动导致的相移量误差影响，基于区域分块的思想对振动引起的相移量误差分布进行求解，确定相移量误差ε
i
(x,y)；任一全息干涉图中被测体振动引起的相移量误差ε
i
(x,y)确定后，即可根据式(5)计算图像内每一点(x,y)的相位信息，具体如下：式(13)中，σ
i
＝σ...

【专利技术属性】
技术研发人员：何庆，刘通，尹文超，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：