三维干涉成像光谱方法技术

本发明专利技术公开了一种新型的三维干涉成像光谱方法，利用双缝干涉装置，在物体前放置一个狭缝作为主波源，双缝作为子波源，用一柱面镜收集干涉光束，并用二维ＣＣＤ探测器置于柱面镜的象平面上接收。本发明专利技术将干涉成像光谱技术和光学三维测量技术有机的结合起来，能同时测量物体三维空间信息和光谱信息，且可以直接将这些信息处理合成为物体的三维彩色照片。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于三维干涉成像光谱
，尤其涉及一种同时获取物体的三维空间 立体信息和一维光谱信息的方法。
技术介绍
成像光谱技术指的是获取一系列具有二维空间坐标的光谱图，利用特征光谱达到 识别目标的技术，其实质是既获得目标的空间图像，又得到其对应的光谱曲线。随着科学技术的发展，获取更多信息量即从获得二维空间信息到获取三维空间 信息；从单一的可见光成像向多谱段范围延伸；从只获取空间分辨信息到既获得空间信 息，又获得光谱信息，已是一种趋势。到目前为止，已见报道的各种干涉成像光谱技术均是在如何提高光通量、光谱分 辨率、视场等主要技术指标方面取得进展，但无论何种形式的干涉成像光谱技术仍只能获 取二维空间信息和一维光谱信息；而各种三维面形测量技术也仅是在不断提高测量速度和 测量精度，但仍只能测量物体表面各点的空间坐标，不能得到物体的光谱信息。特别是在三 维测量技术中，随着工业的发展和技术的革新，在动漫制作、模具加工等行业中，要求获得 颜色渲染的彩色三维数据，而目前在彩色三维数字化技术方面的主要方法有彩色编码法 即通过投射彩色光线到物体表面，拍摄彩色图像进行分析和计算得到彩色三维信息；运用 激光平面主动扫描测量物体表面彩色三维数据，再通过手动操作进行数据拼接。这些方法 由于需要多次拍摄再将数据融合，因此从本质上都需要进行相同点数据的对准和匹配，计 算量较大且对准的精度难以保证。
技术实现思路
本专利技术提供了一种可同时获取物体的三维空间立体信息和一维光谱信息的三维 干涉成像光谱方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是1.设置一个双缝干涉装置，被测物体前放置一个狭缝；2.被测物体反射光在双缝后产生干涉，使用一柱面镜将干涉光束收集到水平方向 (沿二维(XD探测器某一行且平行于纸面)；3.用二维(XD探测器置于柱面镜的象平面上接收干涉图；4.狭缝上位于沿狭缝(垂直于纸面)方向的不同视场点的干涉强度分布被探测器 的不同行接收，从而获得一维光谱和物体沿狭缝方向的一维空间信息，再推扫物体经过狭 缝时，即可获得物体平面的空间信息；5.进行傅立叶变换并计算波长各谱段的RGB值，获得被测物体的单色光谱图和复 色照片；6.将双缝中的一条平移离开被测物体一段距离，用波长可调制的激光二极管作为 照射光源，通过测量位相的变化值获得被测物体的长度值，即是深度信息。本专利技术具有的优点是1)本测量方法可以多获得一维待测物的空间深度信息；和现有的三维测量技术 相比，可以多获得物体的光谱信息。2)由于可以通过对干涉图进行傅立叶变换获得待测物上每一点的多光谱信息，即 获得了待测物的一系列单色谱照片，因此很容易直接将这些照片合成为物体的三维彩色照 片，避免了现有彩色三维测量技术中数据的拼接和对准问题。3)测量为非接触式，线扫描方式，使适用的场合更加广泛，也较大程度地提高了测量效率。4)采用波长可调的激光二极管测量相位的变化，避免了通常三维几何量测量中所 采用的条纹投影法所带来的相位不确定性带来的缺点。附图说明下面结合附图对本专利技术作详细说明图1为干涉成像原理图；图2为纵向深度信息测量原理图。附图标记S-被测物前的狭缝、Sr双缝干涉装置的第一狭缝、S2_双缝干涉装置的第二狭缝、S2’ -位置移动前双缝干涉装置的第二狭缝的狭缝位置、S3-位置移动后的双缝干涉装置的第二狭缝、CL-柱面镜；II -柱面镜焦平面；L-可调制的激光二极管。具体实施例方式二维空间信息和一维光谱信息的测量方法利用双缝干涉装置形成一种空间调制型的干涉成像光谱仪。如图1所示双缝Sp s2垂直于纸面，物体前放置了一个狭缝S，位于狭缝Si、S2的对称轴上。Si、S2可以看做是由 S发射的光波上的两个子波源。只要Si、S2的连线方向与X轴平行，则干涉图总是平行与Z 轴(垂直于纸面向里)的直线条纹。设装置位于空气中，则光程差的表达式为<formula>formula see original document page 4</formula>(1)二维CCD探测器置于柱面镜CL的象平面上接收干涉图；柱面镜CL将干涉光束收 集到水平方向(沿探测器某一行平行于纸面)，这样，狭缝上位于垂直于纸面方向的不同视 场点的干涉强度分布被探测器的不同行接收，这些干涉强度分布经傅立叶变换即可得到目 标点的光谱分布，从而获得一维光谱和一维沿Z轴方向的空间信息。当推扫物体经过狭缝时，即可获得另一维即X轴方向的空间信息。狭缝S在这里还 限制待测物体(光源)的大小对干涉图调制度的影响。由于柱面镜在纸面内没有光焦度， 因此不影响光程差的结论。采集到的干涉图经图像采集卡后由专门编制的干涉图处理软件 对其进行傅立叶变换和后继处理，获得待测目标的单色光谱图和复色照片。狭缝高度方向上的空间分辨率由狭缝的高度和CCD的行数来决定；狭缝宽度上的空间分辨率由狭缝本身的宽度来决定。例如，狭缝的宽度为0. 1毫米，高为10毫米左右，则 X轴方向的空间分辨率就是狭缝的宽度，Z轴的空间分辨率则和狭缝的高度以及CCD的垂直 象元数有关，若采用的(XD相机为1024X1024，则Z轴方向的空间分辨率为0. 16'。光谱 分辨率由光程差来决定，若双缝间距离为10mm，双缝距(XD相机350毫米，若(XD的象元尺 寸为10u，则光谱分辨率约为32CHT1。光轴方向深度空间信息的测量方法若将S到Si的光程写成，则两个子光源的初相位 差为灼。=。其中K为波数。一般情况下S都位于X = 0的平面内，因此有彻此时从S点到P点的光程差为<formula>formula see original document page 5</formula>此时的光程差表达式中并没有关于沿Y轴方向变化的参量。如图2所示，为了获得目标的深度信息(即沿Y轴方向的空间信息)，将狭缝S2沿 Y轴方向平移距离H，改称为狭缝S3，并用扩束后的激光光源L照明狭缝S。此时的初始相 位差奶C-钓G将不再等于零。在图2的坐标系中，各点的坐标分别为S(0，-(a+d))、Sjl/2，_d)； S3(-l/2，-(d-H))、P(x，0)；利用两点间距离公式和级数展开公式可以得到<formula>formula see original document page 5</formula>(2)如果a >> H，则上式可以简化为<formula>formula see original document page 5</formula>(3)继续推导可以得出<formula>formula see original document page 5</formula>(4)因此总的光程差为<formula>formula see original document page 5</formula>(5)此时目标沿Y轴的空间信息已包含在光程差的表达式中。即沿Y轴方向，目标上 不同的点具有不同的a值，因而具有不同的光程差和相位差。此时得到的激光干涉图可以表示为<formula>formula see original document 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维干涉成像光谱方法，其特征在于，同时获取物体的三维空间立体信息和一维光谱信息，包括以下步骤：－设置一个双缝干涉装置，被测物体前放置一个狭缝；－被测物体反射光在双缝后产生干涉，使用一个柱面镜将干涉光束收集到沿探测器某一行的水平方向；－用二维ＣＣＤ探测器置于柱面镜的象平面上接收干涉图；－狭缝上沿狭缝方向的不同视场点的干涉强度分布被探测器的不同行接收，从而获得一维光谱和物体沿狭缝方向的一维空间信息，再推扫被测物体，即可获得物体平面的空间信息；－进行傅立叶变换并计算波长各谱段的ＲＧＢ值，获得被测物体的单色光谱图和复色照片；－将双缝中的一条平移离开被测物体一段距离，用于产生不为零的初始相位差；－用波长可调的激光光源作为照射光源，通过测量位相的变化值获得被测物体沿光轴方向的长度值。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高瞻，林泽鸣，陈筱磊，冯其波，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]