一种用于二维光程分布的绝对测量的装置，包括：光源(4)，用于以具有多个波长的光照明物体(26)；干涉仪(12)，用于形成物体的至少一部分的图像，该图像包括宽带干涉图；高光谱成像器(30)，与干涉仪光学连接，用于将宽带干涉图光谱地分成多个窄带二维干涉图(72，74，76)；寄存器(38)，用于空间地记录窄带干涉图；提取器，用于从每个窄带干涉图中相应的像素中提取一维光强信号；以及计算器(100)，用于针对对象上的每一点，根据与该点关联的一维光强信号计算出频率。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于ニ维光程分布的绝对测量的装置，以及，特别地但不唯一地涉及用于测量三维轮廓的这种装置。
技术介绍
使用干涉法测量绝对光程差是已知的。干渉法是ー种用于测量物体和參考表面之间距离的完善的光学技术，精确度能达到光的波长的几分之一。虽然有些时候用在逐点或逐线的配置中，但其用于以干涉图的形式提供ニ維信息时是最強大的。商用的示例包括光源元件测试、使用散斑干渉法的位移场测量以及使用扫描白光干渉法(SWLI)的小尺寸机械和电子器件的轮廓测定法。用于根据双光束干涉仪的光强分布的一般方程由下式给出I (x, y, k) = I0 (x, y) +I1 (x, y) cos [kz (x, y) + 0](I)其中，X和y是图像平面坐标系，z是物体和參考表面之间的光程差，!是波之间的相位差，k是波数2^1/入，其中\是光束的波长，以及Itl和I1分别是直流(Itl)和调制(I1)強度。如果使用例如激光器的窄带光源，方程(I)可应用于不同类型的双光束干涉仪(例如，迈克尔逊、马赫-泽德，等)，不论波前是平滑还是有散斑的。ー种已知的分析使用单波长干涉仪生成的干涉图的方法是引入已知的相位差小。。通过随着时间改变小。，记录ー系列干涉图，可记下ー组方程，从中可提取出包络的相位分布= W{kz(x, y)},其中W表示在-至的范围上包络给定的相位值的包络操作。1另ー方面，真正的光程差函数z(x，y)与展开的相位分布cK成正比z (x, y) = 4)u(x, y) /k(2)反过来，(K与小w相关，关系如下4>u(x, y) = 4)w(x, y)+2 v(x, y)(3) 其中，V (x, y)是整数场变量。相位展开的过程，即确定v(x，y)场，对光程差沿着X和y平滑变化的情形是非常简单的。然而，大多数时候并不是这种情況。一旦空间相位梯度超过每像素ー个n值，则仅基于相位数据，v(x，y)没有唯一的解，因而相位展开是不可能的。即使相位场是连续的，相位分布的展开对2 的常量整数倍也是不确定的。这被称为现有单波长干渉法的唯一性问题。第二难题是，測量多个干涉图(或光强图像)和执行它们之间的相位漂移需要的有限的获取时间。外界扰动(振动，湍流，等)在施加的相位差中会导致大的误差，因而在测量的相位上也导致了大的误差。2’3通过使用空间的(与时间的相反)相位漂移技术和脉冲激光照明，可有效地消除第二难题。然而，这些技术并没有克服唯一性问题。解决前述对于唯一性问题的部分措施是记录两个波长入ェ和入2上的干涉图。鉴于采用单波长干涉仪，光程差对、的整数倍是未知的，采用双波长，光程差对合成波长入3的整数倍是未知的，合成波长由下式给出As=X1Aylh-X2I(4)虽然这种方法可将清楚的光程差提高ー个量级，但在可见波长上这仍相应于亚10 级的清楚的光程差范围。通过减少IX1-X2I増加Xs，则增加了展开误差的风险，因此需要更多数量的光强测量值来获得足够的信噪比。获得足够的数据点需要的时间意味着这种全场双波系统对外界扰动是非常敏感的。另ー解决方案涉及在被称为波长扫描干渉法(WSI)的技术中使用可调激光源。使用视频摄像机来记录在一组离散波长上的干涉图序列。4_6与双波长干涉法相比，多波长方法提供了显著地更好的动态范围，但需要记录较长时间的序列仍使得该技术易受外界扰动。 第三种解决方案被称为扫描白光干渉法(SWLI)，其构成了许多现有商用绝对光程长度测量仪器的原理。7_9在SWLI中，使用宽带照明灯照明样本。仅在样本上光程差接近于零的区域上观察到高可视度的条纹。通过机械地扫描样本或參考镜，最大条纹可视度的位置记录在像素基上，这允许了当视场内的所有点通过零光程差表面时，生成完全的光程差地图。这种技术的问题在于对昂贵的机械扫描装置的需要。另外，这种技术也易受到外界扰动的影响。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供用于ニ维光程分布绝对测量的装置，其包括光源，用于以具有多个波长的光照明物体；干涉仪，用于形成物体的至少一部分的图像，该图像包括宽带干涉图；高光谱成像器，与干涉仪光学连接，以将宽带干涉图光谱地分隔成多个窄带ニ维干涉图；寄存器，用于空间地记录窄带干涉图；提取器，用于从每个窄带干涉图中相应的像素中提取ー维光强信号；以及计算器，用于针对物体上的每一点，根据与该点关联的一维光强信号计算出频率。根据本专利技术的第二方面，提供用于测量物体的三维形状的装置，该装置包括根据本专利技术第一方面的装置。因而，本专利技术提供了适于以具有多个波长的光同时照明待测物体的2-D干涉仪。随后，采用构成本专利技术一部分的高光谱成像系统分隔出不同的波长带宽。本文中使用的术语“高光谱成像器”描述用于执行高光谱成像的装置。本文中使用的术语“高光谱成像”描述同时获得同一区域在多个窄的、连续的频带上的图像的过程。通过高光谱成像过程获得的高光谱数据包括多个连续的频带。高光谱成像器可用于获得包括多个连续光谱带的高光谱数据。由于入射光中包含有多个波长，上文提及的唯一性问题得到了解决。此外，由于以具有多个波长的光同时照明待测物体，在单次照明中即可測定物体表面的轮廓，在实践中这消除或减弱了外界扰动对测量值的影响。通过本专利技术，可产生表示被照明的物体表面上的点的多个ニ维窄带干涉图。如果照明的物体是光学平滑的，由于对生成的每个干涉图都使用了窄带宽照明，产生的干涉图将包括条纹。如果物体是光学粗糙的，则可见一散斑场，而不是干涉条纹。这是由于反射光的初相位是随机的。在每种情况下，一窄带干涉图和下一干涉图上给定像素上的干涉图相位差为与该像素上的z值成正比的量。光源可包括适于以具有连续宽带光谱中的多个波长的光照明物体的宽带光源。在另ー实施例中，光源可包括与频率调制器操作地连接的宽带光源。在本专利技术其它的实施例中，光源可包括光频梳源。光频梳定义为包含多个窄谱线的光。通常，窄谱线在频率上均匀地间隔开，但是在一些实施例中，窄谱线在频率上也可不均勻地间隔开。本专利技术的一个实施例中，高光谱成像器包括适于在多个相邻模式上同时操作的锁模激光器。通过以这种方式操作激光器，可生成光频梳。在本专利技术的其它实施例中，宽带光源可包括波长可调的窄带光源，其可操作地与高频调制器连接，例如高频阶跃函数发生器。通过对波长可调窄带光源的波长进行高频地阶跃(st印ping)，可产生合成的、或表观的光频梳源。在本专利技术的这种实施例中，调制器可适于产生比物体被照明的时间的倒数高的频率。此外，调制器，例如阶跃函数发生器，可适于在物体被照明或记录宽带干涉图需要的时间期间阶跃通过需要的波长。具有包括光频梳源的光源的优点是，仅产生需要频率上的光。因此可以理解，在本说明书中，术语“宽带光源”可被解释为包括与频率调制器可操作地连接的窄带光源，其中频率调制器适于以高频调节窄带光源的波长。例如，曝光时间为Ims,则几KHz或更多的调制频率可满足需求。在本专利技术的实施例中，光源包括产生具有连续波长带宽中的多个波长的光的宽带光源，高频成像器可进ー步包括标准器。标准器作为梳滤波器，使得一组在波数上均匀隔开的离散波长进入高频成像系统。在上文描述的产生光谱梳的实施例中，装置适于将宽带干渉图光谱地切分(slice)并生成多个窄带ニ维干涉图。光谱切分可被描述为在用于照明物体的光的光谱分布中制造本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.07.23 GB 0912799.41.一种用于ニ维光程分布的绝对测量的装置，包括 光源，用于以具有多个波长的光照明物体； 干涉仪，用于形成物体的至少一部分的图像，该图像包括宽带干涉图； 高光谱成像器，与干涉仪光学连接，用于将宽带干涉图光谱地分成多个窄带ニ维干涉图； 寄存器，用于空间地记录窄带干涉图； 提取器，用于从每个窄带干涉图中相应的像素中提取ー维光强信号；以及 计算器，用于针对对象上的每一点，根据与该点关联的一维光强信号计算出频率。2.根据权利要求I的装置，其中光源包括与频率调制器操作地连接的窄带光源。3.根据权利要求I的装置，其中光源包括光频梳源。4.根据权利要求I或2的装置，其中高光谱成像器进ー步地包括标准器。5.根据前述任ー权利要求的装置，其中高光谱成像器包括设置在干渉仪下游的色散元件。6.根据权利要求1-4之一的装置，其中高光谱成像器包括设置在干涉仪下游的已写入多个布拉格光栅的反射型立体全息图。7.根据前述任ー权利要求的装置，进ー步地包括与高光谱成像器可操作地连接的数据处理器。8.根据前述任ー权利要求的装置，其中高光谱成像器包括光电探测器阵列。9.根据前述任ー权利要求的装置，包括用于照明物体的多个光源。10.根据权利要求9的装置，其中多个宽带光源生成的光的带宽彼此之间光谱地隔开。11.一种用于ニ维光程分布的绝对测量的方法，包括下述步骤 通过将...
【专利技术属性】
技术研发人员：J·M·亨特利，P·D·鲁伊兹，T·威查纳尔科，
申请(专利权)人：拉夫伯勒大学，
类型：发明
国别省市：
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