專利名稱：連續變角度數字全息干涉測量的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種針對復雜面型物體連續變角度數字全息干涉測量的方法和裝置， 屬于光電測量技術的領域。
背景技術：
數字全息干涉測量(Digital Holographic Metrology)是一項利用全息照相的方法進行干涉計量的技術，具有非接觸、全場測量、精度高、靈敏度高、測量迅速簡便等優點， 可以用于平面度、共面度、厚度等面型參數的測量，在精密機械、航空航天等領域具有廣闊的應用前景。經文獻搜索發現，已有的數字全息信息解調方法分為兩種，第一種是相移解調方法，利用相移器引入已知的相移，獲得物體待測信息的包裹相位圖，然后經過相移去包裹處理，獲得物體的全場彳目息。但是，當物體的形狀復雜時，相位去包裹將無法進行，所以這種方法只能適用于簡單形狀物體。如呂曉旭在《激光技術》發表的論文“全息相移技術用于物體的三維面形測量”采用的相位解調的方法。第二種方法是Jowph C. Marron 在美國專利 5，926，277, “Method and apparatus for three-dimensional imaging using laser illumination interferometry” 和 Mater Michael J 在美國專 利 7,317,541 “Interferometry method based on the wavelength drift of an illumination source”提出的多波長全息干涉測量方法。這種方法是利用可調諧激光器來產生多個波長的激光，將波長作為干涉信息的解調已知量，通過對多個波長照明下的干涉圖進行處理，獲得物體的面型信息。這種方法雖然可以測量復雜型面，但是因為要用到可調諧激光器，存在設備結構復雜，成本高，激光可調諧范圍窄、調諧精度有限等不足，限制了其實際應用效果。

發明內容
針對現有技術的不足和缺陷，本發明提出一種針對復雜面型物體連續變角度數字全息干涉測量的方法和裝置，在測量過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攝像機記錄每個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的已知量來求得物體高度信息。具體技術方案如下一種針對復雜面型物體的連續變角度數字全息干涉測量的裝置，包括計算機、CCD 攝像機、激光器、光纖分束器、光纖相移器、精密角度偏轉裝置、準直透鏡組、合光棱鏡、離軸拋物面校準鏡、和光纖等。激光器通過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置拋物反射面鏡，物光被擴展為一定范圍的平行光束，平行光束照射到被測物體上；在參考光路上設置光纖相移器，在參考光纖端口處連接參考光準直透鏡組，參考光經過準直鏡準直后成為平行光，然后照射到一個平面反射鏡上，該平面反射鏡固定在一個能精密連續改變角度的精密驅動結構上，平面反射鏡反射的平行光經過合光棱鏡后進入CCD攝像機；經成像透鏡后的物光光束和平面鏡反射的參考光光束在CCD攝像機的靶面上相干涉，形成干涉場；CCD攝像機與計算機相連接，并將干涉場送入計算機中處理，得到待測物體的面型參數。其特征在于，所述的精密角度改變裝置可以多個角度、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。每一個角度下，物光和參考光干涉形成的干涉場都不一樣，通過CXD攝像機記錄下干涉場并送入計算機處理。本發明還提出了一種利用所述的測量裝置的全息干涉測量方法，在每一個參考光入射角度下，通過控制光纖相移器，采用相移法求得各個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隨物體高度變化的曲線，在自變量為物體高度時，產生一個峰值。在一定范圍內對該函數的峰值進行搜索，得到待測物體各點的高度信息。這種方法不需要相位去包裹過程，可以用于任意復雜形狀面型信息的測量。本發明采用連續精密改變參考光角度的方法實現全息干涉的信息解調，測得物體的面型高度信息，不僅使測量范圍變大，還使測量結果更加穩定。由于精密改變角度裝置屬于機械裝置， 結構簡單，成本低廉，更加利于實際推廣。而且，本發明在測量過程中對待測物體各點單獨測量，無需相位去包裹的過程，能夠測量形狀復雜、有間斷的物體的面型參數。


圖I是本發明的系統結構圖。圖2是本發明的測量流程圖。圖3是本發明利用相位包裹值余弦相加函數搜索物體高度的結果圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發明的連續變角度數字全息干涉測量的系統包括激光器I、光纖 2、光纖分束器3、離軸拋物面校準鏡4、光纖相移器5、準直透鏡組6、精密角度偏轉裝置7、合光透鏡8、成像透鏡9、CXD攝像機10、計算機11。附圖和下面的說明是以精密角度偏轉裝置改變了 16個角度為例，說明本發明的實施方法。圖I中表示出本發明的系統結構圖，激光器I通過光纖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置離軸拋物面校準鏡 4上，物光經過離軸拋物面校準鏡4反射到被測物體上；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直透鏡組6，經過擴束后的參考光照射在一面與精密角度偏轉裝置7相連的平面鏡上；平面反射鏡反射的平行光經過合光棱鏡8與經成像透鏡9的物光干涉后進入CXD攝像機10，CXD攝像機10與計算機11相連接；圖2是本發明測量物體的具體流程圖。當精密角度改變裝置使得物光和參考光干涉角度為Q16時，對于每個角度e，控制光纖相移器改變初始相位，CCD攝像機分別
采集初始相位為o、l 、^的干涉場信息圖；對這些信息圖，采用四步相移法求得各個角度
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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函數，在自變量為物體高度時， 產生一個峰值。在一定范圍內對函數峰值進行搜素，得到待測物體各點的高度信息。圖3 是測量物體上一個高度為300nm的像素點的測量結果
以上是本發明的一個具體說明例，但是本發明并不限于該實施例。角度偏轉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。
權利要求
1.一種針對復雜面型物體的連續變角度數字全息干涉測量的裝置，包括激光器，光纖，光纖分束器，離軸拋物面校準鏡，光纖相移器，準直透鏡組，平面反射鏡，成像透鏡，精密角度偏轉裝置，合光棱鏡，CCD攝像機，計算機；激光器通過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置離軸拋物面校準鏡，物光被擴展為一定范圍的平行光束，平行光束照射到被測物體上；在參考光路上設置光纖相移器，在參考光纖端口處連接準直透鏡組，參考光經過準直鏡準直后成為平行光，然后照射到一個平面反射鏡上，該平面反射鏡固定在一個能精密連續改變角度的精密驅動角度偏轉裝置上，平面反射鏡反射的平行光經過合光棱鏡后進入CCD攝像機；被測物體反射的物光束經成像透鏡后，和平面鏡反射的參考光束在CCD攝像機的靶面上相干涉，形成干涉場；CCD攝像機與計算機相連接；其特征在于，所述的精密角度偏轉裝置在測量過程中可以多個角度改變參考光的方向，進而改變物光和參考光的干涉角度；通過CCD攝像機記錄下不同干涉角度形成的干涉場并送入計算機處理，獲得物體高度信息。
2.利用權利要求I所述的裝置的全息干涉測量方法，其特征在于，通過控制光纖相移器，采用相移法求得各個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曲線，在自變量為物體高度時，產生一個峰值；在一定范圍內對函數峰值進行搜素， 得到待測物體各點的高度信息。
全文摘要
本發明公開了一種針對復雜面型的連續變角度數字全息干涉測量的方法和裝置，屬于光電測量技術領域。該裝置包括激光器、光纖分束器、光纖相移器、精密角度偏轉裝置、離軸拋物面校準鏡、準直透鏡組、合光棱鏡、光纖、CCD攝像機和計算機等。其特點是系統中的精密角度偏轉結構可以多個角度、精密地改變參考光方向。每改變一個角度，參考光和物光干涉產生的全息圖都會變化。通過控制光纖相移器，采用相移法求得各個角度下物體的包裹相位值。對包裹相位值的余弦相加得到函數進行峰值搜索，就可以得到物體各點的高度信息。本發明在測量過程中對待測物體各點單獨測量，不需要相位去包裹的步驟，能夠測量形狀復雜的、有間斷的物體的面型參數。
文檔編號G01B11/02GK102589440SQ20121000682
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者羅興, 賈書海, 陳花玲 申請人:西安交通大學