[發明專利]光譜共焦掃描共光路數字全息測量系統及測量方法

有效

• 申請號: 202110772709.3
• 申請日: 2021-07-08
• 公開（公告）號: CN113418469B
• 公開（公告）日: 2023-01-31
• 發明（設計）人: 田愛玲;張英鴿;劉丙才;錢曉彤;王紅軍;朱學亮;岳鑫;劉衛國
• 申請（專利權）人: 西安工業大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 西安新思維專利商標事務所有限公司 61114
• 代理人: 黃秦芳

本發明為一種光譜共焦掃描共光路數字全息測量系統及測量方法，其克服了現有技術中存在的僅適用于待測物體表面反射或透射形成的相位變化測量，無法實現透明物體各分層界面微觀形貌的高精度、非接觸、同步三維形貌測量。本發明包括依次設置的多光譜光源、顯微物鏡、透鏡、分光鏡一、聚焦色散透鏡和待測物體，待測物體位于聚焦色散元件的聚焦范圍內，分光鏡一后方設置有分光鏡二，分光鏡二前方依次設置有消色差顯微物鏡和光纖光譜儀，分光鏡二后方設置有雙焦點衍射元件，雙焦點衍射元件后方設置有圖像傳感器，圖像傳感器置于雙焦點衍射元件后小焦距以內，光纖光譜儀和圖像傳感器分別與計算機連接。

技術領域：

本發明屬于數字全息測量技術領域，涉及一種光譜共焦掃描共光路數字全息測量系統及測量方法。

背景技術：

數字全息測量技術通過記錄物光的振幅和相位達到快速恢復待測物體三維形貌的目的，具有非接觸、全場、高分辨率、快速重構等優勢，能為微光學元件、微機電系統、生物醫學等領域的研究提供更為有效的技術工具。但是，目前的數字全息技術僅適用于待測物體表面反射或透射形成的相位變化測量，不適用于以重構待測物體的三維結構，針對待測物體的上下表面、內部分層的微觀結構，無法實現三維結構的快速測量。

光譜共焦掃描技術利用精密針孔濾波技術，只探測處于焦平面位置上的信息，最大限度地抑制了非聚焦平面的雜散光，具有很高的成像分辨率和信噪比；并能沿軸線方向進行無損光學斷層掃描，進而確定待測物體各層的位置信息。

發明內容：

本發明的目的在于提供一種光譜共焦掃描共光路數字全息測量系統及測量方法，其克服了現有技術中存在的僅適用于待測物體表面反射或透射形成的相位變化測量，無法實現透明物體各分層界面微觀形貌的高精度、非接觸、同步三維形貌測量問題，實現透明物體各分層界面微觀形貌的高精度、非接觸、同步三維形貌測量。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種光譜共焦掃描共光路數字全息測量系統，其特征在于：包括測量系統本體，測量系統本體包括依次設置的多光譜光源、顯微物鏡、透鏡、分光鏡一、聚焦色散透鏡和待測物體，待測物體位于聚焦色散元件的聚焦范圍內，分光鏡一后方設置有分光鏡二，分光鏡二前方依次設置有消色差顯微物鏡和光纖光譜儀，分光鏡二后方設置有雙焦點衍射元件，雙焦點衍射元件后方設置有圖像傳感器，圖像傳感器置于雙焦點衍射元件后小焦距以內，光纖光譜儀和圖像傳感器分別與計算機連接。

聚焦色散透鏡的聚焦范圍為最小波長的光λ_min和最大波長的光λ_max的聚焦點之間距離。

一種光譜共焦掃描共光路數字全息測量系統的測量方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟一：多光譜光源通過顯微物鏡和透鏡的光束整形后，形成工作用平行光；該平行光經聚焦色散透鏡后產生色散，使得不同波長的光線在光軸上的不同位置聚焦；當待測物體置于聚焦范圍內時，只有聚焦在待測物體分層界面的光線能夠返回至聚焦色散透鏡，此時，待測物體存在有幾個分層界面，則有幾個波長的光線返回至聚焦色散透鏡，形成測試光束；

步驟二：測試光束經分光鏡一和分光鏡二后分為兩束，其中經分光鏡二反射的光線由消色差顯微物鏡耦合至光纖光譜儀，經光纖光譜儀頻譜分析后，確定反射回來的光線中存在的波長，從而確定待測物體分層界面的位置；經分光鏡二透射的光線由雙焦點衍射元件聚焦后，將透射光線在圖像傳感器的前后分成兩個會聚光束焦點，該會聚光束在圖像傳感器靶面形成數字全息干涉圖；

步驟三：將獲得的數字全息干涉圖進行預處理；首先，進行傅里葉變換得到頻譜圖，不同波長引入不同的載波，使得不同波長的頻譜信息在頻域里串擾很小；然后，利用濾波窗口提取出不同波長的+1級頻譜；最后，對其進行逆傅里葉變換得到物光波的復振幅分布；

步驟四：利用數字全息角譜相位重構算法，分別獲得不同波長的重構相位，從而確定待測物體不同分層界面的三維形貌。