[發(fā)明專利]一種基于色差和譜域干涉的光學(xué)3D成像裝置及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111002348.0
• 申請(qǐng)日: 2021-08-30
• 公開（公告）號(hào): CN113654482A
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王毅;黃玉斌;馬振鶴;趙玉倩
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東北大學(xué)秦皇島分校
• 主分類號(hào): G01B11/24
• 分類號(hào): G01B11/24;G01B11/00
• 代理公司: 沈陽(yáng)東大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

本發(fā)明公開一種基于色差和譜域干涉的光學(xué)3D成像裝置及方法，涉及光學(xué)干涉檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括寬帶光源，光源出射光入射第一透鏡；第一透鏡出射平行光入射分光裝置；分光裝置出射參考光和樣品光；樣品光依次經(jīng)過第三透鏡和第四透鏡入射掃描振鏡后經(jīng)第五透鏡以不同焦點(diǎn)聚焦在樣品的不同深度層面上；參考光入射光柵，從光柵出射不同波長(zhǎng)的參考光通過第二透鏡聚焦反射鏡表面；在第二透鏡和反射鏡之間設(shè)置三角形透光體；經(jīng)反射鏡反射的參考光和經(jīng)樣品的不同深度層面反射的樣品光均進(jìn)入分光裝置后，再進(jìn)入光譜儀中形成干涉光譜；光譜儀與掃描振鏡均與計(jì)算機(jī)相連。實(shí)現(xiàn)了高縱向分辨率、高橫向分辨率、大景深、大可測(cè)量角度，提高了解調(diào)精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)干涉檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于色差和譜域干涉的光學(xué)3D成像裝置及方法。

背景技術(shù)

隨著精密制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)3D成像技術(shù)的要求越來越高，光學(xué)干涉技術(shù)是一種重要的3D成像技術(shù)，具有非接觸及分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，可以達(dá)到納米及亞納米的縱向分辨率，但是光學(xué)干涉技術(shù)的縱向測(cè)量范圍和測(cè)量角度受到限制。

3D成像的縱向分辨率、橫向分辨率、測(cè)量角度是衡量成像技術(shù)的重要因素，縱向分辨率受干涉技術(shù)影響，而橫向分辨率則取決于光束聚焦在待測(cè)樣品上的光斑尺寸。在光學(xué)成像技術(shù)中，景深與橫向分辨率是一對(duì)相互制約的參數(shù)，橫向分辨率為其中λ為波長(zhǎng)，f為焦距，d為透鏡通光孔徑，由數(shù)值孔徑定義式NA＝n*sinα，其中孔徑角半數(shù)α較小時(shí)，由此可知如果想要高橫向分辨率，就要采用大的數(shù)值孔徑，但是大的數(shù)值孔徑會(huì)導(dǎo)致景深變小，即縱向測(cè)量范圍變小。此外，由于工業(yè)檢測(cè)存在大量透明及高反光材質(zhì)，例如手機(jī)外殼、玻璃面板和精加工的金屬表面等，這些材質(zhì)表面的漫反射較弱，進(jìn)入探測(cè)系統(tǒng)的主要是鏡面反射光，如圖1所示，實(shí)線表示照射到樣品的光錐，虛線表示經(jīng)樣品表面鏡面反射的光錐，當(dāng)探測(cè)點(diǎn)角度較大時(shí)，反射的光錐會(huì)偏離較大的方向，圖1中的(a)圖表示數(shù)值孔徑較大的情況，反射光部分返回探測(cè)系統(tǒng)，因此可以測(cè)量到干涉光譜，圖1中的(b)圖表示數(shù)值孔徑較小的情況，反射光不能進(jìn)入探測(cè)系統(tǒng)，無法測(cè)量到該點(diǎn)的干涉光譜，因此較大的測(cè)量角度需要較大的數(shù)值孔徑，較大的數(shù)值孔徑同樣有利于增大橫向分辨，但是會(huì)導(dǎo)致景深較小，限制縱向測(cè)量范圍。

在光學(xué)3D成像中，要求高橫向分辨率、高縱向分辨率、大景深及大的可測(cè)量角度范圍，通過增大數(shù)值孔徑提高橫向分辨率和可測(cè)量角度范圍，但同時(shí)也會(huì)減小景深。色差技術(shù)可以解決橫向分辨率、景深、可測(cè)量角度范圍相互制約的問題，利用色散原理可形成多波長(zhǎng)的不同焦點(diǎn)，可同時(shí)滿足大景深、高橫向分辨率和大測(cè)量角度范圍的要求。但是色差技術(shù)需要帶寬較大的光源，對(duì)于同一高度，干涉光譜的頻率與光源的波數(shù)帶寬Δk成正比，這會(huì)導(dǎo)致光學(xué)3D成像中的干涉光譜頻率較高，而干涉光譜頻率較高時(shí)，信號(hào)的衰減較大，導(dǎo)致信號(hào)的信噪比較低，影響解調(diào)精度。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種基于色差和譜域干涉的光學(xué)3D成像裝置及方法，旨在解決光學(xué)3D成像中橫向分辨率、可測(cè)量角度范圍與大景深的這一矛盾。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

本發(fā)明第一方面提供一種基于色差和譜域干涉的光學(xué)3D成像裝置，該裝置包括寬帶光源，所述寬帶光源的出射光入射到第一透鏡；從所述第一透鏡出射平行光并入射到分光裝置；從所述分光裝置出射參考光和樣品光；所述樣品光入射第三透鏡，所述第三透鏡出射不同波長(zhǎng)的樣品光；所述不同波長(zhǎng)的樣品光通過第四透鏡入射到掃描振鏡后經(jīng)過第五透鏡以不同的焦點(diǎn)聚焦在樣品的不同深度層面上；所述參考光入射光柵，從所述光柵出射的不同波長(zhǎng)的參考光通過第二透鏡而聚焦到反射鏡的表面；在所述第二透鏡和所述反射鏡之間設(shè)置三角形透光體，以改變所述不同波長(zhǎng)的參考光的光程；經(jīng)所述反射鏡的表面反射的參考光和經(jīng)所述樣品的不同深度層面反射的樣品光進(jìn)入所述分光裝置后，再進(jìn)入光譜儀中形成干涉光譜，所述光譜儀與所述掃描振鏡均與計(jì)算機(jī)相連接。

進(jìn)一步地，根據(jù)所述的基于色差和譜域干涉的光學(xué)3D成像裝置，所述第一透鏡為準(zhǔn)直透鏡。