一种基于空域载频相移的多波长动态相位测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光全息与数字全息技术领域，尤其涉及一种基于空域载频相移的多波长动态相位测量装置及方法。

背景技术

光学干涉测量是一种利用光学干涉原理实现高精度测量的基础性测量方法。将光学干涉测量技术与计算机技术、光电图像传感技术、精密机械技术、相移技术、光学信号处理技术等结合形成的数字干涉测量技术，能够大幅度提高光学干涉测量的精确性和快捷性，实现了从干涉条纹图中定量地测量待测物体的复振幅和相位分布，因而又被称为光学相位测量技术，其纵向测量精度可以达到测量波长的1/100~1/1000，横向分辨率由测量要求和光学系统的分辨率确定，在显微干涉测量中可以达到亚微米量级。

由于具有非接触、全场、非破坏、非干预、测量快速、测量精度高、能够对不规则测量对象进行测量等特点，不仅在光学元件和光学表面测量应用中大大提高了测量的准确度和自动化程度，还在精密测量与计量、工程科学、生命科学、材料科学、显微术、微小光学、微电子、精密加工、微电子机械（MEMs）与微光机电系统（MOEMs）、流场测量、纳米技术等研究领域有着越来越广泛的应用。根据测量对象对光波的几何、衍射、散射、台阶等不同调制情况，发展出了数字干涉测量、数字全息、数字散斑、数字剪切干涉、白光干涉扫描等一系列基于干涉原理的测量方法。这些方法虽然推动了干涉测量技术的发展和进步，但是各自都存在一些自身的问题。

为了保证测量结果准确度以及科研和工程应用的需要，必须降低干涉测量过程中的振动、环境等外界干扰，实现被测量对象相位变化过程的动态测量，同时提高干涉测量方法的精度、稳定性和实用性和通用性等，这也是干涉测量技术发展的前沿和趋势。近年来，光学相位测量中的一个重要方面，是在研究和掌握干涉条纹内在规律的基础上，研究简洁、快速、高精度的相位恢复和相移量提取方法。这两个方面的结合，必定能够为光学相位测量技术带来新的发展。

目前国内外光学干涉测量技术的最新动向，一是解决干涉测量过程中的外界振动、气流变化等环境因素对测量结果准确度的干扰问题，二是实现被测对象相位变化过程的实时动态测量，三是在扩展光学干涉测量范围的同时提高测量结果的准确度。实现这三个目标的基本思路和技术，是将多波长干涉方法引入动态相位测量，要求单次曝光即只采集一次多波长干涉图就能提取不同波长及合成波长下的相位信息分布，而且曝光时间要尽可能短以在瞬间“冻结”图像，其基本原理和方法，仍然是相移干涉测量方法和空域傅里叶变换干涉测量方法。

现需要一种既能保持相移干涉测量技术的优点，又能实现动态相位干涉测量的新型测量方法，能够为相关领域的研究提供有力的测量手段和工具。

发明内容

本发明提供了一种基于空域载频相移的多波长动态相位测量装置及方法，通过对现有相位测量方法进行技术改造，将空域载频干涉的动态测量、时域相移算法的高测量精度以及多波长干涉的大测量范围和多量程结合起来，既保持相位测量技术的优点，又具备抵抗环境干扰的能力，可以实现动态相位测量，还扩大干涉测量的测量范围和测量量程，促进光学相位测量技术的发展，为相关领域的研究提供有力的测量手段和工具。

为解决上述技术问题，本发明具体采用如下技术方案：

一种基于空域载频相移的多波长动态相位测量装置，包括若干激光器组成的激光器组件、前分光镜组件、光束耦合组件、检测物体、显微物镜、反射镜组件、后分光镜组件和成像器件，激光器组件各激光器射出的光束被前分光镜组件分为检测光束和参考光束，所述不同激光器发出的检测光束通过光束耦合组件耦合成一个共路传播的光束，所述检测光束依次穿过检测物体和显微物镜后形成物光被成像器件接收，所述参考光束光路上设置有反射镜组件，所述反射镜组件下方设置有后分光镜组件，所述反射镜组件和后分光镜组件之间设置有与检测物体后方设置的相同的显微物镜，不同激光器发出的参考光束被反射镜组件反射后被后分光镜组件耦合成共路传播的光束形成参考光，所述参考光被成像器件接收，所述物光和参考光能够在成像器件靶面发生干涉，通过所述成像器件单词曝光记录能够得到多波长空域载频干涉图。

优选的，所述激光器组件包括第一激光器、第二激光器和第三激光器，所述前分光镜组件包括第一分光镜、第二分光镜和第三分光镜，光束耦合组件包括第一反射镜、第四分光镜和第五分光镜，反射镜组件包括第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜，后分光镜组件包括第六分光镜、第七分光镜和第八分光镜，所述第一激光器后方设置有第一分光镜，第一激光器发射光通过第一分光镜分有第一检测光束和第一参考光束，第一分光镜下端设置有第一反射镜，所述第一检测光束通过第一反射镜反射穿过检测物体和显微物镜被成像器件接收，所述第一参考光束通过第四反射镜和第八分光镜后被成像器件接收，第二激光器发射光通过第二分光镜分有第二检测光束和第二参考光束，第二分光镜下端设置有第四分光镜，所述第二检测光束通过第四分光镜反射穿过检测物体和显微物镜被成像器件接收，所述第二参考光束通过第三反射镜和第七分光镜后被成像器件接收，第三激光器发射光通过第三分光镜分有第三检测光束和第三参考光束，第三分光镜下端设置有第五分光镜，所述第三检测光束通过第五分光镜反射穿过检测物体和显微物镜被成像器件接收，所述第三参考光束通过第二反射镜和第六分光镜后被成像器件接收，所述第一检测光束、第二检测光束和第三检测光束通过光束耦合组件与物体后形成有物光，所述第一参考光束、第二参考光束和第三参考光束穿过反射镜组件和后分光镜组件形成有参考光。

优选的，所述激光器组件和前分光镜组件之间还设置有遮光板组件，遮光板组件包括第一遮光板组件、第二遮光板组件和第三遮光板组件，所述第一激光器和第一分光镜之间设置有第一遮光板组件，所述第二激光器和第二分光镜之间设置有第二遮光板组件，所述第三激光器和第三分光镜之间设置有第三遮光板组件，所述遮光板组件用于控制该路激光光束是否进入系统进行干涉。

优选的，所述激光器组件发射端处设置有衰减器，所述衰减器为中性可调衰减片。

一种基于空域载频相移的多波长动态相位测量方法，包括以下步骤：

S1，通过调节遮光板，在其中两路光路中放入遮光板，改变参考光路中反射镜的倾斜方向和夹角及引入的相移量，分析单波长下载频相移干涉方法的适用条件及参数设置；

S2，通过调节遮光板，在其中一路光路中放入遮光板，改变参考光路中反射镜的倾斜方向和夹角及引入的相移量，分析在双波长同时照明时空域载频相移方法的适用条件和参数设置；

S3，不放入遮光板，分析在三波长同时照明时空域载频相移方法的适用条件和参数设置；

S4，借助空域傅里叶变换，通过调整上述参数尽量使三个波长的频谱无重叠或重叠程度最少；利用空域载频相移方法，将单个成像器件记录的一幅多波长载频干涉图转化为若干幅相移子干涉图，从三个波长的混叠干涉条纹图中提取单波长下的包裹相位分布。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明通过三个波长的物光和参考光在成像器件靶面发生干涉，利用成像器件单次曝光记录得到多波长空域载频干涉图。每个激光器后放置的遮光板用来控制该路激光光束是否进入系统进行干涉，通过遮光板可以分别采集三个单波长、三个双波长组合及三波长载频干涉条纹图，使系统在保持了相移相位测量技术的优点的基础上，具备抵抗环境干扰的能力，实现动态相位测量，扩大干涉测量的测量范围和测量量程。

本发明为多波长干涉在微结构物体的动态相位测量中的应用提供新的技术平台。

附图说明

图1为本发明测量装置示意图；

图2为本发明测量方法步骤框图；

标号说明：第一激光器1、第二激光器2、第三激光器3、检测物体4、显微物镜5、成像器件6、第一分光镜7、第二分光镜8、第三分光镜9、第四分光镜10、第五分光镜11、第六分光镜12、第七分光镜13、第八分光镜14、第一反射镜15、第二反射镜16、第三反射镜17、第四反射镜18、第一检测光束19、第一参考光束20、第二检测光束21、第二参考光束22、第三检测光束23、第三参考光束24、第一遮光板组件25、第二遮光板组件26、第三遮光板组件27、衰减器28。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来详细说明本发明的具体内容。

如图1-2所示，本实施例提供了一种基于空域载频相移的多波长动态相位测量装置，包括若干激光器组成的激光器组件、前分光镜组件、光束耦合组件、检测物体4、显微物镜5、反射镜组件、后分光镜组件和成像器件6，激光器组件各激光器射出的光束被前分光镜组件分为检测光束和参考光束，所述不同激光器发出的检测光束通过光束耦合组件耦合成一个共路传播的光束，所述检测光束依次穿过检测物体4和显微物镜5后形成物光被成像器件6接收，所述参考光束光路上设置有反射镜组件，所述反射镜组件下方设置有后分光镜组件，所述反射镜组件和后分光镜组件之间设置有与检测物体4后方设置的相同的显微物镜5，不同激光器发出的参考光束被反射镜组件反射后被后分光镜组件耦合成共路传播的光束形成参考光，所述参考光被成像器件6接收，所述物光和参考光能够在成像器件6靶面发生干涉，通过所述成像器件6单词曝光记录能够得到多波长空域载频干涉图。

进一步地，所述激光器组件包括第一激光器1、第二激光器2和第三激光器3，所述前分光镜组件包括第一分光镜7、第二分光镜8和第三分光镜9，光束耦合组件包括第一反射镜15、第四分光镜10和第五分光镜11，反射镜组件包括第二反射镜16、第三反射镜17和第四反射镜18，后分光镜组件包括第六分光镜12、第七分光镜13和第八分光镜14，所述第一激光器1后方设置有第一分光镜7，第一激光器1发射光通过第一分光镜7分有第一检测光束19和第一参考光束20，第一分光镜7下端设置有第一反射镜15，所述第一检测光束19通过第一反射镜15反射穿过检测物体4和显微物镜5被成像器件6接收，所述第一参考光束20通过第四反射镜18和第八分光镜14后被成像器件6接收，第二激光器2发射光通过第二分光镜8分有第二检测光束21和第二参考光束22，第二分光镜8下端设置有第四分光镜10，所述第二检测光束21通过第四分光镜10反射穿过检测物体4和显微物镜5被成像器件6接收，所述第二参考光束22通过第三反射镜17和第七分光镜13后被成像器件6接收，第三激光器3发射光通过第三分光镜9分有第三检测光束23和第三参考光束24，第三分光镜9下端设置有第五分光镜11，所述第三检测光束23通过第五分光镜11反射穿过检测物体4和显微物镜5被成像器件6接收，所述第三参考光束24通过第二反射镜16和第六分光镜12后被成像器件6接收，所述第一检测光束19、第二检测光束21和第三检测光束23通过光束耦合组件与物体后形成有物光，所述第一参考光束20、第二参考光束22和第三参考光束24穿过反射镜组件和后分光镜组件形成有参考光。

进一步地，所述激光器组件和前分光镜组件之间还设置有遮光板组件，遮光板组件包括第一遮光板组件25、第二遮光板组件26和第三遮光板组件27，所述第一激光器1和第一分光镜7之间设置有第一遮光板组件25，所述第二激光器2和第二分光镜8之间设置有第二遮光板组件26，所述第三激光器3和第三分光镜9之间设置有第三遮光板组件27，所述遮光板组件用于控制该路激光光束是否进入系统进行干涉。

进一步地，所述激光器组件发射端处设置有衰减器28，所述衰减器28为中性可调衰减片。

一种基于空域载频相移的多波长动态相位测量方法，包括以下步骤：

S1，通过调节遮光板，在其中两路光路中放入遮光板，改变参考光路中反射镜的倾斜方向和夹角及引入的相移量，分析单波长下载频相移干涉方法的适用条件及参数设置；

S2，通过调节遮光板，在其中一路光路中放入遮光板，改变参考光路中反射镜的倾斜方向和夹角及引入的相移量，分析在双波长同时照明时空域载频相移方法的适用条件和参数设置；

S3，不放入遮光板，分析在三波长同时照明时空域载频相移方法的适用条件和参数设置；

S4，借助空域傅里叶变换，通过调整上述参数尽量使三个波长的频谱无重叠或重叠程度最少；利用空域载频相移方法，将单个成像器件记录的一幅多波长载频干涉图转化为若干幅相移子干涉图，从三个波长的混叠干涉条纹图中提取单波长下的包裹相位分布。

当以单芯片彩色CMOS作为成像器件时，由于彩色相机的Bayer滤光片的波长选择特性，可以从多波长彩色相移干涉图中提取出红、绿、蓝三个波长对应的单波长下的一系列相移干涉条纹图。由于相移干涉图间的相移量未知，考虑使用相移量未知时的待测相位提取方法，如最小二乘法、主成分分析法、两步相移法等相移量未知的相移相位提取方法，计算出单波长下的包裹相位分布。由于彩色图像传感器不同颜色通道间的颜色串扰现象明显，因此在进行上述运算前，需要采用一定的方法滤除通道间的串扰。

当以单色CCD作为成像器件时，问题会复杂得多。三个波长的干涉图混叠在一起，由于不同参考支路的反射镜倾斜的大小和方向，使得三个波长的干涉光场不仅在空域而且在频域也容易发生混叠，对相位的实时动态测量带来一定的难度，此时很难通过提取单波长下相移干涉图的方式计算单波长包裹相位分布。本项目拟从混叠干涉图的光强度出发，将其中的所有未知量转换为若干相互正交或互相独立的信号，继而计算得到单波长包裹相位分布。可选的方法有最小二乘法、主成分分析法、独立成分分析法等。本发明拟考虑将研究神经网络算法用于多波长空域载频相移干涉中单波长包裹相位的提取，旨在探索一种新的测量方法和手段。

将单波长包裹相位图两两相减并进行补偿操作，即可得到连续的合成双波长的相位分布，称为双波长相位解包，而将双波长相位分布两两相减并进行补偿操作，可得到连续的合成三波长的相位分布，称为三波长相位解包。多波长解包方法简单快捷，但是由于三个波长经过光路的光程差不能严格相等，因此会出现重构的包裹相位图大小不匹配的问题，如果直接对两幅不匹配的包裹相位图进行相减，势必会造成测量结果有较大的误差。因此在进行多波长相位解包之前，必须要进行单波长包裹相位图的匹配。此外，由于光学元件的性能和环境、温度以及人为因素的影响，在干涉条纹图的记录过程中会引入一定的相位噪声。合成波长解包操作会使得单波长干涉图中的相位噪声放大约为波长放大倍数的两倍。对于解包后的相位图中出现的噪声，需要研究如何根据干涉条纹的特性及图像处理中的去噪技术，结合单波长、双波长及三波长相位图之间的相位分布关系加以处理。本项目拟在对目前的多波长相位降噪处理方法进行研究分析的基础上，利用单波长包裹相位分布指导多波长相位解包及降噪，使合成波长相位即保持了单波长测量精度又提高了测量范围。在上述研究的基础上，实现对微结构物体，如螺旋相位板、微型凹槽、相位型光栅、微小水滴蒸发、药物导致细胞凋亡等的静态及动态相位测量。

本发明具有以下特点：

本发明通过三个波长的物光和参考光在成像器件靶面发生干涉，利用成像器件单次曝光记录得到多波长空域载频干涉图。每个激光器后放置的遮光板用来控制该路激光光束是否进入系统进行干涉，通过遮光板可以分别采集三个单波长、三个双波长组合及三波长载频干涉条纹图，使系统在保持了相移相位测量技术的优点的基础上，具备抵抗环境干扰的能力，实现动态相位测量，扩大干涉测量的测量范围和测量量程。

本发明为多波长干涉在微结构物体的动态相位测量中的应用提供新的技术平台。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。