光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统及测量方法技术方案

本发明专利技术为一种光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统及测量方法，其克服了现有技术中存在的针对待测物体的上、下表面及内部分层的微观结构，无法实现三维结构的快速测量，实现透明物体各分层界面微观形貌的高精度、非接触、同步三维形貌测量。本发明专利技术包括测量系统本体，测量系统本体包括依次设置的多光谱光源、显微物镜、透镜、分光镜一、聚焦色散透镜和待测物体，分光镜一后方设置有分光镜二，分光镜二前方依次设置有消色差显微物镜和光纤光谱仪，分光镜二后方设置有平面平晶，平面平晶前方依次设置有会聚透镜和滤波器，滤波器设置在平面平晶前表面反射光的会聚焦点处，滤波器前方设置有图像传感器，光纤光谱仪和图像传感器分别与计算机连接。与计算机连接。与计算机连接。

【技术实现步骤摘要】
光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统及测量方法

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[0001]本专利技术属于精密测量
，涉及一种光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统及测量方法。

技术介绍
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[0002]数字全息测量技术通过记录物光的振幅和相位达到快速恢复待测物体三维形貌的目的，具有非接触、全场、高分辨率、快速重构等优势，能为微光学元件、微机电系统、生物医学等领域的研究提供更为有效的技术工具。专利文献1(专利号CN 111796501 A)所记载的，利用紧邻的两平面平晶，实现参考光和测试光间的相位差变化，实现被测目标的相移数字全息显微成像和测量。专利文献2(专利号CN111829453A)所记载的，利用平面平晶前后表面间形成的干涉腔长结合波长调谐激光器，实现被测物体的无机械移动共光路相移数字全息显微成像和测量。但是，目前的数字全息技术仅适用于待测物体表面反射或透射形成的相位变化测量，不适用于以重构待测物体的三维结构，针对待测物体的上、下表面及内部分层的微观结构，无法实现三维结构的快速测量。
[0003]光谱共焦扫描技术利用精密针孔滤波技术，只探测处于焦平面位置上的信息，最大限度地抑制了非聚焦平面的杂散光，具有很高的成像分辨率和信噪比；并能沿轴线方向进行无损光学断层扫描，进而确定待测物体各层的位置信息。

技术实现思路
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[0004]本专利技术的目的在于提供一种光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统及测量方法，其克服了现有技术中存在的仅适用于待测物体表面反射或透射形成的相位变化测量，无法实现三维结构的快速测量的问题，实现透明物体各分层界面微观形貌的高精度、非接触、同步三维形貌测量。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统，其特征在于：包括测量系统本体，测量系统本体包括依次设置的多光谱光源、显微物镜、透镜、分光镜一、聚焦色散透镜和待测物体，分光镜一后方设置有分光镜二，分光镜二前方依次设置有消色差显微物镜和光纤光谱仪，分光镜二后方设置有平面平晶，平面平晶前方依次设置有会聚透镜和滤波器，滤波器设置在平面平晶前表面反射光的会聚焦点处，滤波器前方设置有图像传感器，光纤光谱仪和图像传感器分别与计算机连接。
[0007]聚焦色散透镜的聚焦范围为最小波长的光λ
min
和最大波长的光λ
max
的聚焦点之间距离。
[0008]平面平晶的前、后表面具有同等光学表面质量，且平面平晶的后表面镀制高反射率薄膜。
[0009]滤波器设置有滤波窗口一和滤波窗口二，滤波窗口一为直径50μm的针孔，滤波窗口二为直径5mm的圆孔。
[0010]一种光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0011]步骤一：多光谱光源通过显微物镜和透镜的光束整形后，形成工作用平行光；该平行光经聚焦色散透镜后产生色散，使得不同波长的光线在光轴上的不同位置聚焦，当待测物体置于聚焦范围内时，只有聚焦在待测物体分层界面的光线能够返回至聚焦色散透镜；此时待测物体存在有几个分层界面，则有几个波长的光线返回至聚焦色散透镜，形成测试光束；
[0012]步骤二：测试光束经分光镜一和分光镜二后分为两束，其中经分光镜二反射的光线由消色差显微物镜耦合至光纤光谱仪，经光纤光谱仪频谱分析后，确定反射回来的光线中存在的波长，从而确定待测物体分层界面的位置；经分光镜二透射的光线由平面平晶前、后表面反射后，经滤波器形成参考光束及测试光束，在图像传感器的靶面上形成离轴数字全息干涉图；
[0013]步骤三：将获得的数字全息干涉图进行预处理；首先，进行傅里叶变换得到频谱图，不同波长引入不同的载波，使得不同波长的频谱信息在频域里串扰很小；然后，可设置滤波窗口提取出不同波长的+1级频谱；最后，对其进行逆傅里叶变换得到物光波的复振幅分布；
[0014]步骤四：利用数字全息角谱相位重构算法，分别获得不同波长的重构相位，从而确定待测物体不同分层界面的三维形貌。
[0015]与现有技术相比，本专利技术具有的优点和效果如下：
[0016]1、本专利技术测量方法可同时获得待测物体不同分层界面的三维形貌，大大提高测量效率；
[0017]2、本专利技术测量方法可在测量不同分层界面三维形貌的同时，还可以确定每一分层界面的位置，有助于更好地分析待测物体的特性参数；
[0018]3、本专利技术测量系统测试光与参考光通过相同的光路，结构简单，操作便捷，易于消除系统噪声的影响；
[0019]4、本专利技术测量系统在参考光与测试光共光路的前提下，实现了离轴数字全息，便于零级频谱和正负一级频谱的分离，易于准确地相位重建。
附图说明：
[0020]图1为本专利技术光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统的结构示意图；
[0021]图2为本专利技术中聚焦色散元件的结构示意图；
[0022]图3为本专利技术中平面平晶前、后表面反射图；
[0023]图4为本专利技术中滤波器的结构示意图；
[0024]图5为本专利技术中数字全息再现时频谱提取示意图；
[0025]图6为本专利技术中全息图预处理流程图；
[0026]图7为本专利技术中数字全息角谱重建算法程序流程图。
[0027]图中，1
‑
多光谱光源、2
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显微物镜、3
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透镜、4
‑
分光镜一、5
‑
聚焦色散透镜、6
‑
待测物体、7
‑
分光镜二、8
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消色差显微物镜、9
‑
光纤光谱仪、10
‑
平面平晶、11
‑
会聚透镜、12
‑
滤波器、13
‑
图像传感器、14
‑
计算机、15
‑
滤波窗口一、16
‑
滤波窗口二。
具体实施方式：
[0028]下面结合具体实施方式对本专利技术进行详细的说明。这些实施例是用于说明本专利技术而不限于本专利技术的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体实验环境做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
[0029]本专利技术基于光谱共焦的准确定位，提出了一种光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量装置及测量方法，以实现待测物体各分层界面微观形貌的同步三维测量。
[0030]参见图1，本专利技术包括测量系统本体，测量系统本体包括依次设置的多光谱光源1、显微物镜2、透镜3、分光镜一4、聚焦色散透镜5和待测物体6，分光镜一4后方设置有分光镜二7，分光镜二7前方依次设置有消色差显微物镜8和光纤光谱仪9，分光镜二7后方设置有平面平晶10，平面平晶10前方依次设置有会聚透镜11和滤波器12，滤波器12设置在平面平晶10前表面反射光的会聚焦点处，滤波器12前方设置有图像传感器(13)，光纤光谱仪9和图像传感器13分别与计算机14连接。
[0031]本专利技术所涉及的多本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统，其特征在于：包括测量系统本体，测量系统本体包括依次设置的多光谱光源(1)、显微物镜(2)、透镜(3)、分光镜一(4)、聚焦色散透镜(5)和待测物体(6)，分光镜一(4)后方设置有分光镜二(7)，分光镜二(7)前方依次设置有消色差显微物镜(8)和光纤光谱仪(9)，分光镜二(7)后方设置有平面平晶(10)，平面平晶(10)前方依次设置有会聚透镜(11)和滤波器(12)，滤波器(12)设置在平面平晶(10)前表面反射光的会聚焦点处，滤波器(12)前方设置有图像传感器(13)，光纤光谱仪(9)和图像传感器(13)分别与计算机(14)连接。2.根据权利要求1所述的光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统，其特征在于：聚焦色散透镜(5)的聚焦范围为最小波长的光λ
min
和最大波长的光λ
max
的聚焦点之间距离。3.根据权利要求1或2所述的光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统，其特征在于：平面平晶(10)的前、后表面具有同等光学表面质量，且平面平晶(10)的后表面镀制高反射率薄膜。4.根据权利要求3所述的光谱扫描共焦单次曝光数字全息测量系统，其特征在于：滤波器(12)设置有滤波窗口一(15)和滤波窗口二(16)，滤波窗口一(15)为直径50μm的针孔，滤波窗口二(16)为直径5mm的圆孔。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：刘丙才，钱晓彤，田爱玲，张英鸽，王红军，朱学亮，岳鑫，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：