[发明专利]基于变角度无透镜傅里叶数字全息的物体三维形貌测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于变角度无透镜傅里叶数字全息的物体三维形貌测量装置及方法，包括激光器，激光器通过光纤连接光纤分束器，光纤分束器分出两路光，一路作为物光，另一路作为参考光，物光路光纤的输出端放置于准直透镜的焦点上，参考光路光纤的输出端、分束棱镜以及CCD依次沿同一轴线布置，在垂直该轴线的方向上，待测物体与分束棱镜沿同一直线放置，物光光路通过旋转平台上的平面反射镜反射后照射待测物体，待测物体的反射光通过分束棱镜射入CCD，CCD和旋转平台均连接计算机控制和数据处理终端，通过傅里叶方法解调物光场相位，无需相移装置，减少了测量时间且降低了系统的复杂度，利用不同角度下物光场的干涉相位，最终由搜峰算法逐点解调出物体的高度分布，避免了解包裹过程。本装置测量精度高、时间短、能够适应复杂非连续物体。

技术领域

本发明属于数字全息与光学检测领域，具体涉及一种基于变角度无透镜傅里叶数字全息的物体三维形貌测量装置及方法。

背景技术

三维形貌测量在机器视觉、生物医学、3D打印、逆向工程、工业在线监测等领域有着巨大的应用前景，具有较高的研究和实用价值。近年来，发展了各种测量方法，主要包括接触式和非接触式两大类，接触式测量也可以看成是一种探针式扫描测量，典型代表是三坐标测量机。它们是通过与物体接触或临近接触的探头进行逐点测量，这类方法测量精度高，但是这种测量方式限制了其测量的速度，此外，这类方法也不能有效应用于一些不允许表面接触的场合。因此非接触式的测量方法诸如单、双目视觉法、光学三角法、莫尔条纹法、数字全息法等等能够有效克服上述困难，其中数字全息法因其非接触、全场测量、高精度的特点，在物体表面微观形貌测量中发挥了重要的作用。其测量的基本过程为：利用一束激光照射被测物体，物体表面反射或透射物光与另一束参考光发生干涉形成全息图，再利用光电转换器件如CCD记录全息图并存入计算机，最后通过数字全息重建算法获得再现图。再现图的强度表征被测物体表面的灰度分布而相位则包含了物体的形状信息，这也是数字全息用于三维形貌测量的理论依据。

基于数字全息的三维轮廓测量方法主要包括双照射角度法、双点源法以及双折射法。这类方法是通过记录不同状态下的全息图，这种状态改变可以是照射光的照射角度或角度改变，也可以是物体沉浸介质折射率的改变，然后对每个状态下的全息图进行解调从而获得对应的相位分布，最后对不同的相位分布求差便可获得与物体轮廓相关的相位图。但是，由于上述解调出的相位是通过反正切函数得到的，因此得到的相位图在[-ππ]范围内的，与真实的相位相差2π的整数倍，为此需要对得到的相位图进行解包裹操作。对于那些表面简单连续的物体，这些解包裹算法能够有效应对，但是当物体表面复杂特别是有非连续分布时，解包裹很难获得正确的结果。

数字全息法的光路布置可分为有透镜和无透镜两种；在测量物体三维轮廓射，基本都以像面全息的特殊光路布置，即在被测物体和CCD之间放置成像透镜，使物体成像在CCD靶面上。它的主要优点是不需要复杂的空间重构过程。但因引进了透镜，透镜固有的像差畸变等会对物体的精确测量造成不可忽视的影响。此外，这种测量方式通常需要记录多幅全息图即借助相移技术来实现相位的解调。具体过程为：在记录全息图的过程中通过压电陶瓷、空间光调制器或偏振原件等相移装置在光路中连续引入一定的相位量，然后记录多幅全息图。相移技术可以实现同轴全息记录，压制直流共轭分量并且能够有效的提取所需相位，但它对测量系统的稳定性要求较高且相移装置也增加了系统的复杂度和成本。记录多幅全息图意味着需要更多的时间，显然，这种方式难以适应快速检测的场合。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于变角度无透镜傅里叶数字全息的物体三维形貌测量装置及方法，结构简单紧凑，无需使用成像透镜，测量精度高、时间短、可以测量复杂非连续表面的物体而且可以应用于快速检测的场合。