[发明专利]一种线轮廓成像装置的解调方法及成像装置

说明书

本发明提供了一种线轮廓成像装置的解调方法，通过获取被测物品上的干涉光谱并计算幅度谱获取极大值点的横坐标序数，计算干涉光谱的分光谱的相位，进而计算线轮廓分布并进行修正，非卷绕范围较大，抗噪能力较强，容易判断去卷绕是否出错。本发明还提供了一种线轮廓成像装置，能够防止被测物品对成像造成遮挡，使用相对较窄的低相干光源产生线形光，实现毫米数量级的大范围、纳米级的高分辨率测量及成像，实施成本较低。

技术领域

本发明涉及测量方法与装置领域，涉及光学干涉测量的仪器和方法，具体涉及一种线轮廓成像装置的解调方法及成像装置。

背景技术

在工业领域中，存在许多加工及制造过程需要使用三维(3D)成像技术进行检测，其中，线轮廓成像可以对一条线上的各点轮廓分布同时成像，可以实现高速的3D成像，适合于进行一维运动的被测物体的检测需求，尤其是在生产线上运动的物体的检测。

线结构光成像是目前较广泛的线轮廓成像技术，例如文献US8786836B2(Measuring instrument and method for determination of the properties of anitem and its surface)提供了一种基于色散和共焦技术的线轮廓成像技术，这种方法可用于玻璃等透明或半透明表面。但是，由于照明光和进入探测器的光之间存在夹角，对于较陡的结构的测量，容易出现遮挡现象；同时，这种方法受被测物品表面颜色影响，在成像前，需要进行参数调整，当被测物品颜色对比较大时，容易产生误差。

白光干涉利用相干长度较短的宽带光源，具有深度分辨能力。白光干涉可分为时域白光干涉和谱域白光干涉，其中，谱域白光干涉不需要进行深度扫描，可以实现高速检测及成像。文献《线照明并行谱域光学相干层析成像系统与缺陷检测应用研究》(物理学报，63(19))和《并行谱域光学相干层析成像技术的研究进展》(中国激光，45(2))介绍了并行谱域光学相干层析成像技术，可以实现线轮廓成像，使用傅里叶变换(FFT)进行信号解调，频率和深度成正比，成像深度为毫米数量级。FFT的理论分辨率由光谱仪带宽决定，等于2π/Δk，Δk为光谱仪所对应的波数宽度，因此需要超宽带低相干光源才能实现亚微米分辨率，无法实现纳米级分辨率检测。而且，超宽带低相干光源价格昂贵，限制了其在表面轮廓成像的应用。

利用相位信息进行成像，可以具有纳米级分辨率，如文献CN201811024739.0公开的一种光学相干层析相位解卷绕的方法及装置，其成像范围为2π/Δk，Δk为光谱仪所对应的波数宽度，一般为几微米到几十微米，但是这种方法需要进行多次迭代运算，速度较慢。在文献《High-sensitive and broad-dynamic-range quantitative phase imaging withspectral domain phase microscopy》(Vol.21,No.22，OPTICS EXPRESS)和《High-dynamic-range quantitative phase imaging with spectral domain phasemicroscopy》(Vol.34,No.21，OPTICS LETTERS)中，介绍了一种结合线性回归和相位去卷绕的方法，以扩大频域光相干断层扫描的测量范围。但是，线性回归只适合于高信噪比及低频信号，而当测量范围较大时，存在低信噪比及高频信号，因此，上述方法仅适合于细胞等成像范围较小的情况。此外，在上述文献所公开的去卷绕方法中，由于探测光的波长较短(微米及亚微米)，测量范围超过波长的二分之一，即产生相位卷绕。在毫米数量级的大范围测量中，由于较大噪声存在，噪声对去卷绕的影响较大，因此误差较大。

文献CN103148785B公开了一种光学干涉谱域相位对照B扫描仪及其测量方法，首先用傅里叶变换得到卷绕相位，再经过对卷绕相位的跳跃点加减整数倍的2π，进行解卷绕计算后，得到解卷绕相位差。这种方法只适合于比较平坦的表面成像，当相邻两点表面高度差超过半波长，则这种补偿方法就失效。