阅读说明：本技术 基于3ccd或3cmos的动态三波长数字全息测量方法 (Dynamic three-wavelength digital holographic measurement method based on 3CCD or 3CMOS ) 是由 李凯 于 2020-06-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于3CCD或3CMOS的动态三波长数字全息测量方法,其特征在于,利用3CCD或3CMOS图像采集系统,对被测试件(S)表面进行动态三波长数字全息测量,在接收端通过3个CCD芯片或3个CMOS芯片组成一个图像采集系统,实现对3个波长全息图的同时采集,得到3个激光波长对应的激光全息图,进而得出被测试件(S)表面的三维形貌信息。本发明方法可实现同时采集三幅多波长全息图,从而实现高精度的动态测量,由于该方法显著的降低了多波长数字全息方法对环境振动和空气扰动的隔振性要求,从而能够更广泛的应用于更多的测量对象。(The invention discloses a dynamic three-wavelength digital holographic measurement method based on a 3CCD or a 3CMOS, which is characterized in that a 3CCD or 3CMOS image acquisition system is utilized to carry out dynamic three-wavelength digital holographic measurement on the surface of a tested piece (S), an image acquisition system is formed by 3CCD chips or 3CMOS chips at a receiving end, the 3 wavelength holograms are simultaneously acquired, laser holograms corresponding to 3 laser wavelengths are obtained, and then three-dimensional morphology information of the surface of the tested piece (S) is obtained. The method can realize the simultaneous collection of three multi-wavelength holograms, thereby realizing high-precision dynamic measurement, and can be widely applied to more measuring objects because the method obviously reduces the vibration isolation requirements of the multi-wavelength digital holography method on environmental vibration and air disturbance.)

基于3CCD或3CMOS的动态三波长数字全息测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于3CCD或3CMOS的三波长动态数字全息测量方法，属于光电检测技术领域。

背景技术

数字全息术是在传统光学全息技术的基础上，结合现代数字图像技术而发展起来的一种新型成像技术。不同于传统光学全息方法，它利用CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)等光电器件记录全息图并存入计算机，通过计算机数值模拟光学衍射过程再现全息图，并将结果直接显示输出，实现了从记录到再现整个全息过程的数字化。与传统光学全息相比，数字全息具有成像速度快，可定量测量等诸多优点。

由于全息重建所得到的位相是包络位相，这就限制了该测量方法的测量量程。虽然可以对包络位相进行解包络，但它们大多以牺牲计算效率为代价，更为重要的是，对于那些具有深沟槽侧壁的结构器件，位相解包络方法是无法处理的。为解决这个难题，近年来，研究人员把多波长方法引入到数字全息测量技术中来。所谓多波长方法，如图1所示，图1是多波长方法的基本原理。(a)两列波长接近的波，波长分别为λ₁和λ₂。(b)两列波叠加产生拍效应，其等效波长为Λ₁₂。当使用两个彼此接近的波长(λ₁和λ₂)进行测量时，会产生拍效应，这个拍具有较大的等效波长Λ₁₂＝λ₁λ₂/|λ₁-λ₂|，如果该等效波长大于被测样品的厚度，那么被测样品对应的位相分布就在[0,2π]之间，因而无需位相解包络，从而解决包络位相带来的量程受限问题。然而，多波长方法在扩大测量量程的同时，也会放大噪声，因此会降低测量的精度。此外，目前所用的多波长方法，都是用一个相机采集各个波长的全息图，这就导致各个波长的全息图不是同时采集的，对于测量来说，这就要求被测物体在采集各个波长的全息图期间保持静止，因此这种方法无法实现动态测量，从而大大限制了该方法的使用范围和测量对象。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服现有多波长数字全息方法无法实现高精度动态测量的缺陷，提供一种基于3CCD或3CMOS的动态三波长数字全息测量方法，可实现同时采集三幅多波长全息图，从而实现高精度的动态测量，由于该方法显著的降低了多波长数字全息方法对环境振动和空气扰动的隔振性要求，从而能够更广泛的应用于更多的测量对象。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于3CCD或3CMOS的动态三波长数字全息测量方法，利用3CCD或3CMOS图像采集系统，对被测试件表面进行动态三波长数字全息测量，所述基于3CCD或3CMOS的动态三波长数字全息测量方法如下：

a.采用3个波长的激光，激光波长分别为λ₁，λ₂，λ₃，组成3个独立的马赫-曾德干涉光路，每个波长的激光对应一个马赫-曾德干涉光路；3个干涉光路产生的干涉全息图，在接收端由3个CCD或3个CMOS相机进行光电器件接收；

b.波长为λ₁的马赫-曾德干涉光路从激光器Laser1发出的第一束激光，经第一针孔滤波器扩束滤波和第一透镜准直后，被第一偏振分光镜分成两束；其中，一束分光束作为参考光经第一反射镜反射后射入3CCD芯片靶面或3CMOS芯片靶面；另一束分光束则作为探测物光经第二反射镜反射后，由汇聚透镜汇聚并照射到被测试件表面，经试件表面反射回的激光，经第五分光镜反射后，与对应的参考光相干叠加，形成对应于第一束激光的波长λ₁的全息图，由3CCD芯片或3CMOS芯片接收；

波长为λ₂的第二束激光，经第二针孔滤波器扩束滤波和第一透镜准直后，被第二偏振分光镜分成两束；其中，一束分光束经第三反射镜以及第三分光镜反射后，射入3CCD芯片或3CMOS芯片靶面；另一束分光束经第一分光镜和第二反射镜反射后，由汇聚透镜(CL)汇聚并照射到被测试件表面，经试件表面反射回的激光，经第五分光镜反射后，与对应的参考光相干叠加，形成对应于第二束激光的波长λ₂的全息图，由3CCD芯片或3CMOS芯片接收；

波长为λ₃的第三束激光，经第三针孔滤波器扩束滤波和第一透镜准直后，被第三偏振分光镜分成两束；其中，一束分光束经第四反射镜反射后，射入3CCD芯片或3CMOS芯片靶面；另一束分光束经第二分光镜和第二反射镜反射后，由汇聚透镜汇聚并照射到被测试件表面，经试件表面反射回的激光，经第五分光镜反射后，与对应的参考光相干叠加，形成对应于第三束激光的波长λ₃的全息图，由3CCD芯片或3CMOS芯片接收；

c.各光路通过对应的半波片与对应的偏振分光镜的结合使用，来调节参光与物光之间的光强比；

d.所述3CCD或3CMOS图像采集系统由三块分色棱镜和3块CCD芯片或三块COMS芯片组成；所述3CCD或3CMOS图像采集系统可根据分色棱镜上所镀分色膜，对特定波长的光进行反射和透射，3块CCD芯片或3块COMS芯片分别用来采集三个不同波段的光所形成的图像；

e.3个波长的激光进入3CCD或3CMOS系统后，第一束激光波长为λ₁的光经第一分色膜反射和第一棱镜与空气界面的全反射，最终进入第一光路采集装置的CCD₁芯片或CMOS₁芯片；

第二束激光波长为λ₂的光则在第二分色膜处被反射，接着在第二棱镜与空气的界面发生全反射，第一棱镜与第二棱镜之间有微小的间隙，最终使第二束激光进入第二光路采集装置的CCD₂芯片或CMOS₂芯片；

第三束激光波长为λ₃的光则不被分色膜反射，而最终到达第三光路采集装置的CCD₃芯片或CMOS₃芯片；

由此实现对三个波长全息图的同时采集；

f.选取三束激光的三个波长的具体值，使得由第一束激光波长和第三束激光波长产生的第一等效波长和由第二束激光波长和第三束激光波长产生的第二等效波长，都小于由第一束激光波长和第二束激光波长产生的第三等效波长，使第一等效波长和第二等效波长这两个等效波长对应的噪声会小于直接使用第三等效波长对应的噪声；然后通过第一等效波长、第二等效波长这两个等效波长进行分层位相解包络，得到对应于第三等效波长的位相；

从而在接收端通过3个CCD芯片或3个CMOS芯片组成一个图像采集系统，实现对3个波长全息图的同时采集，得到3个激光波长对应的激光全息图，进而得出被测试件表面的三维形貌信息。

优选地，对于通过调节光路中的第一反射镜(M₁)、第三分光镜(BF₃)，第四分光镜(BF₄)以及第五分光镜(BF₅)，可控制参光与物光间的夹角，使测量光路满足离轴全息重建像间的可分离条件。

优选地，在各光路通过对应的分光镜进行分光，包括第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、第四分光镜和第五分光镜；

第一束激光被第一偏振分光镜分成两束；其中，一束分光束作为参考光经第一反射镜反射后，再依次经过第三分光镜、第四分光镜和第五分光镜分光，再射入CCD或CMOS靶面；另一束分光束依次经过第一分光镜、第二分光镜分光后，经第二反射镜反射后，由汇聚透镜汇聚并照射到被测试件表面；

第二束激光被第二偏振分光镜分成两束；其中，一束分光束经第三反射镜反射后，再依次经过第三分光镜、第四分光镜和第五分光镜分光，射入CCD或CMOS靶面；另一束分光束依次经过第一分光镜、第二分光镜分光后，经第二反射镜反射后，由汇聚透镜汇聚并照射到被测试件表面；

第三束激光被第三偏振分光镜分成两束；其中，一束分光束经第四反射镜反射后，再依次经过第四分光镜和第五分光镜分光，射入CCD或CMOS靶面；另一束分光束第二分光镜分光后，再经第二反射镜反射后，由汇聚透镜汇聚并照射到被测试件表面。

优选地，通过调节光路中的第一反射镜、第三分光镜以及第四分光镜和第五分光镜，可控制参光与物光间的夹角，从而使测量光路满足离轴全息重建像间的可分离条件。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明方法采用三个波长的激光，通过三个独立的马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉光路，实现了具有三个波长的多波长数字全息测量光路，在接收端通过三个CCD或三个CMOS芯片组成一个图像采集系统，实现对三个波长全息图的同时采集；

2.本发明方法采用三个波长的激光进行测量，在提高测量量程的同时还保持了很好的信噪比。此外，由于能够同时采集三个激光波长对应的激光全息图，因此，该方法可实现动态测量，从而显著降低了数字全息方法对隔绝环境振动和空气扰动的苛刻要求，使得该方法能够应用于更广阔的领域以及更广泛的对象；

3.本发明方法简单易行，成本低，适合推广使用。

附图说明

图1为现有技术的多波长方法的基本原理。

图2为本发明三波长动态数字全息显微测量光路。

图3为本发明3CCD或3CMOS图像采集系统。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，一种基于3CCD或3CMOS的动态三波长数字全息测量方法，参见图2和图3，利用3CCD或3CMOS图像采集系统，对被测试件S表面进行动态三波长数字全息测量，所述基于3CCD或3CMOS的动态三波长数字全息测量方法如下：

a.采用3个波长的激光，如图2所示，采用λ₁＝593.5nm、λ₂＝561nm、λ₃＝450nm三个波长的激光，组成3个独立的马赫-曾德Mach-Zehnder干涉光路，每个波长的激光对应一个马赫-曾德干涉光路；3个干涉光路产生的干涉全息图，在接收端由3个CCD或3个CMOS相机进行光电器件接收；

b.波长为λ₁的马赫-曾德干涉光路从激光器Laser1发出的第一束激光，经第一针孔滤波器SF₁扩束滤波和第一透镜L₁准直后，被第一偏振分光镜PBS₁分成两束；其中，一束分光束作为参考光经第一反射镜M₁反射后射入CCD或CMOS靶面；另一束分光束则作为探测物光经第二反射镜M₂反射后，由汇聚透镜CL汇聚并照射到被测试件S表面，经试件表面反射回的激光，经第五分光镜BS₅反射后，与对应的参考光相干叠加，形成对应于第一束激光的波长λ₁的全息图，由3CCD芯片或3CMOS芯片接收；

波长为λ₂的第二束激光，经第二针孔滤波器SF₂扩束滤波和第一透镜L₂准直后，被第二偏振分光镜PBS₂分成两束；其中，一束分光束经第三反射镜M₃射后，射入CCD或CMOS靶面；另一束分光束经第二反射镜M₂反射后，由汇聚透镜CL汇聚并照射到被测试件S表面；经试件表面反射回的激光，经第五分光镜BS₅反射后，与对应的参考光相干叠加，形成对应于第一束激光的波长λ₂的全息图，由3CCD芯片或3CMOS芯片接收；

波长为λ₃的第三束激光，经第三针孔滤波器SF₃扩束滤波和第一透镜L₃准直后，被第三偏振分光镜PBS₃分成两束；其中，一束分光束经第四反射镜M₄反射后，射入CCD或CMOS靶面；另一束分光束经第二反射镜M₂反射后，由汇聚透镜CL汇聚并照射到被测试件S表面，经试件表面反射回的激光，经第五分光镜BS₅反射后，与对应的参考光相干叠加，形成对应于第一束激光的波长λ₃的全息图，由3CCD芯片或3CMOS芯片接收；

c.各光路通过对应的半波片λ₁/2、λ₂/2、λ₃/2与对应的偏振分光镜PBS₁、PBS₂、PBS₃的结合使用，来调节参光与物光之间的光强比；

d.如图3所示，所述3CCD或3CMOS图像采集系统由三块分色棱镜A、B、C和3块CCD芯片CCD1、CCD2、CCD3或三块COMS芯片COMS1、COMS2、COMS3组成；所述3CCD或3CMOS图像采集系统可根据分色棱镜上所镀分色膜F₁、F₂，对特定波长的光进行反射和透射，3块CCD芯片或3块COMS芯片分别用来采集三个不同波段的光所形成的图像；

e.如图3所示，3个波长λ₁、λ₂、λ₃的激光进入3CCD或3CMOS系统后，第一束激光波长为λ₁的光经第一分色膜F₁反射和第一棱镜A与空气界面的全反射，最终进入第一光路采集装置的CCD₁芯片或CMOS₁芯片；

第二束激光波长为λ₂的光则在第二分色膜F₂处被反射，接着在第二棱镜B与空气的界面发生全反射，第一棱镜A与第二棱镜B之间有微小的间隙，最终使第二束激光进入第二光路采集装置的CCD₂芯片或CMOS₂芯片；

第三束激光波长为λ₃的光则不被分色膜反射，而最终到达第三光路采集装置的CCD₃芯片或CMOS₃芯片；

由此实现对三个波长全息图的同时采集；

f.选取三束激光的三个波长的具体值，使得由第一束激光波长λ₁和第三束激光波长λ₃产生的第一等效波长Λ₁₃和由第二束激光波长λ₂和第三束激光波长λ₃产生的第二等效波长Λ₂₃，都小于由第一束激光波长λ₁和第二束激光波长λ₂产生的第三等效波长Λ₁₂，使第一等效波长Λ₁₃和第二等效波长Λ₂₃这两个等效波长对应的噪声会小于直接使用第三等效波长Λ₁₂对应的噪声；然后通过第一等效波长Λ₁₃、第二等效波长Λ₂₃这两个等效波长进行分层位相解包络，得到对应于第三等效波长Λ₁₂的位相；

从而在接收端通过3个CCD芯片或3个CMOS芯片组成一个图像采集系统，实现对3个波长全息图的同时采集，得到3个激光波长对应的激光全息图，进而得出被测试件S表面的三维形貌信息。

在本实施例中，图2为本实施例三波长动态数字全息显微测量光路。在图2中，Laser：激光器；λ：激光波长；SF：空间滤波器；L：准直透镜；λ/2:半波片；PBS：偏振分光镜；M：反射镜；BS：分光镜；CL：汇聚透镜；MO：显微物镜；S：被测试件。图3为本实施例3CCD或3CMOS图像采集系统。三块分色棱镜A、B、C，棱镜A和棱镜B上分别镀有分色膜F₁、F₂；3块CCD芯片CCD₁、CCD₂、CCD₃或CMOS芯片CMOS₁、CMOS₂、CMOS₃。本实施例采集到对应三个波长λ₁为593.5nm、λ₂为561nm、λ₃为450nm的全息图后，求解出由λ₁和λ₃产生的等效波长Λ₁₃对应的干涉位相，以及由λ₂和λ₃产生的等效波长Λ₂₃对应的干涉位相，而后通过分层位相解包络，得到对应等效波长Λ₁₂的连续位相分布，进而得出物体的三维形貌，其测量量程可达10μm。

本实施例基于3CCD或3CMOS的三波长动态数字全息测量方法用于物体形貌的动态高精度测量，采用三个波长进行测量，在扩大测量量程的同时还能够保持较高的信噪比。此外，由于该方法能够同时采集三个波长的全息图，因此能够大大降低环境振动和空气扰动的影响，使之能适用于更一般的测量环境和更广泛的测量对象。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，可通过调节光路中的第一反射镜M₁、第三分光镜BS₃以及第四分光镜BS₄和第五分光镜BS₅，控制参光与物光间的夹角，从而使测量光路满足离轴全息重建像间的可分离条件。

实施例三：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，在各光路通过对应的分光镜进行分光，包括第一分光镜BS₁、第二分光镜BS₂、第三分光镜BS₃、第四分光镜BS₄和第五分光镜BS₅；

第一束激光被第一偏振分光镜PBS₁分成两束；其中，一束分光束作为参考光经第一反射镜M₁反射后，再依次经过第三分光镜BS₃、第四分光镜BS₄和第五分光镜BS₅分光，再射入CCD或COMS靶面；另一束分光束依次经过第一分光镜BS₁、第二分光镜BS₂分光后，经第二反射镜M₂反射后，由汇聚透镜CL汇聚并照射到被测试件S表面；

第二束激光被第二偏振分光镜PBS₂分成两束；其中，一束分光束经第三反射镜M₃反射后，再依次经过第三分光镜BS₃、第四分光镜BS₄和第五分光镜BS₅分光，射入CCD或COMS靶面；另一束分光束依次经过第一分光镜BS₁、第二分光镜BS₂分光后，经第二反射镜M₂反射后，由汇聚透镜CL汇聚并照射到被测试件S表面；

第三束激光被第三偏振分光镜PBS₃分成两束；其中，一束分光束经第四反射镜M₄反射后，再依次经过第四分光镜BS₄和第五分光镜BS₅分光，射入CCD或COMS靶面；另一束分光束第二分光镜BS₂分光后，再经第二反射镜M₂反射后，由汇聚透镜CL汇聚并照射到被测试件S表面。本实施例通过调节光路中的反射镜以及分光镜，可控制参光与物光间的夹角，从而使测量光路满足离轴全息重建像间的可分离条件。尤其通过调节光路中的第一反射镜M₁、第三分光镜BS₃以及第四分光镜BS₄和第五分光镜BS₅，可控制参光与物光间的夹角，从而使测量光路满足离轴全息重建像间的可分离条件。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明基于3CCD或3CMOS的动态三波长数字全息测量方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。