[发明专利]光谱共焦扫描共光路数字全息测量系统及测量方法

说明书

本发明为一种光谱共焦扫描共光路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，待测物体位于聚焦色散元件的聚焦范围内，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双焦点衍射元件，双焦点衍射元件后方设置有图像传感器，图像传感器置于双焦点衍射元件后小焦距以内，光纤光谱仪和图像传感器分别与计算机连接。

技术领域：

本发明属于数字全息测量技术领域，涉及一种光谱共焦扫描共光路数字全息测量系统及测量方法。

背景技术：

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。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、内部分层的微观结构，无法实现三维结构的快速测量。

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。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种光谱共焦扫描共光路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。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种光谱共焦扫描共光路数字全息测量系统，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，待测物体位于聚焦色散元件的聚焦范围内，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双焦点衍射元件，双焦点衍射元件后方设置有图像传感器，图像传感器置于双焦点衍射元件后小焦距以内，光纤光谱仪和图像传感器分别与计算机连接。

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。

一种光谱共焦扫描共光路数字全息测量系统的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

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；

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双焦点衍射元件聚焦后，将透射光线在图像传感器的前后分成两个会聚光束焦点，该会聚光束在图像传感器靶面形成数字全息干涉图；

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，利用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；

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。