[发明专利]一种基于色差和谱域干涉的光学3D成像装置及方法

说明书

本发明公开一种基于色差和谱域干涉的光学3D成像装置及方法，涉及光学干涉检测技术领域。该装置包括宽带光源，光源出射光入射第一透镜；第一透镜出射平行光入射分光装置；分光装置出射参考光和样品光；样品光依次经过第三透镜和第四透镜入射扫描振镜后经第五透镜以不同焦点聚焦在样品的不同深度层面上；参考光入射光栅，从光栅出射不同波长的参考光通过第二透镜聚焦反射镜表面；在第二透镜和反射镜之间设置三角形透光体；经反射镜反射的参考光和经样品的不同深度层面反射的样品光均进入分光装置后，再进入光谱仪中形成干涉光谱；光谱仪与扫描振镜均与计算机相连。实现了高纵向分辨率、高横向分辨率、大景深、大可测量角度，提高了解调精度。

技术领域

本发明涉及光学干涉检测技术领域，具体涉及一种基于色差和谱域干涉的光学3D成像装置及方法。

背景技术

随着精密制造业的发展，对3D成像技术的要求越来越高，光学干涉技术是一种重要的3D成像技术，具有非接触及分辨率高的优点，可以达到纳米及亚纳米的纵向分辨率，但是光学干涉技术的纵向测量范围和测量角度受到限制。

3D成像的纵向分辨率、横向分辨率、测量角度是衡量成像技术的重要因素，纵向分辨率受干涉技术影响，而横向分辨率则取决于光束聚焦在待测样品上的光斑尺寸。在光学成像技术中，景深与横向分辨率是一对相互制约的参数，横向分辨率为其中λ为波长，f为焦距，d为透镜通光孔径，由数值孔径定义式NA＝n*sinα，其中孔径角半数α较小时，由此可知如果想要高横向分辨率，就要采用大的数值孔径，但是大的数值孔径会导致景深变小，即纵向测量范围变小。此外，由于工业检测存在大量透明及高反光材质，例如手机外壳、玻璃面板和精加工的金属表面等，这些材质表面的漫反射较弱，进入探测系统的主要是镜面反射光，如图1所示，实线表示照射到样品的光锥，虚线表示经样品表面镜面反射的光锥，当探测点角度较大时，反射的光锥会偏离较大的方向，图1中的(a)图表示数值孔径较大的情况，反射光部分返回探测系统，因此可以测量到干涉光谱，图1中的(b)图表示数值孔径较小的情况，反射光不能进入探测系统，无法测量到该点的干涉光谱，因此较大的测量角度需要较大的数值孔径，较大的数值孔径同样有利于增大横向分辨，但是会导致景深较小，限制纵向测量范围。

在光学3D成像中，要求高横向分辨率、高纵向分辨率、大景深及大的可测量角度范围，通过增大数值孔径提高横向分辨率和可测量角度范围，但同时也会减小景深。色差技术可以解决横向分辨率、景深、可测量角度范围相互制约的问题，利用色散原理可形成多波长的不同焦点，可同时满足大景深、高横向分辨率和大测量角度范围的要求。但是色差技术需要带宽较大的光源，对于同一高度，干涉光谱的频率与光源的波数带宽Δk成正比，这会导致光学3D成像中的干涉光谱频率较高，而干涉光谱频率较高时，信号的衰减较大，导致信号的信噪比较低，影响解调精度。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种基于色差和谱域干涉的光学3D成像装置及方法，旨在解决光学3D成像中横向分辨率、可测量角度范围与大景深的这一矛盾。

本发明的技术方案为：

本发明第一方面提供一种基于色差和谱域干涉的光学3D成像装置，该装置包括宽带光源，所述宽带光源的出射光入射到第一透镜；从所述第一透镜出射平行光并入射到分光装置；从所述分光装置出射参考光和样品光；所述样品光入射第三透镜，所述第三透镜出射不同波长的样品光；所述不同波长的样品光通过第四透镜入射到扫描振镜后经过第五透镜以不同的焦点聚焦在样品的不同深度层面上；所述参考光入射光栅，从所述光栅出射的不同波长的参考光通过第二透镜而聚焦到反射镜的表面；在所述第二透镜和所述反射镜之间设置三角形透光体，以改变所述不同波长的参考光的光程；经所述反射镜的表面反射的参考光和经所述样品的不同深度层面反射的样品光进入所述分光装置后，再进入光谱仪中形成干涉光谱，所述光谱仪与所述扫描振镜均与计算机相连接。

进一步地，根据所述的基于色差和谱域干涉的光学3D成像装置，所述第一透镜为准直透镜。