使用幹涉法的用於二維光程分布的絕對測量的裝置的製作方法

2023-10-23 17:52:12 1

專利名稱：使用幹涉法的用於二維光程分布的絕對測量的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於ニ維光程分布的絕對測量的裝置，以及，特別地但不唯一地涉及用於測量三維輪廓的這種裝置。
背景技術：
使用幹涉法測量絕對光程差是已知的。幹渉法是ー種用於測量物體和參考表面之間距離的完善的光學技術，精確度能達到光的波長的幾分之一。雖然有些時候用在逐點或逐線的配置中，但其用於以幹涉圖的形式提供ニ維信息時是最強大的。商用的示例包括光源元件測試、使用散斑幹渉法的位移場測量以及使用掃描白光幹渉法(SWLI)的小尺寸機械和電子器件的輪廓測定法。用於根據雙光束幹涉儀的光強分布的一般方程由下式給出I (x, y, k) = I0 (x, y) +I1 (x, y) cos [kz (x, y) + 0](I)其中，X和y是圖像平面坐標系，z是物體和參考表面之間的光程差，!是波之間的相位差，k是波數2^1/入，其中\是光束的波長，以及Itl和I1分別是直流(Itl)和調製(I1)強度。如果使用例如雷射器的窄帶光源，方程(I)可應用於不同類型的雙光束幹涉儀(例如，麥可遜、馬赫-澤德，等)，不論波前是平滑還是有散斑的。ー種已知的分析使用單波長幹涉儀生成的幹涉圖的方法是引入已知的相位差小。。通過隨著時間改變小。，記錄ー系列幹涉圖，可記下ー組方程，從中可提取出包絡的相位分布= W{kz(x, y)},其中W表示在-至的範圍上包絡給定的相位值的包絡操作。1另ー方面，真正的光程差函數z(x，y)與展開的相位分布cK成正比z (x, y) = 4)u(x, y) /k(2)反過來，(K與小w相關，關係如下4>u(x, y) = 4)w(x, y)+2 v(x, y)(3)
其中，V (x, y)是整數場變量。相位展開的過程，即確定v(x，y)場，對光程差沿著X和y平滑變化的情形是非常簡單的。然而，大多數時候並不是這種情況。一旦空間相位梯度超過每像素ー個n值，則僅基於相位數據，v(x，y)沒有唯一的解，因而相位展開是不可能的。即使相位場是連續的，相位分布的展開對2 的常量整數倍也是不確定的。這被稱為現有單波長幹渉法的唯一性問題。第二難題是，測量多個幹涉圖(或光強圖像)和執行它們之間的相位漂移需要的有限的獲取時間。外界擾動(振動，湍流，等)在施加的相位差中會導致大的誤差，因而在測量的相位上也導致了大的誤差。2』3通過使用空間的(與時間的相反)相位漂移技術和脈衝雷射照明，可有效地消除第二難題。然而，這些技術並沒有克服唯一性問題。解決前述對於唯一性問題的部分措施是記錄兩個波長入ェ和入2上的幹涉圖。鑑於採用單波長幹涉儀，光程差對、的整數倍是未知的，採用雙波長，光程差對合成波長入3的整數倍是未知的，合成波長由下式給出
As=X1Aylh-X2I(4)雖然這種方法可將清楚的光程差提高ー個量級，但在可見波長上這仍相應於亞10 級的清楚的光程差範圍。通過減少IX1-X2I増加Xs，則增加了展開誤差的風險，因此需要更多數量的光強測量值來獲得足夠的信噪比。獲得足夠的數據點需要的時間意味著這種全場雙波系統對外界擾動是非常敏感的。另ー解決方案涉及在被稱為波長掃描幹渉法(WSI)的技術中使用可調雷射源。使用視頻攝像機來記錄在一組離散波長上的幹涉圖序列。4_6與雙波長幹涉法相比，多波長方法提供了顯著地更好的動態範圍，但需要記錄較長時間的序列仍使得該技術易受外界擾動。
第三種解決方案被稱為掃描白光幹渉法(SWLI)，其構成了許多現有商用絕對光程長度測量儀器的原理。7_9在SWLI中，使用寬帶照明燈照明樣本。僅在樣本上光程差接近於零的區域上觀察到高可視度的條紋。通過機械地掃描樣本或參考鏡，最大條紋可視度的位置記錄在像素基上，這允許了當視場內的所有點通過零光程差表面時，生成完全的光程差地圖。這種技術的問題在於對昂貴的機械掃描裝置的需要。另外，這種技術也易受到外界擾動的影響。

發明內容
根據本發明的第一方面，提供用於ニ維光程分布絕對測量的裝置，其包括光源，用於以具有多個波長的光照明物體；幹涉儀，用於形成物體的至少一部分的圖像，該圖像包括寬帶幹涉圖；高光譜成像器，與幹涉儀光學連接，以將寬帶幹涉圖光譜地分隔成多個窄帶ニ維幹涉圖；寄存器，用於空間地記錄窄帶幹涉圖；提取器，用於從每個窄帶幹涉圖中相應的像素中提取ー維光強信號；以及計算器，用於針對物體上的每一點，根據與該點關聯的一維光強信號計算出頻率。根據本發明的第二方面，提供用於測量物體的三維形狀的裝置，該裝置包括根據本發明第一方面的裝置。因而，本發明提供了適於以具有多個波長的光同時照明待測物體的2-D幹涉儀。隨後，採用構成本發明一部分的高光譜成像系統分隔出不同的波長帶寬。本文中使用的術語「高光譜成像器」描述用於執行高光譜成像的裝置。本文中使用的術語「高光譜成像」描述同時獲得同一區域在多個窄的、連續的頻帶上的圖像的過程。通過高光譜成像過程獲得的高光譜數據包括多個連續的頻帶。高光譜成像器可用於獲得包括多個連續光譜帶的高光譜數據。由於入射光中包含有多個波長，上文提及的唯一性問題得到了解決。此外，由於以具有多個波長的光同時照明待測物體，在單次照明中即可測定物體表面的輪廓，在實踐中這消除或減弱了外界擾動對測量值的影響。通過本發明，可產生表示被照明的物體表面上的點的多個ニ維窄帶幹涉圖。如果照明的物體是光學平滑的，由於對生成的每個幹涉圖都使用了窄帶寬照明，產生的幹涉圖將包括條紋。如果物體是光學粗糙的，則可見一散斑場，而不是幹涉條紋。這是由於反射光的初相位是隨機的。在每種情況下，一窄帶幹涉圖和下一幹涉圖上給定像素上的幹涉圖相位差為與該像素上的z值成正比的量。光源可包括適於以具有連續寬帶光譜中的多個波長的光照明物體的寬帶光源。在另ー實施例中，光源可包括與頻率調製器操作地連接的寬帶光源。在本發明其它的實施例中，光源可包括光頻梳源。光頻梳定義為包含多個窄譜線的光。通常，窄譜線在頻率上均勻地間隔開，但是在一些實施例中，窄譜線在頻率上也可不均勻地間隔開。本發明的一個實施例中，高光譜成像器包括適於在多個相鄰模式上同時操作的鎖模雷射器。通過以這種方式操作雷射器，可生成光頻梳。在本發明的其它實施例中，寬帶光源可包括波長可調的窄帶光源，其可操作地與高頻調製器連接，例如高頻階躍函數發生器。通過對波長可調窄帶光源的波長進行高頻地階躍(st印ping)，可產生合成的、或表觀的光頻梳源。在本發明的這種實施例中，調製器可適於產生比物體被照明的時間的倒數高的頻率。此外，調製器，例如階躍函數發生器，可適於在物體被照明或記錄寬帶幹涉圖需要的時間期間階躍通過需要的波長。具有包括光頻梳源的光源的優點是，僅產生需要頻率上的光。因此可以理解，在本說明書中，術語「寬帶光源」可被解釋為包括與頻率調製器可操作地連接的窄帶光源，其中頻率調製器適於以高頻調節窄帶光源的波長。例如，曝光時間為Ims,則幾KHz或更多的調製頻率可滿足需求。在本發明的實施例中，光源包括產生具有連續波長帶寬中的多個波長的光的寬帶光源，高頻成像器可進ー步包括標準器。標準器作為梳濾波器，使得一組在波數上均勻隔開的離散波長進入高頻成像系統。在上文描述的產生光譜梳的實施例中，裝置適於將寬帶幹渉圖光譜地切分(slice)並生成多個窄帶ニ維幹涉圖。光譜切分可被描述為在用於照明物體的光的光譜分布中製造非連續。然後同一波長、但來自不同空間位置的光被放置在光譜分布中所製造的間隙之間。
在本發明可選的實施例中，高光譜成像器可包括取樣器，而不產生光譜梳，用以對寬帶幹涉圖的區域進行空間取樣和分隔，輸入至高光譜成像器的不同部分上。取樣器可包括例如ー組透鏡。在其它實施例中，取樣器可包括ー組光纖。在另外的實施例中，裝置可包括一組鏡子。在所有這些實施例中，例如個別透鏡的取樣器元件的尺寸小於物體上感興趣的區域。在本發明的這種實施例中，任何高光譜成像器可用來圖像切分(imageslice)寬帶幹涉圖。圖像切分可被認為是光在物體成像面上的空間分布中製造非連續的過程。不同波長、但來自同一空間位置的光被放置在空間分布中所產生的間隙之間。有關整數場光譜學的進ー步的信息可參見J. Allington Smith著的「Basicprinciples of integral field spectroscopy(整數場光譜學的基本原理)」,《新天文學》期刊(New Astronomy Reviews) 50 244-251 (2006)、LiangGao, Robert T. Kester, NathanHagen 及 Tomasz S. Tkaczyk 著「 SnapshotImage Mapping Spectrometer (IMS) with highsampling density forhyperspectral microscopy(用於高光譜顯微術的採用高取樣密度的快照成像繪圖光譜儀)」，Optics Express 18(14) 14330-14344(2010)。寄存器可適於空間地記錄ニ維幹涉圖，使得每ー 2D幹涉圖內、在特定像素上測繪的樣本圖區域在所有其它的幹涉圖中也可被辨識。在一些實施例中，取樣的k值均勻地隔開，其中相繼的幹涉圖之間的K階差值由A k表示。
提取器適於根據每ー相應的像素和每個幹涉圖提取一維光強信號。換言之，每ー窄帶幹涉圖可被認為是ー圖像，或者由多個像素組成的子圖像。每ー像素反過來對應於被照明物體上的點。由於每個2D幹涉圖都是有標引的，因此提取器能夠從每一幹涉圖中，提取出與一像素相關的ー維光強信號，該像素對應於被照明物體上的一特定點。計算器適於根據提取器獲得的一維光強信號，計算出每個像素的頻率。由於每個像素的頻率與該像素處的光程差成正比，因而能推導出絕對光程分布。高光譜成像器可包括光電探測器陣列。窄帶幹渉圖可設置為光電探測器陣列上空間地隔開的陣列。高光譜成像器可包括設置在幹涉儀和物體下遊的衍射光柵。衍射光柵用於隔開不同。高光譜成像器可包括設置在幹涉儀和物體下遊的色散元件。色散元件用於隔開寬帶幹涉圖內不同的波長以生成三維立體圖像(image volume)。色散元件可包括任何合宜的元件，例如包括衍射光柵或稜鏡。可選地，高光譜成像器可包括設置在幹渉儀下遊的反射立體全息圖，在反射立體全息圖中寫入了多個布拉格光柵。裝置可進ー步包括數據處理器，例如具有關聯的內存的數字電腦。在這種實施例中，窄帶幹涉圖陣列可被讀出輸入數據處理器，用於進一歩地處理以計算光程差。寄存器可適於參照圖像的X和y坐標記錄單個子圖像，以形成三維光強分布。在這種實施例中，窄帶幹涉圖被堆疊以形成沿著z軸、X軸和y軸延伸的高透視立體圖像。Z軸表示每ー幹涉圖的波數。高光譜立體圖像可被定義為I(xm，yn，kp)，下標m，n和p分別取值m = 0，1，2，... ,Nx-l,n = 0,1,2,...，Ny_l，以及 p = 0,1,2,...，Nk_l，Nx，Ny 和 Nk 為沿著各個軸的取樣點的個數。Nx和Ny選擇為保證整個視場上有充足數量的空間取樣點(即，Nx，Ny的結果是光程差的最終圖像中的像素的數量)。相鄰幹涉圖之間的空間間隔必須充足以確保不會重疊(例如，高光譜圖像沿著X軸分隔圖像時被至少Nx個像素隔開)。相鄰幹涉圖之間的k間隔(Ak)被選擇為使得系統可通過方程(5)覆蓋給定的需要的深度範圍。根據方程(I)，給定Xm = X0, yn = y0位置處(像素)所測量的光強以k、角度頻率z (x0, y0)餘弦地變化。通過對光強值1( , y0, k)執行參考k的一維傅立葉變換可測量頻率，在減去平均值之後，尋找位於z = z (x0, y0)處的變換的峰值。在所有(Xm，yn)像素位置處重複這種處理，因而根據單次照明測量提供了絕對ニ維光程差分布。K軸所提供的其它信息可靠地確定了絕對光程長度，即使視場可能包含空間隔開的區域一這種情況下無法僅根據單次窄帶成像正確地進行展開。最大的清楚的深度範圍由香農取樣定理給出，香農取樣定理規定了為確保Uxtl,10，k)信號有充足的取樣，方程(I)中的kz(x，y)項在相繼的k取樣之間的變化不得超過^。這導致了允許的最大Z值Z = Zm,其中
權利要求
1.一種用於ニ維光程分布的絕對測量的裝置，包括 光源，用於以具有多個波長的光照明物體； 幹涉儀，用於形成物體的至少一部分的圖像，該圖像包括寬帶幹涉圖； 高光譜成像器，與幹涉儀光學連接，用於將寬帶幹涉圖光譜地分成多個窄帶ニ維幹涉圖； 寄存器，用於空間地記錄窄帶幹涉圖； 提取器，用於從每個窄帶幹涉圖中相應的像素中提取ー維光強信號；以及 計算器，用於針對對象上的每一點，根據與該點關聯的一維光強信號計算出頻率。
2.根據權利要求I的裝置，其中光源包括與頻率調製器操作地連接的窄帶光源。
3.根據權利要求I的裝置，其中光源包括光頻梳源。
4.根據權利要求I或2的裝置，其中高光譜成像器進ー步地包括標準器。
5.根據前述任ー權利要求的裝置，其中高光譜成像器包括設置在幹渉儀下遊的色散元件。
6.根據權利要求1-4之一的裝置，其中高光譜成像器包括設置在幹涉儀下遊的已寫入多個布拉格光柵的反射型立體全息圖。
7.根據前述任ー權利要求的裝置，進ー步地包括與高光譜成像器可操作地連接的數據處理器。
8.根據前述任ー權利要求的裝置，其中高光譜成像器包括光電探測器陣列。
9.根據前述任ー權利要求的裝置，包括用於照明物體的多個光源。
10.根據權利要求9的裝置，其中多個寬帶光源生成的光的帶寬彼此之間光譜地隔開。
11.一種用於ニ維光程分布的絕對測量的方法，包括下述步驟 通過將光透過幹涉儀，以具有多個波長的光照明物體以生成物體的寬帶幹涉圖； 光譜地分隔寬帶幹涉圖，以形成多個ニ維窄帶幹涉圖； 空間地記錄ニ維幹涉圖； 從每個窄帶幹涉圖中相應的像素中提取ー維光強信號；以及 針對對象上的每一點、根據與該點關聯的一維光強信號計算出頻率。
12.根據權利要求11的方法，其中以寬帶光照明物體的步驟包括以高頻率調製窄帶光的步驟，以產生合成的、或表觀的寬帶光源。
13.根據權利要求11或12的方法，其中空間地記錄ニ維幹涉圖的步驟包括在所有窄帶幹涉圖中辨識樣本上共同點的像素位置的步驟。
14.根據權利要求11-13之一的方法，其中空間地記錄ニ維幹涉圖的步驟包括形成ニ維窄帶幹涉圖的三維光強分布的步驟。
15.根據權利要求14的方法，其中形成ニ維窄帶幹涉圖的三維光強分布的步驟包括根據幹涉圖的X和y坐標記錄單個窄帶幹涉圖，沿著k軸堆疊記錄的幹涉圖以形成樣本高光譜立體圖像的步驟，其中k軸表示每ー幹涉圖的波數。
16.根據權利要求11-15之一的方法，其中從每ー幹涉圖中相應的像素中提取ー維光強信號的步驟包括通過ー維傅立葉變換，測量沿著k軸穿過空間記錄的幹渉圖的頻率。
17.根據權利要求13-15之一的方法，其中以具有多個波長的光照明物體的步驟包括以來自多個光源的寬帶光照明物體以產生寬帶光的多個帶寬，其中每ー帶寬與其它帶寬之間光譜地隔開。
18.ー種裝置，如本說明書上文參考附圖
所描述的。
19.ー種方法，如本說明書上文參考附圖所描述的。
全文摘要
一種用於二維光程分布的絕對測量的裝置，包括光源(4)，用於以具有多個波長的光照明物體(26)；幹涉儀(12)，用於形成物體的至少一部分的圖像，該圖像包括寬帶幹涉圖；高光譜成像器(30)，與幹涉儀光學連接，用於將寬帶幹涉圖光譜地分成多個窄帶二維幹涉圖(72，74，76)；寄存器(38)，用於空間地記錄窄帶幹涉圖；提取器，用於從每個窄帶幹涉圖中相應的像素中提取一維光強信號；以及計算器(100)，用於針對對象上的每一點，根據與該點關聯的一維光強信號計算出頻率。
文檔編號G01B11/24GK102656420SQ201080042357
公開日2012年9月5日 申請日期2010年7月20日 優先權日2009年7月23日
發明者J·M·亨特利, P·D·魯伊茲, T·威查納爾科 申請人:拉夫伯勒大學