專利名稱：三維干涉成像光譜方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于三維干涉成像光譜技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種同時(shí)獲取物體的三維空間 立體信息和一維光譜信息的方法。
背景技術(shù)：
成像光譜技術(shù)指的是獲取一系列具有二維空間坐標(biāo)的光譜圖，利用特征光譜達(dá)到 識(shí)別目標(biāo)的技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是既獲得目標(biāo)的空間圖像，又得到其對應(yīng)的光譜曲線。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，獲取更多信息量即從獲得二維空間信息到獲取三維空間 信息；從單一的可見光成像向多譜段范圍延伸；從只獲取空間分辨信息到既獲得空間信 息，又獲得光譜信息，已是一種趨勢。到目前為止，已見報(bào)道的各種干涉成像光譜技術(shù)均是在如何提高光通量、光譜分 辨率、視場等主要技術(shù)指標(biāo)方面取得進(jìn)展，但無論何種形式的干涉成像光譜技術(shù)仍只能獲 取二維空間信息和一維光譜信息；而各種三維面形測量技術(shù)也僅是在不斷提高測量速度和 測量精度，但仍只能測量物體表面各點(diǎn)的空間坐標(biāo)，不能得到物體的光譜信息。特別是在三 維測量技術(shù)中，隨著工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的革新，在動(dòng)漫制作、模具加工等行業(yè)中，要求獲得 顏色渲染的彩色三維數(shù)據(jù)，而目前在彩色三維數(shù)字化技術(shù)方面的主要方法有彩色編碼法 即通過投射彩色光線到物體表面，拍攝彩色圖像進(jìn)行分析和計(jì)算得到彩色三維信息；運(yùn)用 激光平面主動(dòng)掃描測量物體表面彩色三維數(shù)據(jù)，再通過手動(dòng)操作進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接。這些方法 由于需要多次拍攝再將數(shù)據(jù)融合，因此從本質(zhì)上都需要進(jìn)行相同點(diǎn)數(shù)據(jù)的對準(zhǔn)和匹配，計(jì) 算量較大且對準(zhǔn)的精度難以保證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種可同時(shí)獲取物體的三維空間立體信息和一維光譜信息的三維 干涉成像光譜方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是1.設(shè)置一個(gè)雙縫干涉裝置，被測物體前放置一個(gè)狹縫；2.被測物體反射光在雙縫后產(chǎn)生干涉，使用一柱面鏡將干涉光束收集到水平方向 (沿二維(XD探測器某一行且平行于紙面)；3.用二維(XD探測器置于柱面鏡的象平面上接收干涉圖；4.狹縫上位于沿狹縫(垂直于紙面)方向的不同視場點(diǎn)的干涉強(qiáng)度分布被探測器 的不同行接收，從而獲得一維光譜和物體沿狹縫方向的一維空間信息，再推掃物體經(jīng)過狹 縫時(shí)，即可獲得物體平面的空間信息；5.進(jìn)行傅立葉變換并計(jì)算波長各譜段的RGB值，獲得被測物體的單色光譜圖和復(fù) 色照片；6.將雙縫中的一條平移離開被測物體一段距離，用波長可調(diào)制的激光二極管作為 照射光源，通過測量位相的變化值獲得被測物體的長度值，即是深度信息。
本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)是1)本測量方法可以多獲得一維待測物的空間深度信息；和現(xiàn)有的三維測量技術(shù) 相比，可以多獲得物體的光譜信息。2)由于可以通過對干涉圖進(jìn)行傅立葉變換獲得待測物上每一點(diǎn)的多光譜信息，即 獲得了待測物的一系列單色譜照片，因此很容易直接將這些照片合成為物體的三維彩色照 片，避免了現(xiàn)有彩色三維測量技術(shù)中數(shù)據(jù)的拼接和對準(zhǔn)問題。3)測量為非接觸式，線掃描方式，使適用的場合更加廣泛，也較大程度地提高了測
量效率。4)采用波長可調(diào)的激光二極管測量相位的變化，避免了通常三維幾何量測量中所 采用的條紋投影法所帶來的相位不確定性帶來的缺點(diǎn)。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)說明圖1為干涉成像原理圖；圖2為縱向深度信息測量原理圖。附圖標(biāo)記S-被測物前的狹縫、Sr雙縫干涉裝置的第一狹縫、S2_雙縫干涉裝置的第二狹縫、S2’ -位置移動(dòng)前雙縫干涉裝置的第二狹縫的狹縫位置、S3-位置移動(dòng)后的雙縫干涉裝置的第二狹縫、CL-柱面鏡；II -柱面鏡焦平面；L-可調(diào)制的激光二極管。
具體實(shí)施例方式二維空間信息和一維光譜信息的測量方法利用雙縫干涉裝置形成一種空間調(diào)制型的干涉成像光譜儀。如圖1所示雙縫Sp s2垂直于紙面，物體前放置了一個(gè)狹縫S，位于狹縫Si、S2的對稱軸上。Si、S2可以看做是由 S發(fā)射的光波上的兩個(gè)子波源。只要Si、S2的連線方向與X軸平行，則干涉圖總是平行與Z 軸(垂直于紙面向里)的直線條紋。設(shè)裝置位于空氣中，則光程差的表達(dá)式為<formula>formula see original document page 4</formula>
(1)二維CCD探測器置于柱面鏡CL的象平面上接收干涉圖；柱面鏡CL將干涉光束收 集到水平方向(沿探測器某一行平行于紙面)，這樣，狹縫上位于垂直于紙面方向的不同視 場點(diǎn)的干涉強(qiáng)度分布被探測器的不同行接收，這些干涉強(qiáng)度分布經(jīng)傅立葉變換即可得到目 標(biāo)點(diǎn)的光譜分布，從而獲得一維光譜和一維沿Z軸方向的空間信息。當(dāng)推掃物體經(jīng)過狹縫時(shí)，即可獲得另一維即X軸方向的空間信息。狹縫S在這里還 限制待測物體(光源)的大小對干涉圖調(diào)制度的影響。由于柱面鏡在紙面內(nèi)沒有光焦度， 因此不影響光程差的結(jié)論。采集到的干涉圖經(jīng)圖像采集卡后由專門編制的干涉圖處理軟件 對其進(jìn)行傅立葉變換和后繼處理，獲得待測目標(biāo)的單色光譜圖和復(fù)色照片。狹縫高度方向上的空間分辨率由狹縫的高度和CCD的行數(shù)來決定；狹縫寬度上的空間分辨率由狹縫本身的寬度來決定。例如，狹縫的寬度為0. 1毫米，高為10毫米左右，則 X軸方向的空間分辨率就是狹縫的寬度，Z軸的空間分辨率則和狹縫的高度以及CCD的垂直 象元數(shù)有關(guān)，若采用的(XD相機(jī)為1024X1024，則Z軸方向的空間分辨率為0. 16'。光譜 分辨率由光程差來決定，若雙縫間距離為10mm，雙縫距(XD相機(jī)350毫米，若(XD的象元尺 寸為10u，則光譜分辨率約為32CHT1。光軸方向深度空間信息的測量方法若將S到Si的光程寫成[SSJ，S到S2的光程寫成[SS2]，則兩個(gè)子光源的初相位 差為灼。=。其中K為波數(shù)。一般情況下S都位于X = 0的平面
內(nèi)，因此有徹此時(shí)從S點(diǎn)到P點(diǎn)的光程差為<formula>formula see original document page 5</formula>此時(shí)的光程差表達(dá)式中并沒有關(guān)于沿Y軸方向變化的參量。如圖2所示，為了獲得目標(biāo)的深度信息(即沿Y軸方向的空間信息)，將狹縫S2沿 Y軸方向平移距離H，改稱為狹縫S3，并用擴(kuò)束后的激光光源L照明狹縫S。此時(shí)的初始相 位差奶C-釣G將不再等于零。在圖2的坐標(biāo)系中，各點(diǎn)的坐標(biāo)分別為S(0，-(a+d))、Sjl/2，_d)； S3(-l/2，-(d-H))、P(x，0)；利用兩點(diǎn)間距離公式和級(jí)數(shù)展開公式可以得到<formula>formula see original document page 5</formula>(2)如果a >> H，則上式可以簡化為<formula>formula see original document page 5</formula>(3)繼續(xù)推導(dǎo)可以得出<formula>formula see original document page 5</formula>(4)因此總的光程差為<formula>formula see original document page 5</formula>(5)此時(shí)目標(biāo)沿Y軸的空間信息已包含在光程差的表達(dá)式中。即沿Y軸方向，目標(biāo)上 不同的點(diǎn)具有不同的a值，因而具有不同的光程差和相位差。此時(shí)得到的激光干涉圖可以表示為<formula>formula see original document page 5</formula>其中，~為干涉圖振幅， 為兩束光之間的相位差。本發(fā)明采用波長可以調(diào)制的激 光二極管作為照射光源來求得相位。其主要原理是通過線性改變激光二極管的注入電流， 獲得不同的發(fā)射波長，通過測量位相的變化值就可以獲得待測長度值。假設(shè)光程差為p (此處未使用光程差常用符號(hào)A，以避免和下面的A A相區(qū)別)， 激光二極管的初始發(fā)射波長為、則相位值為2JIP/X ；如果此時(shí)激光的波長由\變?yōu)?br> 入+A X，則此時(shí)的相位變化為A《 = 2印,可以進(jìn)一步化簡為知=2變f由于
A A和激光管的注入電流的改變量成正比，因此相位的變化量也和激光管注入電流的改變 量成正比。由于X和A X已知，而相位的改變量可以測量，這樣就可以獲得光程差的值。由式(5)可知，L、x、a、d均是已知量，因此就可以獲得物體待測的深度信息H。該方法對距 離的測量可以精確到lym。
權(quán)利要求
一種三維干涉成像光譜方法，其特征在于，同時(shí)獲取物體的三維空間立體信息和一維光譜信息，包括以下步驟-設(shè)置一個(gè)雙縫干涉裝置，被測物體前放置一個(gè)狹縫；-被測物體反射光在雙縫后產(chǎn)生干涉，使用一個(gè)柱面鏡將干涉光束收集到沿探測器某一行的水平方向；-用二維CCD探測器置于柱面鏡的象平面上接收干涉圖；-狹縫上沿狹縫方向的不同視場點(diǎn)的干涉強(qiáng)度分布被探測器的不同行接收，從而獲得一維光譜和物體沿狹縫方向的一維空間信息，再推掃被測物體，即可獲得物體平面的空間信息；-進(jìn)行傅立葉變換并計(jì)算波長各譜段的RGB值，獲得被測物體的單色光譜圖和復(fù)色照片；-將雙縫中的一條平移離開被測物體一段距離，用于產(chǎn)生不為零的初始相位差；-用波長可調(diào)的激光光源作為照射光源，通過測量位相的變化值獲得被測物體沿光軸方向的長度值。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述波長可調(diào)的激光光源為波長可調(diào)制的 激光二極管光源。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型的三維干涉成像光譜方法，利用雙縫干涉裝置，在物體前放置一個(gè)狹縫作為主波源，雙縫作為子波源，用一柱面鏡收集干涉光束，并用二維CCD探測器置于柱面鏡的象平面上接收。本發(fā)明將干涉成像光譜技術(shù)和光學(xué)三維測量技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來，能同時(shí)測量物體三維空間信息和光譜信息，且可以直接將這些信息處理合成為物體的三維彩色照片。
文檔編號(hào)G01J3/45GK101819066SQ201010159728
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者馮其波, 林澤鳴, 陳筱磊, 高瞻 申請人:北京交通大學(xué)