本发明公开了一种新型的三维干涉成像光谱方法,利用双缝干涉装置,在物体前放置一个狭缝作为主波源,双缝作为子波源,用一柱面镜收集干涉光束,并用二维CCD探测器置于柱面镜的象平面上接收。本发明将干涉成像光谱技术和光学三维测量技术有机的结合起来,能同时测量物体三维空间信息和光谱信息,且可以直接将这些信息处理合成为物体的三维彩色照片。
1.一种三维干涉成像光谱方法,其特征在于,同时获取物体的三维空间立体信息和一维光谱信息,包括以下步骤:-设置一个双缝干涉装置,被测物体前放置一个狭缝;-被测物体反射光在双缝后产生干涉,使用一个柱面镜将干涉光束收集到沿探测器某一行的水平方向;-用二维CCD探测器置于柱面镜的象平面上接收干涉图;-狭缝上沿狭缝方向的不同视场点的干涉强度分布被探测器的不同行接收,从而获得一维光谱和物体沿狭缝方向的一维空间信息,再推扫被测物体,即可获得物体平面的空间信息;-进行傅立叶变换并计算波长各谱段的RGB值,获得被测物体的单色光谱图和复色照片;-将双缝中的一条平移离开被测物体一段距离,用于产生不为零的初始相位差;-用波长可调的激光光源作为照射光源,通过测量位相的变化值获得被测物体沿光轴方向的长度值。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述波长可调的激光光源为波长可调制的激光二极管光源。技术领域
本发明属于三维干涉成像光谱技术领域,尤其涉及一种同时获取物体的三维空间立体信息和一维光谱信息的方法。
背景技术
成像光谱技术指的是获取一系列具有二维空间坐标的光谱图,利用特征光谱达到识别目标的技术,其实质是既获得目标的空间图像,又得到其对应的光谱曲线。随着科学技术的发展,获取更多信息量:即从获得二维空间信息到获取三维空间信息;从单一的可见光成像向多谱段范围延伸;从只获取空间分辨信息到既获得空间信息,又获得光谱信息,已是一种趋势。到目前为止,已见报道的各种干涉成像光谱技术均是在如何提高光通量、光谱分辨率、视场等主要技术指标方面取得进展,但无论何种形式的干涉成像光谱技术仍只能获取二维空间信息和一维光谱信息;而各种三维面形测量技术也仅是在不断提高测量速度和测量精度,但仍只能测量物体表面各点的空间坐标,不能得到物体的光谱信息。特别是在三维测量技术中,随着工业的发展和技术的革新,在动漫制作、模具加工等行业中,要求获得颜色渲染的彩色三维数据,而目前在彩色三维数字化技术方面的主要方法有:彩色编码法即通过投射彩色光线到物体表面,拍摄彩色图像进行分析和计算得到彩色三维信息;运用激光平面主动扫描测量物体表面彩色三维数据,再通过手动操作进行数据拼接。这些方法由于需要多次拍摄再将数据融合,因此从本质上都需要进行相同点数据的对准和匹配,计算量较大且对准的精度难以保证。
发明内容
本发明提供了一种可同时获取物体的三维空间立体信息和一维光谱信息的三维干涉成像光谱方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:1.设置一个双缝干涉装置,被测物体前放置一个狭缝;2.被测物体反射光在双缝后产生干涉,使用一柱面镜将干涉光束收集到水平方向(沿二维CCD探测器某一行且平行于纸面);3.用二维CCD探测器置于柱面镜的象平面上接收干涉图;4.狭缝上位于沿狭缝(垂直于纸面)方向的不同视场点的干涉强度分布被探测器的不同行接收,从而获得一维光谱和物体沿狭缝方向的一维空间信息,再推扫物体经过狭缝时,即可获得物体平面的空间信息;5.进行傅立叶变换并计算波长各谱段的RGB值,获得被测物体的单色光谱图和复色照片;6.将双缝中的一条平移离开被测物体一段距离,用波长可调制的激光二极管作为照射光源,通过测量位相的变化值获得被测物体的长度值,即是深度信息。本发明具有的优点是:1)本测量方法可以多获得一维待测物的空间深度信息;和现有的三维测量技术相比,可以多获得物体的光谱信息。2)由于可以通过对干涉图进行傅立叶变换获得待测物上每一点的多光谱信息,即获得了待测物的一系列单色谱照片,因此很容易直接将这些照片合成为物体的三维彩色照片,避免了现有彩色三维测量技术中数据的拼接和对准问题。3)测量为非接触式,线扫描方式,使适用的场合更加广泛,也较大程度地提高了测量效率。4)采用波长可调的激光二极管测量相位的变化,避免了通常三维几何量测量中所采用的条纹投影法所带来的相位不确定性带来的缺点。
附图说明
下面结合附图对本发明作详细说明:图1为干涉成像原理图;图2为纵向深度信息测量原理图。附图标记:S-被测物前的狭缝、S₁-双缝干涉装置的第一狭缝、S₂-双缝干涉装置的第二狭缝、S₂’-位置移动前双缝干涉装置的第二狭缝的狭缝位置、S₃-位置移动后的双缝干涉装置的第二狭缝、CL-柱面镜;∏-柱面镜焦平面;L-可调制的激光二极管。
具体实施方式
二维空间信息和一维光谱信息的测量方法利用双缝干涉装置形成一种空间调制型的干涉成像光谱仪。如图1所示:双缝S₁、S₂垂直于纸面,物体前放置了一个狭缝S,位于狭缝S₁、S₂的对称轴上。S₁、S₂可以看做是由S发射的光波上的两个子波源。只要S₁、S₂的连线方向与X轴平行,则干涉图总是平行与Z轴(垂直于纸面向里)的直线条纹。设装置位于空气中,则光程差的表达式为:ΔSP=lxd---(1)]]>二维CCD探测器置于柱面镜CL的象平面上接收干涉图;柱面镜CL将干涉光束收集到水平方向(沿探测器某一行平行于纸面),这样,狭缝上位于垂直于纸面方向的不同视场点的干涉强度分布被探测器的不同行接收,这些干涉强度分布经傅立叶变换即可得到目标点的光谱分布,从而获得一维光谱和一维沿Z轴方向的空间信息。当推扫物体经过狭缝时,即可获得另一维即X轴方向的空间信息。狭缝S在这里还限制待测物体(光源)的大小对干涉图调制度的影响。由于柱面镜在纸面内没有光焦度,因此不影响光程差的结论。采集到的干涉图经图像采集卡后由专门编制的干涉图处理软件对其进行傅立叶变换和后继处理,获得待测目标的单色光谱图和复色照片。狭缝高度方向上的空间分辨率由狭缝的高度和CCD的行数来决定;狭缝宽度上的空间分辨率由狭缝本身的宽度来决定。例如,狭缝的宽度为0.1毫米,高为10毫米左右,则X轴方向的空间分辨率就是狭缝的宽度,Z轴的空间分辨率则和狭缝的高度以及CCD的垂直象元数有关,若采用的CCD相机为1024×1024,则Z轴方向的空间分辨率为:0.16′。光谱分辨率由光程差来决定,若双缝间距离为10mm,双缝距CCD相机350毫米,若CCD的象元尺寸为10u,则光谱分辨率约为32cm^-1。光轴方向深度空间信息的测量方法若将S到S₁的光程写成[SS₁],S到S₂的光程写成[SS₂],则两个子光源的初相位差为:ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="242"/>其中k₀为波数。一般情况下S都位于X=0的平面内,因此有ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="92"/>此时从S点到P点的光程差为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="295"/>此时的光程差表达式中并没有关于沿Y轴方向变化的参量。如图2所示,为了获得目标的深度信息(即沿Y轴方向的空间信息),将狭缝S₂沿Y轴方向平移距离H,改称为狭缝S₃,并用扩束后的激光光源L照明狭缝S。此时的初始相位差ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="58"/>将不再等于零。在图2的坐标系中,各点的坐标分别为:S(0,-(a+d))、S₁(1/2,-d);S₃(-1/2,-(d-H))、P(x,0);利用两点间距离公式和级数展开公式可以得到[SS3]-[SS1]=H-12(1a-1a+H)---(2)]]>如果a>>H,则上式可以简化为:[SS3]-[SS1]=H-H2a2---(3)]]>继续推导可以得出:[S3P]-[S1P]=lxd-H---(4)]]>因此总的光程差为ΔSP=lxd-H2a2---(5)]]>此时目标沿Y轴的空间信息已包含在光程差的表达式中。即沿Y轴方向,目标上不同的点具有不同的a值,因而具有不同的光程差和相位差。此时得到的激光干涉图可以表示为:I(x)=A₁(1+cosφ)其中,A₁为干涉图振幅,φ为两束光之间的相位差。本发明采用波长可以调制的激光二极管作为照射光源来求得相位。其主要原理是通过线性改变激光二极管的注入电流,获得不同的发射波长,通过测量位相的变化值就可以获得待测长度值。假设光程差为p(此处未使用光程差常用符号Δ,以避免和下面的Δλ相区别),激光二极管的初始发射波长为λ,则相位值为2πp/λ;如果此时激光的波长由λ变为λ+Δλ,则此时的相位变化为:ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="152"/>可以进一步化简为ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="90"/>由于Δλ和激光管的注入电流的改变量成正比,因此相位的变化量也和激光管注入电流的改变量成正比。由于λ和Δλ已知,而相位的改变量可以测量,这样就可以获得光程差的值。由式(5)可知,L、x、a、d均是已知量,因此就可以获得物体待测的深度信息H。该方法对距离的测量可以精确到1μm。