3D optical profilometry using fiber optics Lloyd`s mirror method

Abstract

Fiber optik Llyod ayna düzeneği, çeşitli optik girişim desenleri elde edilerekkatı cisimlerin üç boyutlu şekillerini belirlemek için incelenmiştir. Bu çalışmada ikitür fiber optik Lloyd sistemi kullanılmaktadır.Birincisi, aydınlık-karanlık şeritlerüretmek için tek-modlu bir optik fiber ve yüksek oranda yansıtıcı bir düzlem aynadanoluşmaktadır. İkincisi, istenilen uygulamalarda kare girişim deseni oluşumuna olanaksağlamak için, birbirine dik iki aynanın oluşturduğu v-oluk içine tek modlu optik fiberinyerleştirilmesi ile oluşturulur. İki tip fiber optik Lloyd tekniği ile elde edilmiş ışık desen-leri üç boyutlu cisimlerin üzerine yansıtılır. Nesnelerin yüzey topografyaları dolayısıylabiçimleri bozulan saçak desenleri dijital bir CCD kamera tarafından yakalanırlar ve üçboyutlu topografik yüzey haritalarını çıkarmak için aşağıdaki sinyal işleme teknikleriyleişlenirler: Fourier Dönüşüm Profilometresi, Faz Adım Profilometresi ve Sürekli Dal-gacık Dönüşüm Profilometresi. Bir optik mikroskop ve CCD kameraya hassas birşekilde dahil edilen birinci optik fiber düzeneği, mikron ölçeğindeki çeşitli nesnelerin3 boyutlu yükseklik dağılımını 5 µm'lik bir çözünürlükle elde etmek için geliştirildi.Önerilen tekniğin, ayarlanabilir bir frekansta yapılandırılmış ışık deseni üretmek içinoldukça elverişli ve pratik olduğu gösterilmiştir. Lloyd aynasına bağlı mikrometreyiayarlamak suretiyle fiber ve ayna arasındaki mesafeyi artırılarak, iki parlak saçakarasındaki uzaklık, projeksiyon ünitesinde herhangi bir ek parça kullanılmadan mikronölçeğine indirilebilir. Elde edilen görüntünün faz analizi, Tek Boyutlu Sürekli DalgacıkDönüşümü ile gerçekleştirilir.

A fiber optic Lloyd's mirror assembly is investigated to obtain various opticalinterference patterns for the detection of three-dimensional shapes of rigid bodies. Twotypes of the fiber optic Lloyds systems are used in this work. The first one consistsof a single mode optical fiber and a highly reflecting flat mirror to produce bright anddark strips. The second one is constructed by locating a single mode optical fiberin a v-groove, which is formed by two orthogonal flat mirrors to allow the genera-tion of square type interference patterns for the desired applications. The structuredlight patterns formed by these two fiber optic Lloyds techniques are projected ontothree-dimensional objects. Fringe patterns are deformed due to the objecs surfacetopographies, which are captured by a digital CCD camera and are processed with thefollowing signal processing techniques to accomplish their three-dimensional surfacetopographic maps: Fourier Transform Profilometry, Phase Stepping Profilometry, andContinuous Wavelet Transform Profilometry. The method is developed for extracting3D height distribution of various objects at the micron scale with a resolution of 5µm by elegantly interrogating the first fiber optic assembly to an optical microscopeand a CCD camera. It is demonstrated that the proposed technique is quite suitableand practical to produce a structured light pattern with an adjustable frequency. Byincreasing the distance between the fiber and the mirror with a micrometer stage inthe Lloys mirror assembly, the separation between the two bright fringes is lowereddown to the micron scale without using any additional elements as part of the opti-cal projection unit. The phase analysis of the acquired image is carried out by OneDimensional Continuous Wavelet Transform.