一种提高相位精度的方法及装置与流程

本发明涉及光学探测技术领域，尤其涉及一种提高相位精度的方法及装置。

背景技术：

相移干涉术(PSI)是一种高精度的相位测量技术，广泛应用于光学元件表面检测，形变检测，数字全息等领域。一般而言，至少需要三幅相移干涉图像才能由相移算法恢复出相位。

目前，对于相移干涉图像的相移量提取与相位恢复问题，一方面围绕着从多幅未知相移量的干涉图像直接恢复相位做深入研究。另一方面是从多幅未知相移量的干涉图像中先提取干涉图像之间的相移量，之后再确定待测物体的相位。其中，可以运用三步相移算法，四步相移算法，N步相移算法等在相移量已知的情况下恢复待测物体的相位。

但目前通过从相移干涉图像中提取相移量并恢复相位的方法，存在如下的缺陷：采用相移量提取算法对干涉图像进行相移量提取时，相移量提取的误差较大，并且恢复的待测物体的相位误差也较大。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种提高相位精度的方法及装置，以解决现有技术中相移量提取精度以及相位恢复精度低的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种提高相位精度的方法，包括：

获取由参考光束和穿过待测物体的探测光束形成的预设数量的相移干涉图像；

对所述相移干涉图像进行差分处理，获取差分相移干涉图像；

对所述差分相移干涉图像进行归一化处理，获取归一化的差分相移干涉图像；

将归一化的差分相移干涉图像中设定区域内的数据进行清零，并基于清零后的图像确定目标相移量，其中，所述目标相移量为在经差分处理的相移干涉图像中，任意两个相移量不为0的相移干涉图像之间的相位差；

基于所述目标相移量确定所述相移干涉图像中携带的待测物体带有包裹的相位信息，并对带有包裹的相位信息进行解包裹处理。

第二方面，本发明实施例还提供了一种提高相位精度的装置，包括：

相移干涉图像获取模块，用于获取由参考光束和穿过待测物体的探测光束形成的预设数量的相移干涉图像；

差分处理模块，用于对所述相移干涉图像进行差分处理，获取差分相移干涉图像；

归一化处理模块，用于对所述差分相移干涉图像进行归一化处理，获取归一化的差分相移干涉图像；

目标相移量确定模块，用于将归一化的差分相移干涉图像中设定区域内的数据进行清零，并基于清零后的图像确定目标相移量，其中，所述目标相移量为在经差分处理的相移干涉图像中，任意两个相移量不为0的相移干涉图像之间的相位差；

相位确定模块，用于基于所述目标相移量确定所述相移干涉图像中携带的待测物体带有包裹的相位信息，并对带有包裹的相位信息进行解包裹处理。

本发明实施例提供的技术方案，通过在相移量提取过程中，将归一化的差分相移干涉图像中设定区域内的数据进行清零，并基于清零后的图像确定相移目标相移量，并基于目标相移量确定待测物体的相位；能够提高相移量提取的精度以及提高相位恢复的精度，减小误差。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施例提供的一种提高相位精度的方法流程图；

图2a是本发明实施例提供的一条直条纹相移干涉图像；

图2b是采用传统的未清零方法获得的图2a中待测物体带有包裹的相位图；

图2c是图2b解包后的相位图；

图2d是采用未清零方法获得的直条纹相移干涉图像相位恢复的误差图；

图3a是本发明实施例提供的圆环相移干涉图像；

图3b是采用传统的未清零方法获得的图3a中待测物体带有包裹的相位图；

图3c是图3b解包后的相位图；

图3d是通过未清零方法获得的圆环相移干涉图像的相位恢复误差图；

图4a是本发明实施例提供的另一条直条纹相移干涉图像；

图4b是第一幅归一化且清零的直条纹差分相移干涉图像；

图4c是第二幅归一化且清零的直条纹差分相移干涉图像；

图4d是通过图4b和图4c获得的待测物体带有包裹的相位图；

图4e是图4d解包后的相位图；

图4f是通过清零的方法获得的直条纹相移干涉图像的相位恢复误差图；

图5a是本发明实施例提供的另一条圆环相移干涉图像；

图5b是第一幅归一化且清零的圆环差分相移干涉图像；

图5c是第二幅归一化且清零的圆环差分相移干涉图像；

图5d是通过图5b和图5c获得的待测物体带有包裹的相位图；

图5e是是图5d解包后的相位图；

图5f是通过清零的方法获得的圆环相移干涉图像的相位恢复误差图；

图6是本发明实施例提供的一种提高相位精度的装置的结构框图；

图7是本发明实施例提供的相移干涉图像采集装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的一种提高相位精度的方法流程图，如图1所示，本实施例提供的技术方案具体如下：

S110：获取由参考光束和穿过待测物体的探测光束形成的预设数量的相移干涉图像。

在本实施例中，预设数量可以是100幅、50幅，还可以是其他数量，可以根据需要进行选择。相移干涉图像可以由干涉图像采集装置进行采集，其中，每两幅相移干涉图像之间的相移量可以相同，或者也可以不相同。相移干涉图像能够反映待测物体的相位信息，且待测物体的相位信息能够反映待测物体的形貌等属性。

在本实施例中，可选的，相移干涉图像为圆环干涉图像；并且相移干涉图像也可以是直条纹相移干涉图像。针对相移干涉图像，第n幅相移干涉图像中第k个像素点的光强可以表示为：

其中，I_n,k为第n幅相移干涉图像中第k个像素点的光强值；a_k为相移干涉图像的背景，b_k为调制振幅，为待测物体的相位，且每一幅相移干涉图像中待测物体的相位相同；K为第n幅相移干涉图像中像素点的个数；N为相移干涉图像的相移步数；当相移步数为N时，可以获取N幅相移干涉图像。θ_n为第n幅相移干涉图像的相移量，当n＝1时，θ_n＝0，即第一幅相移干涉图像的相移量为0。

S120：对所述相移干涉图像进行差分处理，获取差分相移干涉图像。

在本实施例中，可选的，采用三步相位解调算法，对相移干涉图像进行差分处理。示例性的，对所述相移干涉图像进行差分处理，获取差分相移干涉图像，包括：从预设数量的相移干涉图像中选取三幅相移干涉图像；将选取的第一幅相移干涉图像分别与第二幅相移干涉图像和第三幅相移干涉图像进行相减处理，获取第一幅差分相移干涉图像和第二幅差分相移干涉图像，其中选取的第一幅相移干涉图像的相移量为0。

具体的，从预设数量的相移干涉图像中选取第一幅相移干涉图像，第m幅相移干涉图像和第n幅相移干涉图像。采用第一幅相移干涉图像分别与第m幅相移干涉图像、第n幅相移干涉图像进行相减操作，其中，m和n不相等。在本实施例中，可选的，从预设数量的相移干涉图像中选取第一幅相移干涉图像，第二幅相移干涉图像和第三幅相移干涉图像，将第一幅相移干涉图像分别与第二幅相移干涉图像、第三幅相移干涉图像进行相减，得到两幅差分相移干涉图像。两幅差分相移干涉图像可表示为：

其中，D_1,k为第一幅差分相移干涉图像中第k个像素点的光强值；D_2,k为第二幅差分相移干涉图像中k个像素点的光强值。I_1,k为第一幅相移干涉图像中第k个像素点的光强值；I_2,k为第二幅相移干涉图像中第k个像素点的光强值；I_3,k为第三幅相移干涉图像中第k个像素点的光强值；θ₂为第二幅相移干涉图像的相移量；θ₃为第三幅相移干涉图像的相移量；由此，Δ为第三幅相移干涉图像和第二幅相移干涉图像之间相位差的1/2。

S130：对所述差分相移干涉图像进行归一化处理，获取归一化的差分相移干涉图像。

在本实施例中，对获取的两幅差分相移干涉图像进行归一化处理，具体为：

其中，E_1,k为归一化的第一幅差分相移干涉图像中第k个像素点的光强值；E_2,k为归一化的第二幅差分相移干涉图像中第k个像素点的光强值。

S140：将归一化的差分相移干涉图像中设定区域内的数据进行清零，并基于清零后的图像确定目标相移量。

在本实施例中，目标相移量为在经差分处理的相移干涉图像中，任意两个相移量不为0的相移干涉图像之间的相位差。当相移干涉图像为圆环干涉图像时，设定区域覆盖归一化的差分相移干涉图像的中心圆环所在的区域。将归一化的差分相移干涉图像中设定区域内的数据进行清零，即将设定区域内的光强值均为0。

在本实施例中，示例性的，基于清零后的图像确定目标相移量，包括：基于如下的公式确定目标相移量：其中Δ为目标相移量的1/2，且为第三幅相移干涉图像与第二幅相移干涉图像之间相位差的1/2；E′_1,k为第一幅归一化且清零的差分相移干涉图中第k个像素点的光强值；E′_2,k为第二幅归一化且清零的差分相移干涉图中第k个像素点的光强值。

在本实施例中，对于目标相移量计算公式的推导过程如下：如果相移干涉图像中至少有一个条纹，通过公式(4)和公式(5)，ξ₁≈ξ₂，利用统计求和法，实现待测物体的相位与相移量的分离，可得到如下表达式：

若相移干涉图像中存在至少一个条纹，存在如下条件：

由公式(6)，公式(7)和公式(8)式可得：

由于(θ₃-θ₂)为第三幅相移干涉图像和第二相移干涉图像相之间的相位差，由此，通过公式(9)和公式可以得到第三幅相移干涉图像和第二相移干涉图像之间的相位差。其中，对于公式(9)中Δ的求解，与第一幅归一化的差分相移干涉图像以及第二幅归一化的差分相移干涉图像相关。

在本实施例中，当将归一化的差分相移干涉图中设定区域的数据进行清零后，将两幅清零后且归一化的差分相移干涉图像带入公式(9)中，得到并计算目标相移量，即第三幅相移干涉图像和第二相移干涉图像之间的相位差。

S150：基于所述目标相移量确定所述相移干涉图像中携带的待测物体带有包裹的相位信息，并对带有包裹的相位信息进行解包裹处理。

在本实施例中，示例性的，基于如下的公式确定所述相移干涉图像中携带的待测物体带有包裹的相位信息：其中，Φ_k为所述相位信息，Δ为所述目标相移量1/2，且为第三幅相移干涉图像和第二幅相移干涉图像之间相位差的1/2；E_1,k为第一幅差分相移干涉图中第k个像素点的光强值；E_2,k为第二幅差分相移干涉图中第k个像素点的光强值。其中，公式可通过公式(4)和公式(5)进行获得。

在本实施例中，因所以当获得Φ_k时，可以获得待测物体的相位信息。通过公式得到的待测物体的相位包裹在[-π,π]之间。基于最小二乘法对待测物体的带有包裹的相位信息进行解包，即将不连续的相位进行展开，形成连续的相位分布。通过得到的待测物体的相位，能够获知待测物体表明形貌等属性。

通过在相移量提取过程中，将归一化的差分相移干涉图像中设定区域内的数据进行清零，并基于清零后的图像确定目标相移量，以及基于目标相移量确定待测物体的相位，提高了相移量提取的精度，并提高了相位恢复的精度，减小了误差。

为了验证上述方法的正确性，通过上述清零的方法以及传统的未清零的方法从圆环相移干涉图像和直条纹相移干涉图像中恢复待测物体的相位，并进行了误差分析。图2a是本发明实施例提供的一条直条纹相移干涉图像，图2b是采用传统的未清零方法获得的图2a中待测物体带有包裹的相位图；图2c是图2b解包后的相位图；图2d是采用未清零方法获得的直条纹相移干涉图像相位恢复的误差图。图3a是本发明实施例提供的圆环相移干涉图像；图3b是采用传统的未清零方法获得的图3a中待测物体带有包裹的相位图；图3c是图3b解包后的相位图；图3d是通过未清零方法获得的圆环相移干涉图像的相位恢复误差图。图4a是本发明实施例提供的另一条直条纹相移干涉图像，图4b是第一幅归一化且清零的直条纹差分相移干涉图像；图4c是第二幅归一化且清零的直条纹差分相移干涉图像；图4d是通过图4b和图4c获得的待测物体带有包裹的相位图；图4e是是图4d解包后的相位图；图4f是通过清零的方法获得的直条纹相移干涉图像的相位恢复误差图。图5a是本发明实施例提供的另一条圆环相移干涉图像，图5b是第一幅归一化且清零的圆环差分相移干涉图像；图5c是第二幅归一化且清零的圆环差分相移干涉图像；图5d是通过图5b和图5c获得的待测物体带有包裹的相位图；图5e是图5d解包后的相位图；图5f是通过清零的方法获得的圆环相移干涉图像的相位恢复误差图。如图2a-2d和图4a-4f所示，对于直条纹相移干涉图像，通过传统的未清零的方法以及本发明中提供的清零的方法恢复的待测物体相位的误差不同。如图3a-3d和图5a-5f所示，对于圆环相移干涉图像，通过传统的清零的方法以及本发明中提供的清零的方法恢复的待测物体相位的误差不同。其中，图2a-5f中，横坐标均表征像素点的横坐标，纵坐标均表征像素点的纵坐标。

为了验证本发明中提供的方法的可行性，举例说明，对于直条纹和圆环条纹两种情形，相移干涉图像背景项均设置为a＝100exp[-0.25(x²+y²)]，调制振幅均设置为b＝120exp[-0.25(x²+y²)]，其中，直条纹相移干涉图像中待测物体的相位为圆环相移干涉图像中待测物体的相位为其中-1.28≤x,y≤1.28。直条纹相移干涉图向以及圆环相移干涉图像中均加入了噪信比为5％的高斯噪声。直条纹相移干涉图像之间以及圆环相移干涉图像之间的相移量均设置为0，1，1.8rad，且图像的大小均设置为512×512像素。其中，Δ＝0.4rad。

表1是本发明实施例提供的误差分析表，如表1所示，针对直条纹相移干涉图像，采用未清零方法计算出的相移量为0.408rad，并且计算得到的待测物体的相位与理论值之差的均方根RMS＝0.0429rad。针对直条纹相移干涉图像，采用清零方法计算出的相移量为0.4108rad，并且计算得到的待测物体的相位与理论值之差的均方根RMS＝0.0437rad。针对圆环相移干涉图像，采用未清零的方法计算出的相移量为0.4180rad，并且计算得到的相位与理论值之差的均方根RMS＝0.0461rad。针对圆环相移干涉图像，采用清零的方法计算出的相移量为0.3969rad，并且计算得到的待测物体的相位与理论值之差的均方根RMS＝0.0414rad。

由此，若相移干涉图像中的条纹为直条纹，可以采用未清零的方法直接计算目标相移量以及待测物体的相位；即对直条纹归一化的差分相移干涉图像中的设定区域数据不进行清零，基于不清零的归一化差分相移干涉图像计算目标相移量，并计算待测物体的相位。但若相移干涉图像中的条纹为圆环条纹，采用清零的方法计算目标相移量以及待测物体的相位；即对圆环归一化的差分相移干涉图像中设定区域数据进行清零，基于清零的归一化差分相移干涉图像计算目标相移量，并计算待测物体的相位，可提高相移量提取精度，且提高相位恢复的精度，实施例中，相位恢复的精度提高了10％以上。

表1

需要说明的是，为了表述方便，本实施例中示例性的采用清零的方法以及未清零的方法对技术方案进行了表述，其中，清零的方法具体为：基于相移干涉图像获取至少两幅差分相移干涉图，并对差分相移干涉图像进行归一化；将归一化的差分相移干涉图像中设定区域的数据进行清零；基于归一化且清零的相移干涉图像确定目标相移量，并基于目标相移量确定待测物体的相位。未清零的方法具体为：基于相移干涉图像获取至少两幅差分相移干涉图，并对差分相移干涉图像进行归一化；基于归一化的相移干涉图像确定目标相移量，并基于目标相移量确定待测物体的相位。

本实施例提供的一种提高相位精度的方法，通过在相移量提取过程中，将归一化的差分相移干涉图像中设定区域内的数据进行清零，并基于清零后的图像确定相移目标相移量，并基于目标相移量确定待测物体的相位；能够提高相移量提取的精度以及提高相位恢复的精度，减小误差。

实施例二

图6是本发明实施例二提供的一种提高相位精度的装置的结构框图，如图6所示，所述装置包括：相移干涉图像获取模块610、差分处理模块620、归一化处理模块630、目标相移量确定模块640以及相位确定模块650。

相移干涉图像获取模块610，用于获取由参考光束和穿过待测物体的探测光束形成的预设数量的相移干涉图像；

差分处理模块620，用于对所述相移干涉图像进行差分处理，获取差分相移干涉图像；

归一化处理模块630，用于对所述差分相移干涉图像进行归一化处理，获取归一化的差分相移干涉图像；

目标相移量确定模块640，用于将归一化的差分相移干涉图像中设定区域内的数据进行清零，并基于清零后的图像确定目标相移量，其中，所述目标相移量为在经差分处理的相移干涉图像中，任意两个相移量不为0的相移干涉图像之间的相位差；

相位确定模块650，用于基于所述目标相移量确定所述相移干涉图像中携带的待测物体带有包裹的相位信息，并对带有包裹的相位信息进行解包裹处理。

进一步的，所述相移干涉图像为圆环干涉图像，且所述设定区域覆盖归一化的差分相移干涉图像的中心圆环所在的区域。

进一步的，所述差分处理模块620，具体用于：

从预设数量的相移干涉图像中选取三幅相移干涉图像；

将选取的第一幅相移干涉图像分别与第二幅相移干涉图像和第三幅相移干涉图像进行相减处理，获取第一幅差分相移干涉图像和第二幅差分相移干涉图像；其中，第一幅相移干涉图像的相移量为0。

进一步的，所述基于清零后的图像确定目标相移量，包括：

基于如下的公式确定目标相移量：

其中Δ为所述目标相移量的1/2，且为第三幅相移干涉图像和第二幅相移干涉图像之间相位差的1/2；E′_1,k为第一幅归一化且清零的差分相移干涉图中第k个像素点的光强值；E′_2,k为第二幅归一化且清零的差分相移干涉图中第k个像素点的光强值。

进一步的，所述基于所述相移量确定所述相移干涉图像中携带的待测物体带有包裹的相位信息，包括：

基于如下的公式确定所述相移干涉图像中携带的待测物体带有包裹的相位信息：

其中，Φ_k为待测物体带有包裹的相位信息，Δ为所述目标相移量1/2，且为第三幅相移干涉图像和第二幅相移干涉图像之间相位差的1/2；E_1,k为第一幅差分相移干涉图中第k个像素点的光强值；E_2,k为第二幅差分相移干涉图中第k个像素点的光强值。

进一步的，所述提高相位精度的装置还包括相移干涉图像采集装置。如图7所示，所述相移干涉图像采集装置包括：激光器710、偏振片720、第一分光棱镜730、第一反射镜740、第二反射镜750、第二分光棱镜760、压电陶瓷装置770以及CCD相机780。

激光器710，用于周期性发射激光光束；

偏振片720，用于将激光器710发射的激光光束转换成偏振光束；

第一分光棱镜730，用于将偏振片720透射的偏振光束分别进行透射和反射，形成参考光束和探测光束；

第一反射镜740，用于将参考光束进行反射，使参考光束入射到第二分光棱镜760；

第二反射镜750，用于将所述探测光束进行反射，使所述77探测光束入射到待测物体790上；

第二分光棱镜760，用于将第一反射镜740反射的参考光束进行反射，并将穿过所述待测物体790的探测光束进行透射，以使所述参考光束与穿过所述待测物体的所述探测光束进行干涉；

压电陶瓷装置770，用于驱动第一反射镜740发生位移，以改变所述参考光束和所述探测光束的光程差，以使CCD相机780采集预设数量的相移干涉图像；

CCD相机780，用于采集由第二分光棱镜760反射的参考光束和穿过所述待测物体790的所述探测光束形成的预设数量的相移干涉图像。

本发明实施例提供的一种提高相位精度的装置，通过在相移量提取过程中，将归一化的差分相移干涉图像中设定区域内的数据进行清零，并基于清零后的图像确定相移目标相移量，并基于目标相移量确定待测物体的相位；能够提高相移量提取的精度以及提高相位恢复的精度，减小误差。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。