一种双波长单曝光干涉测量方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学干涉测量或数字全息测量领域，具体涉及一种基于空间载频相移 技术的单次曝光双波长干涉测量的方法和系统。
【背景技术】
[0002] 光学干涉测量技术利用光的干涉原理，将待测物体的相位信息以干涉条纹的形式 记录下来，通过对干涉条纹的处理可得到待测物体的相位。通常使用单波长的测量技术会 遇到待测物体起伏超过测量波长而产生的相位模糊的问题，使用双波长的测量技术可以产 生一个比原来任一波长大得多的合成波长（等效波长），从而避免了解相位包裹的问题，可 实现对变化梯度较大的突变物体如台阶凹槽的测量。在得到合成波长前，需要先提取单波 长包裹相位分布图，这些提取技术通常有两类：一类是时域相移法，另一类是空域傅里叶变 换法。一般来说，时域相移法的处理精度要比傅里叶变换法高，但是时域相移法需要在每个 单波长下分别采集一组相移干涉条纹图来提取单波长包裹相位或者同时采集一系列双波 长同时相移干涉图来提取单波长下的包裹相位，测量结果容易受到外界的振动和空气扰动 的影响，而且这类方法难以用于动态相位测量。基于空域傅里叶变换的离轴双波长数字全 息术只需要采集一幅同时记录了两个波长干涉信息的载频干涉条纹图，然后经过傅里叶变 换，滤波，傅里叶逆变换等操作过程即可提取出两个单波长下包裹相位，进而得到合成波长 相位分布，但是这类方法测量物体的空间频率受到限制，其测量精度受滤波窗口以及噪声 影响较大，并且傅里叶变换法还存在载频漂移误差，频谱泄漏以及由Gibbs效应引起的边 界效应等问题。
【发明内容】
[0003] 为了克服现有技术中存在的对较大突变物体测量时出现相位模糊、精度不高和对 环境稳定要求高以及测量过程复杂耗时的技术问题，本发明提供一种基于空间载频相移技 术的单次曝光双波长干涉测量方法，只需从单个黑白图像传感器采集一幅双波长混叠离轴 干涉图，即可同时提取两个波长下的包裹相位，然后使用两个波长的频差产生的合成波长 来实现对较大跳变物体的测量，本发明结合了时域相移法和傅里叶变换法的优点，在保持 时域相移法测量精度的同时，扩大了测量量程，降低了环境稳定性要求，减少了采集时间， 有利于实现动态相位测量。
[0004] 一种双波长单曝光干涉测量方法，使用单色黑白图像传感器相机采集一幅包含空 间载频的双波长混叠离轴干涉图；在所述的双波长混叠离轴干涉图上移动截取区域，将包 含空间载频的一幅双波长混叠离轴干涉图转换为N幅子相移干涉图；对所述N幅子干涉图 使用最小二乘相位提取算法，计算出待测物体在两个波长下的包裹相位分布；使用所述两 个波长下的包裹相位分布直接相减得到待测物体在合成波长相位分布。
[0005] 具体地，所述包含空间载频的双波长混叠离轴干涉图的形成过程为：两种波长的 光波各自分成参考光和物光，它们的物光共路传播，经过待测物体后，再分别与各自波长的 参考光发生干涉，汇合在单色黑白图像传感器相机靶面，形成双波长混叠离轴干涉图；进一 步的，经过待测物体共路传播的物光通过第一显微物镜后，再分别与各自波长的参考光发 生干涉；更进一步的，所述两种波长下的参考光分别通过第二显微物镜和第三显微物镜，再 分别与所述共路传播的物光发生干涉；其中，所述第一、二和三显微物镜的参数是相同的。
[0006] 具体地，设定以单色黑白图像传感器相机左上角的像素为原点，X轴平行于所述单 色黑白图像传感器相机的像素水平方向，Y轴平行所述单色黑白图像传感器相机的像素垂 直方向，在待测物体未放入光路时，所述双波长混叠离轴干涉图为两个波长各自形成的两 幅直条纹混叠而成，直条纹方向互相正交，且与X轴分别成正负45度角。
[0007] 具体地，所述包含空间载频的双波长混叠离轴干涉图转换为N幅子干涉图的过程 为：在原始采集的双波长混叠离轴干涉图中，沿X轴方向或Y轴方向上以一个像素为步长移 动截取区域，得到N幅等效于时域相移干涉图的子干涉图，其中所述N多3。
[0008] 具体地，所述子干涉图通过所述最小二乘相位提取算法，同时获取两个波长各自 对应的待测物体的相位分布图。
[0009] 本发明还提供一种双波长单曝光干涉测量系统，包括：两个不同波长的激光器； 用于采集干涉图的单色黑白图像传感器相机；用于产生包含空间载频的双波长混叠离轴 干涉图的装置，其中，所述两种波长光波各自分成参考光和物光，两种波长下的物光共路传 播，经过被测样品后，再先后与其对应波长的参考光发生离轴干涉，汇合在单色黑白图像传 感器相机靶面形成包含空间载频的双波长混叠离轴干涉图；计算机，用于控制和接收单色 黑白图像传感器相机采集干涉图，从中通过载频相移获取N幅子干涉图，利用最小二乘相 位提取算法，计算得出最终的两个波长下的相位分布，再将两者相减以得到合成波长下的 相位分布。
[0010] 作为一种优选方案，本发明提供的方法包括以下步骤：
[0011] 第一步，用单色黑白图像传感器采集一幅包含空间载频的双波长混叠离轴干涉条 纹，然后在采集的一幅干涉图上截取需要计算相位的区域得到一幅子干涉图，接着沿着X 方向或者Y方向将截取的区域向右或者向下移动一个像素得到另外一幅子干涉图，同样的 方法，间隔一个像素移动一次截取同样大小的区域，这样移动N-I次，即可得到N幅子干涉 图，由于原来的干涉图包含了空间载频，这N幅子干涉图中相同像素位置的干涉信号是由 原来干涉图上对应像素位置开始相邻的N个像素得到的，因此这N幅子干涉图之间固定像 素位置的干涉强度呈余弦分布。通过这样的操作，可以将原来一幅的空间载频干涉图转变 成N幅具有时域相移的干涉图。
[0012] 第二步：随机设定N幅子干涉图在两个波长下的初始相移量，利用最小二乘迭代 相位提取算法结合初始设置的相移量，可以同时计算出两个波长下的包裹相位A和*^。
[0013] 第三步：由于初始相移量是随机设定的，通常不准确，由此得到的相位分布％,和 魏也不准确。将上述不准确的％,和巧代入最小二乘迭代相位提取过程得到一组新的两个 波长下的相移量和I.?。
[0014] 第四步，将上述新的相移量气和作为新的初始相移量，重复所述第二步和第 三步，直到前后两次计算出的相移量差值小于预设的理想阀值则跳出循环。如此得到的准 确的相移量,和4,，。
[0015] 第五步，将最后计算出的相移量,和代入最小二乘迭代过程，计算得出准确 的两个波长下的包裹相位和?
[0016] 第六步，将两个波长下的包裹相位％和A相减并在跳变位置补偿（《Direct shape measurement by digital wavefrontreconstru-ction and multiwavelength contouring》Optical Engineering 39, 79-85(2000))，即可得到合成波长下的相位分布 由于合成波长的有效测量范围远远大于单波长，因此，合成波长下的相位不需要经过解 包裹的过程，直接经过换算可以得到物体真实的高度分布信息。
[0017] 作为另一种优选方案，本发明还包括将上述步骤二、三和四替换为直接运用傅里 叶变换法（《Fourier-transform method of phase-shift determination》Appl Opt 40, 2886-2894(2001))同时提取所述N幅相移子干涉图中两个波长下的准确的相移量 和。然后将其代入最小二乘相位提取算法同时获得两个波长下的包裹相位^\和仏。 再将两个波长下的包裹相位和仏直接相减即可得到待测物体包裹相位分布。
[0018] 与现有技术相比，本发明有如下优点：
[0019] (1)相对于单波长测量方法而言，本发明提供的方法可以实现对梯度变化较大物 体的测量，大大增加了测量范围，拓展了干涉测量的应用领域。
[0020] (2)相对于其他双波长相移干涉测量方法测量过程复杂耗时而言，本发明方法只 需要采集一幅干涉图，测量过程简单可靠，且还有不受环境干扰的优势，能适用于震动环境 中相位测量，也能用于动态相位监测。
[0021] (3)本发明方法使用的装置简单，不需要精密的相移器件和复杂的采集过程，只需 要用单色黑白图像传感器采集一幅干涉图，简单方便。
[0022] (4)本发明方法将包含