基于特定相移量的单黑白ccd相移双波长干涉测量方法
【专利摘要】本发明公开了基于特定相移量的单黑白CCD相移双波长干涉测量方法，包括步骤一：构造共路同轴双波长干涉系统，将波长为λ1和λ2的两个波长的激光入射到干涉系统中，调整使两个波长的激光沿完全相同的路径形成干涉图；二：调整单个黑白CCD同时采集两个波长干涉图的参数；三：采用单个黑白CCD采集两个波长同时产生的双波长相移干涉图；四：从采集到到的双波长相移干涉图中分离出消除了背景的两套单波长相移干涉信号图；五：对分离后的两套单波长相移干涉信号图进行归一化处理；六：计算波长λ1、λ2下的单波长包裹相位图，七：计算波长为λ1和λ2的合成波长相位，从而获得待测物体的表面三维形貌信息。该方法简单易行。
【专利说明】基于特定相移量的单黑白CCD相移双波长干涉测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学干涉测量以及数字全息测量领域，具体是基于特定相移量的单黑 白CCD相移双波长干涉测量方法。
【背景技术】
[0002] 双波长干涉测量是一种光学干涉测量技术，其方法是用两个不同波长的光源记录 同一物体的干涉图，在测量出该物体在两个单波长下的包裹相位后，再结合双波长位相解 包裹技术得到合成波长相位信息，从而真实地反应出物体的三维形貌。双波长干涉测量技 术弥补了单波长干涉测量术相邻点之间相位跳变大于测量波长一半时不能得到正确结果 的缺点，在一定程度上扩大了单波长全息干涉测量的量程，其位相解包裹方法也方便快捷。 双波长干涉测量技术不仅具有单波长干涉测量中对被测物体非接触、无损伤、高分辨率、高 精度等优点，还能够准确地对表面本身有间断、梯度变化较大（大于记录光波的波长）的物 体，如台阶、缺陷孔、面形误差等物体进行测量，在微电路检测、生物细胞检测、透明介质折 射率及厚度测量、自动加工、工业检测、产品质量控制等领域具有重要意义及广阔的应用前 旦 〇
[0003] 在采用单个CCD进行干涉图记录的双波长全息干涉测量技术中，根据两个单波长 包裹相位测量技术的不同，可以分为五种方法，即：单波长两次相移测量方法、空域傅里叶 变换测量方法、数字全息测量方法、时域傅里叶变换测量方法和基于彩色CCD的同时相移 测量方法。其中，前四种方法都是采用单个黑白CCD进行干涉图记录的。单波长两次相移 测量方法是每次只用一个波长的光波，通过用相移干涉方法分两次测量出的两个波长光波 的包裹相位，之后两个包裹相位相减得到双波长合成相位。单波长相移测量法虽然测量精 度比较高，但是实验过程中要分别对不同波长下的干涉全息图依次进行两次记录，不仅实 验过程比较繁琐和耗时，而且容易受到相移器性能、机械振动、空气扰动等环境干扰因素的 影响，给实际测量带来误差。空域傅里叶变换测量方法是拍摄一幅两个波长的参考光沿相 同或不同方向倾斜的数字全息图，通过空域傅里叶变换分离出两个波长的频谱信息，再经 过逆傅里叶变换分别获得两个波长的包裹相位。空域傅里叶变换测量方法虽然只需采集一 幅数字全息图，可以方便进行实时动态测量，但因采用离轴全息术，不能充分利用CCD的空 间带宽积，同时恢复相位时均需要使用空域傅里叶变换对全息图进行操作，当空间载频过 高或者物体条纹比较复杂时，很容易出现频谱混叠，造成高频信息的丢失，同时滤波窗口 的选择和噪声对结果也会产生较大的影响。数字全息测量法主要是通过从单波长离轴全息 图再现像的复振幅中依次提取单波长包裹相位，再相减后得到合成波长的相位分布，该类 方法的优缺点与空域傅里叶变换测量方法及其相似，另外，这类方法的再现过程相对而言 比较复杂。时域傅里叶变换测量方法通过参考反射镜匀速运动产生相移，通过对等时间间 隔采集的双波长干涉条纹图逐像素进行时域傅里叶变换分离两个波长的包裹相位，继而得 到合成波长相位。时域傅里叶变换测量法能够在一定程度上简化了光路系统，但是这种方 法需要采集大量的双波长相移干涉条纹图才能满足奈奎斯特采样定理，实现频谱分离，但 是为了保证频谱分离和高测量精度，参考镜的移动距离必须足够大，所采集的干涉图必须 足够多。当选取的两个光源的波长差比较小时，需要的干涉图数量会更多。基于彩色CCD的 同时相移双波长干涉测量方法利用彩色CCD采集不同波长的相移干涉图，不同颜色敏感像 素的干涉图组成不同波长的单波长干涉图，通过相移算法分别计算出单波长包裹相位，继 而计算出合成波长和物体高度。但是这种方法存在两方面的问题，一是要采用接近红、绿、 兰三种颜色波长的光源，当光源的波长偏离三原色、或两个光源的波长差别不大时，难以保 证正确地分离出单波长干涉图；二是由于不同波长的干涉图并不是完全对准的，在物体跳 变的边缘处会带来一定的误差。
[0004] 因此，设计一种光路系统简捷、干涉图采集操作过程简便、所需相移干涉图较少即 可得到两个波长下的相位信息的双波长全息干涉测量技术，对于降低测量系统的复杂性、 减少测量和计算时间、提高测量精度、加快测量速度是非常有意义的。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于特殊相移量的单黑白CCD相移双波长干涉测量 方法，该方法测量简单，能够大大减少测量时间和计算时间。
[0006] 本发明的上述目的通过如下技术方案来实现的：一种基于特殊相移量的单黑白 CCD相移双波长干涉测量方法，该方法包括以下步骤：
[0007] 步骤一：构造共路同轴双波长干涉系统，该干涉系统内设置了待测物体，将波长为 入i和A2的两个波长的激光入射到干涉系统中，调整使两个波长的激光沿完全相同的路径 形成干涉图；
[0008] 步骤二：调整单个黑白（XD同时采集两个波长干涉图的参数；
[0009] 步骤三：采用单个黑白CCD采集两个波长同时产生的双波长相移干涉图，需要采 集2N+1幅双波长相移干涉图，其中N为自然数；
[0010] 步骤四：从采集到的2N+1幅双波长相移干涉图中分离出消除了背景的两套单波 长相移干涉信号图，分别为波长为X1的单波长相移干涉信号图和波长为X2的单波长相 移干涉信号图；
[0011] 步骤五：对分离后的两套单波长相移干涉信号图进行归一化处理；
[0012] 步骤六：计算波长入1、入2下的单波长包裹相位图〇^和〇A2;
[0013] 步骤七：计算波长为A1和A2的合成波长相位，具体为将步骤六所得到波长入： 和入2的单波长包裹相位图〇M与〇A2相减，得到合成波长（A=入，2/1ArA21)下的 相位图〇A，从而获得待测物体的表面三维形貌信息。
[0014] 本发明中，所述步骤二中调整单个黑白C⑶的具体方法为：通过两个衰减器ND1和 ND2分别调整两个波长入射激光的强度，使两个波长的入射激光被同一黑白CCD采集的灰 度值相同，且在两个波长同时照明时，所采集的干涉图不出现饱和现象。
[0015] 本发明中，所述步骤二中米集2N+1幅双波长相移干涉图是米用N步相移算法来实 现的，所述N步相移算法的具体过程如下：
[0016] 设照明波长为^和入2，且，将两个波长的干涉图同时照射到同一个黑白C⑶上，通过PZT相移器的单调变化产生相移，每相移一步采集一幅干涉图，共需进行2N+1 步相移，所米集的2N+1幅双波长相移干涉图由公式（1)表达为：
[0017]
【权利要求】
1. 一种基于特定相移量的单黑白CCD相移双波长干涉测量方法，该方法包括以下步 骤： 步骤一：构造共路同轴双波长干涉系统，该干涉系统内设置了待测物体，将波长为A1 和λ2的两个波长的激光入射到干涉系统中，调整使两个波长的激光沿完全相同的路径形 成干涉图； 步骤二：调整单个黑白CCD同时采集两个波长干涉图的参数； 步骤三：采用单个黑白CCD采集两个波长同时产生的双波长相移干涉图，需要采集 2Ν+1幅双波长相移干涉图，其中N为自然数； 步骤四：从采集到到的2Ν+1幅双波长相移干涉图中分离出消除了背景的两套单波长 相移干涉信号图，分别为波长为λ1的单波长相移干涉信号图和波长为λ2的单波长相移 干涉信号图； 步骤五：对分离后的两套单波长相移干涉信号图进行归一化处理； 步骤六：计算波长\1、\2下的单波长包裹相位〇^和〇;^ ; 步骤七：计算波长为λ1和λ2的合成波长相位，具体为将步骤六所得到波长λi和λ2 的单波长包裹相位图Φλ1与Φλ2相减，得到合成波长（Λ=入，2/|A1-A2I)下的相位 图ΦΛ，从而获得待测物体的表面三维形貌信息。
2. 根据权利要求1所述的基于特定相移量的单黑白CCD相移双波长干涉测量方法，其 特征在于：所述步骤二中调整单个黑白CCD的具体方法为：通过两个衰减器分别调整两个 波长入射激光的强度，使两个波长的入射激光被同一黑白CCD采集的灰度值相同，且在两 个波长同时照明时，所采集的干涉图不出现饱和现象。
3. 根据权利要求1所述的基于特定相移量的单黑白CCD相移双波长干涉测量方法，其 特征在于：所述步骤三中采集2Ν+1幅双波长相移干涉图是采用N步相移算法来实现的，所 述N步相移算法的具体过程如下： 设照明波长为入：和λ2，且，将两个波长的干涉图同时照射到同一个黑白CXD上，通过PZT相移器的单调变化产生相移，每相移一步采集一幅干涉图，共需进行2N+1步相 移，所采集的2N+1幅双波长相移干涉图由公式（1)表达为： /.(.V,v) - .4(.v, v) + ^(.v, v)cos[^(.x-, v) +2πΑ; //.,]+ v)cos[^(,v, j)+2M,. / Λ] - - - - - - - - - (I) =v)+v〇cos[^(a%v) + ^l；]+52(λ%i')cos[^2(.\% v) + ^2 J 其中i= 〇, 1，2···2Ν+1，第i+1幅干涉图与第一幅干涉图之间的光程变化Aji足公式 (2)的要求： 0 Z-O Ai (ζ+ 1)ρ^/2 ζ·为奇数，为正整数 （2) Ipl2H /为偶数，且/#0，/?为正整数 对应于波长λi的相移量δ1;i为 0 z' = 0 i=< 0' + !)^ /为奇数，为正整数 （3) Ipil2/\)π /为偶数，且/式〇,夕为正整数 对应于波长λ2的相移量δ2;i为 0 /-0 S2j = <(i+/λ2)πζ·为奇数，为正整数 （4) ζ为偶数，且/#0，/?为正整数 公式（2)、（3)、（4)中的ρ为非零正整数，其值根据波长A1与λ2的比值及相移步长 的要求选取。
4. 根据权利要求1所述的基于特定相移量的单黑白CCD相移双波长干涉测量方法，其 特征在于：所述步骤四中从采集到到的2Ν+1幅双波长相移干涉图中分离出消除了背景的 两套单波长相移干涉信号图的具体过程如下： 将第1幅双波长相移干涉图与第i幅依次相减，得到2Ν幅消除了背景的双波长相移干 涉信号图，如公式（5)所示： Sj =In-Ij =IBisin(d', / 2)sin((i?i +d, ,. / 2) +IB2sin(^2J / 2)sin(r/7, +y / 2) (5) 其中j= 1，2··· 2N，N为自然数，按照公式（2)、（3)、⑷特定相移量，公式（5)中序列 号为偶数的信号图构成波长λi的单波长相移干涉信号图，序列号为奇数的信号图构成波 长λ2的单波长相移干涉信号图，分别用公式（6)和公式（7)表示， 分离出的波长λi的单波长相移干涉信号图： S1, -2Btsin[A/^(yU/ )π~\?η[φ^ +Ιψ{/ι-,/A1 )π~\ (6) 分离出的波长λ2的单波长相移干涉信号图： S1/t =IB1sin[A/;(/.| / )^]sin[^? +kp{/^/ )/τ] (7) 其中，公式（6)、（7)中，k= 1，2，…N，N为自然数。
5. 根据权利要求4所述的基于特定相移量的单黑白CCD相移双波长干涉测量方法，其 特征在于：所述步骤五中对分离后的两套单波长相移干涉信号图进行归一化处理的具体过 程如下： 对公式（6)和（7)进行归一化运算，使其幅度变为不随相移量变化的常数，归一化的单 波长相移干涉信号图为：
其中鮮=2化叫化(々,乂>列/;11，埤=2.4如[化(以乂 :)外11心11，符号1卜11表 示对干涉图的求模运算。
6. 根据权利要求5所述的基于特定相移量的单黑白CCD相移双波长干涉测量方法，其 特征在于：所述步骤六中计算波长λ1、λ2下的单波长包裹相位图Φλ1和Φλ2的具体过 程如下： 从步骤五得到的、由公式（8)和（9)表示的单波长相移干涉信号图中分别计算出两个 波长λ2下的单波长包裹相位Φλ1和Φλ2。
【文档编号】G01B9/02GK104236452SQ201410342492
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2014年7月17日
【发明者】吕晓旭, 张望平, 钟丽云, 王翰林, 费蕾寰 申请人:华南师范大学