一种单色光的干涉测量相位计算方法

1.本发明主要涉及干涉测量领域，特别涉及一种单色光的干涉测量相位计算方法。


背景技术：

2.随着超精密加工技术的不断进步，二元光学元件，微机械以及半导体器件等精密零件的出现，超精密零件的表面微观轮廓三维形貌可以真实、全面地反应了零件的表面质量，所以不断推动微观表面检测技术的发展，微观轮廓三维形貌的测量方法大致可以分为两大类：接触式测量和非接触式测量。接触式测量方法主要有机械探针法、扫描电子显微镜、扫描隧道显微镜，对超精密零件的接触，可能导致其真实形貌受损，造成零件的浪费，所以非接触式测量的移相干涉法拥有精度高、速度快、非接触、测量范围大等特点，已经成为主要的测量方法。自bruning提出四帧算法用于相位提取，移相干涉法已经成为研究热点之一。carr
é
等提出基于单色光的等步长相移法；hariharan提出一种对线性误差不敏感的5帧相移法；然而，背景光强与调制度波动、移相误差等因素，导致传统单色光移相干涉术的测量结果产生周期误差。后续ri提出的时空移相技术，减小了上述因素造成的误差，然而该技术中的插值步骤使其必须以矩形区域进行测量，对于圆形的干涉图便会丢失一部分面型信息。


技术实现要素：

3.有鉴于此，相比传统的单色光时域移相干涉术，本发明采用单色光移相干涉方法可以降低背景光强与调制度波动、移相误差带来的测量误差，结合时空移相方法与干涉图延拓技术，使用二维离散傅里叶变换即可提取相位。本发明提供了一种单色光的干涉测量相位计算方法，包括以下步骤：步骤1，定义单色光干涉信号：分析单色光的光谱特性，相干长度、条纹对比度及包络曲线，得出其光强值表达式：，（1）其中，，(x,y)代表像素点的坐标，a(x,y)代表背景光强，b(x,y)代表调制度，代表载频下被测件的相位，n代表采集时域移相干涉图的帧数。
4.步骤2，延拓干涉图：对每一帧圆形移相单色光载频干涉图使用傅里叶变换，使用滤波函数分别提取出频域谱中的背景瓣及其左右两边的信号瓣，对这三个瓣分别进行逆傅里叶变换，取出两个信号瓣的实部后将三个分量相加并迭代此流程，将干涉图延拓成矩形。
5.步骤3，对干涉图进行采样插值：以一幅干涉图上的一行像素为例，以第一个像素点为起点，以恒定抽样间距t像素点进行采样，经过插值拟合后得到第一幅莫尔条纹图，同
样的以第二个像素为起点，进行抽样与插值拟合获得第二幅莫尔条纹图。类似依像素点顺序处理，可获得t幅移相莫尔条纹图，其光强表达式为：，其中，，为消去载频后被测件的相位。
6.步骤4，使用二维离散傅里叶变换计算压包相位：；其中，二维离散傅里叶变换所用的旋转因子，。
7.步骤5，对压包相位使用相位解包算法，得到真实相位分布结果。
8.本发明的有益效果是：该方法使用四幅单色光干涉图恢复出微观物体的相位，通过延拓干涉图、采样插值、二维离散傅里叶变换得到相位分布，该算法相较于传统移相算法具有更强的抗干扰能力，测量结果的精确度更高。
附图说明
9.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
10.图1是算法流程图；图2是本发明中软件仿真的一幅单色光载频干涉图；图3是本发明中延拓后的一幅单色光载频干涉图；图4是本发明中采样插值后的一组莫尔条纹图；图5是本发明中对四幅单色光干涉图进行相位提取的压包相位分布俯视图；图6是本发明中通过相位解包裹和消倾斜得到的解包相位图；图7是本发明中通过电脑模拟的真实的参考相位分布图。
具体实施方式
11.为了使技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施列，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应该属于本发明保护的范围。
12.实施例1，本实施例提供了一种单色光的干涉测量相位计算方法，包括以下步骤：步骤1，定义单色光干涉信号：分析单色光的光谱特性，相干长度、条纹对比度及包络曲线，得出其光强值表达式：
，（1）其中，，(x,y)代表像素点的坐标，a(x,y)代表背景光强，b(x,y)代表调制度，代表载频下被测件的相位，n代表采集时域移相干涉图的帧数；步骤2，延拓干涉图：对每一帧圆形移相单色光载频干涉图使用傅里叶变换，使用滤波函数分别提取出频域谱中的背景瓣及其左右两边的信号瓣，对这三个瓣分别进行逆傅里叶变换，取出两个信号瓣的实部后将三个分量相加并迭代此流程，将干涉图延拓成矩形；步骤3，对干涉图进行采样插值：以一幅干涉图上的一行像素为例，以第一个像素点为起点，以恒定抽样间距t像素点进行采样，经过插值拟合后得到第一幅莫尔条纹图，同样的以第二个像素为起点，进行抽样与插值拟合获得第二幅莫尔条纹图。类似依像素点顺序处理，可获得t幅移相莫尔条纹图，其光强表达式为：，其中，，为消去载频后被测件的相位；步骤4，使用二维离散傅里叶变换计算压包相位：；其中，二维离散傅里叶变换所用的旋转因子，，j为虚数单位。
13.步骤5，对压包相位使用相位解包算法，得到真实相位分布结果。
14.以下通过计算机仿真的方式说明基于单色光的移相干涉方法的原理与过程。
15.通过软件对本发明一种基于单色光的微观形貌测量装置和方法的具体步骤进行模拟仿真，首先利用单色光干涉信号表达式仿真出四幅具有相移量的圆形单色光载频干涉图，即n=4，其中一幅单色光干涉图如图2，然后对干涉图进行延拓，t=1，延拓后的干涉图如图3，利用时空移相方法，对干涉图进行采样插值，插值后的一组莫尔条纹图如图4，对四幅单色光干涉图进行相位提取，得到压包相位分布，压包相位分布俯视图如图5，相位提取都是通过二维离散傅里叶变换方法得到的，物体真正的相位会被截断在之间，所以要想获得物体的真实形貌需要对压包相位进行相位解包裹，通过相位解包裹和消倾斜后得到计算所得的解包裹相位分布图如图6，然后把图6与设定的参考相位分布图7作比较，根据两幅图的对比看出，相位的分布是一致的，证实本发明基于单色光的移相干涉方法是有效的。
16.通过电脑模拟仿真，本发明公开的基于单色光的微观形貌测量装置和方法能够避
免四步算法因背景光强与调制度波动、移相误差等因素造成的测量结果精确度降低，对超精密零件测量等领域的应用，尤其是单色光移相干涉术提供新的思路。
17.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
18.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。