在条纹反射测量中快速获取解包相位的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学测量领域，特别是在条纹反射测量中快速获取解包相位的方法。
【背景技术】
[0002] 条纹反射测量技术是一种测量光滑物体（包括玻璃镜面、抛光金属零件、光滑塑 料零件等）表面面形的技术，该技术利用显示器投射一组标准正弦条纹，通过相位恢复技 术（如移相法、傅里叶变换法等）得到水平方向和垂直方向的压包相位。压包相位是一种 数值在-η到η分布的主值数据，丢失了 2π的整数倍信息，因此需要进行解包运算得到 解包相位，之后根据解包相位才能重构解物体表面面形。
[0003] 目前的相位解包方法可以分为两类，一类是空域相位解包方法，直接通过压包相 位中相邻点之间的相位之差反推解包相位，这种方法只需要单个压包相位即可进行运算， 但运算复杂，且准确性和可靠性容易受到噪声的影响。另一类是时域相位解包方法，需要先 获取一系列不同空间频率的压包相位，然后进行解包运算，由于各像素点之间独立运算，因 此具有良好的抗噪声能力，并且能够准确解包不连续的相位。但是，在传统的时域相位解包 方法中，对应每一个空间频率的压包相位，都需要投射一组标准正弦条纹，大大降低了测量 效率，这一问题在条纹反射测量中尤其突出，因为需要对水平方向的压包相位和垂直方向 的压包相位都进行解包才能获得被测表面面形。因此，只有通过改进时域相位解包方法，减 少所需投射的条纹图数量，才能够在保持时域相位解包方法优点的前提下，提高条纹反射 测量中相位解包的效率。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种在条纹反射测量中快速获取解包相位的方法，该方法 中所需投射的条纹图数量远少于传统的时域相位解包方法，在保留了时域相位解包方法快 速、准确、抗噪性能强的同时，显著提升了测量效率。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种在条纹反射测量装置中快速获取解包相 位的方法，其特征在于，步骤如下：
[0006] 步骤⑴.在条纹反射测量装置中，用显示器投射标准正弦条纹图；包括水平方向 的标准正弦条纹图和垂直方向的标准正弦条纹图；
[0007] 步骤⑵.步骤⑴中的标准正弦条纹图经过镜面反射样品的反射后，成为反射正弦 条纹图；
[0008] 步骤(3).用相机拍摄步骤(2)得到的反射正弦条纹图；
[0009] 步骤⑷.对步骤⑶拍摄的反射正弦条纹图，按照条纹相位恢复方法操作，得到需 要进行相位解包操作的水平方向的压包相位Wx (X，y)和垂直方向的压包相位Wy (X，y)，其 中X为横向坐标，y为纵向坐标；
[0010] 步骤(5).令条纹反射测量装置中的显示器投射一幅标准正交条纹图，该图中存在 四种从低到高依次增大的灰度，分别为第一灰度gl、第二灰度g2、第三灰度g3、第四灰度 g4 ；
[0011] 该标准正交条纹图g(x，y)的编码方式为：
[0013] 其中int表示向下取整数运算，fx为水平方向的空间频率，fy为垂直方向的空间 频率，二者经过归一化取值，均为1/2 ;
[0014] 步骤(6).用条纹反射测量装置中的相机拍摄步骤（5)的标准正交条纹图被镜面反 射样品反射所形成的反射正交条纹图h(x，y);
[0015] 步骤(7).按照以下公式提取相位解包操作所需的水平方向相位整数信息 Ix(x, y, fx)和垂直方向相位整数信息Iy(x, y, fy):
[0018] 其中第一阈值thrl、第二阈值thr2和第三阈值thr3的取值分别为：
[0019] thrl = (gl+g2) /2
[0020] thr2 = (g2+g3) /2
[0021] thr3 = (g3+g4) /2 ；
[0022] 步骤⑶.按照任意一种通用的相位解包操作所需的条纹图频率变更法则，改变标 准正交条纹图的水平方向的空间频率fx和垂直方向的空间频率fy，并执行步骤(5)，得到多 幅标准正交条纹图，其中，空间频率最高的一幅标准正交条纹图，其水平方向的空间频率fx 必须等于步骤⑴中所使用的水平方向标准正弦条纹图空间频率的一半，垂直方向的空间频 率fy也等于步骤⑴中所使用的垂直方向标准正弦条纹图空间频率的一半；
[0023] 步骤(9).依次投射步骤(8)得到的标准正交条纹图，并重复步骤步骤(6)与步骤 (7);得到不同空间频率下的水平方向相位整数信息Ix(x，y，fx)和垂直方向相位整数信息 Iy (x, y, fy)；
[0024] 步骤(1Φ .根据不同空间频率的水平方向相位整数信息和垂直方向相位整数信息， 按照以下加权求和公式进行相位解包操作：
[0025] Ux (x, y) = Wx (x, y) + Σ Ix (x, y, fx) · 21/fx
[0026] Uy(x, y) = Wy (x, y) + Σ Iy (χ, y, fy) · 21/fx；
[0027] 最终得到水平方向的解包相位Ux (x, y)和垂直方向的解包相位Uy (x, y)，其中求 和运算符号Σ用于针对不同的水平方向的空间频率fx或垂直方向的空间频率fy进行加 权求和运算。
[0028] 更优化和更具体地说，
[0029] 本发明步骤⑵所述的镜面反射样品，包括玻璃镜面、抛光金属物件、光滑塑料零件 等；
[0030] 本发明步骤⑷所述的条纹相位恢复方法，可以采用现有技术中任意一种通用的条 纹相位恢复方法，例如：二步移相法、四步移相法、傅里叶变换法等。
[0031 ] 本发明步骤(5)所述的第一灰度gl、第二灰度g2、第三灰度g3、第四灰度g4的取值， 理论上只要满足从低到高依次增大即可，但一般取gl = 0, g2 = 0. 33, g3 = 0. 67, g4 = I. 0 为宜，这里假设数值〇和I. 〇分别为显示器的最低灰度和最高灰度。
[0032] 本发明步骤⑶所述的条纹图频率变更法则，可以是：线性增长法则、指数增长法则 或逆指数增长法则等。
[0033] 本发明与现有技术相比，其显著优点：
[0034] (1)相比于空域相位解包方法，本发明作为一种时域相位解包方法，具有计算速度 快、准确、抗噪声性能好的优点。
[0035] (2)相比于其它同类的时域相位解包方法，本发明所需投射和拍摄的条纹图数量 大为减少，只有传统方法的约1/6至1/8,大幅提高了测量效率。
【附图说明】
[0036] 图1为条纹反射测量装置及其使用的标准正弦条纹图；其中，图Ia为水平方向的 标准正弦条纹；图Ib为垂直方向的标准正弦条纹图；图Ic为条纹反射测量装置中的显示 器1、相机2、与平面反射镜3的位置关系示意图。
[0037] 图2a、图2b分别为水平方向的压包相位Wx(x，y)和垂直方向的压包相位 Wy (X，y) 〇
[0038] 图3a、图3b分别为标准正交条纹图和反射正交条纹图；其中，第一灰度4、第二灰 度5、第三灰度6与第四灰度7。
[0039] 图4a、图4b分别为水平方向的相位整数信息Ix (X，y，fx)和垂直方向的相位整数 信息 Iy (X，y, fy) 〇
[0040] 图5a-图5d分别为第一幅到第四幅不同空间频率的正交条纹图。
[0041] 图6a-图6b分别为水平方向的解包相位Ux(x，y)和垂直方向的解包相位 Uy(X，y) 〇
【具体实施方式】
[0042] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0043] 实施例1，在条纹反射测量装置中快速获取解包相位的方法，本发明使用典型的条 纹反射测量装置，如图Ia-图Ic所示，由显示器投射标准正弦条纹图，包括水平方向的标 准正弦条纹图和垂直方向的标准正弦条纹图，经被测样品（本例中为一块平面反射镜）反 射后成为反射正弦条纹图，再由相机拍摄，可由反射正弦条纹图获取被测样品的压包相位。 可使用任何一种通用的相位恢复方法完成（三步移相法、四步移相法、傅里叶变换法等）， 在本例中选用