[发明专利]一种用于移相干涉条纹图的相位提取方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于移相干涉条纹图的相位提取方法，属于光学检测领域。

背景技术

光学干涉计量是一种以光波长为计量单位的高精度、高灵敏度计量测量方法，在光学测量中有着十分广泛的应用。移相干涉术是由1974年Burning等人提出的，他把通讯理论中的同步相位探测技术引入到光学干涉计量术中，是计算机辅助干涉计量测试中的一个重大的发展。其原理是在干涉仪的两相干光的相位差之间引入有序的位移，当参考光程(或相位)变化时干涉条纹的位置也作相应的移动。在此过程中，用光电探测器对干涉图进行多幅阵列网格的采样，然后把光强数字化后存帧存储器，由计算机按照一定的数学模型根据光强的变化求相位分布，同时也可以分辨出波面的凹凸性。多幅的采样可以抑制噪声的影响，在条纹对比度不好的情况下，也可以得到较好的结果，它的测量精度于整个光瞳面上的光强不均匀影响较小，可以避免激光高斯分布的影响，这些技术的最重要的优点在于提供了一种快速、简洁、高精度、多参数、自动化的测量方法，关键的技术在于通过计算机分析处理测量的数据，从而获得所测的相位值。

从光的干涉原理知道，干涉条纹是干涉场中光程差相同点的轨迹。干涉场强度的空间变化率主要取决于相位的变化。在移相干涉仪面形测量中，干涉条纹分析就是要从一帧或多帧干涉图中恢复出波面的原始特征。常用的斐索型及泰曼型干涉仪，都是以标准波面为参考面的双光束干涉仪，其干涉的光强分布可表示为：

I(x，y)＝A(x，y)+B(x，y)cos[φ(x，y)](1)

式中：A为干涉场背景光强分布；B为干涉条纹光强变化的幅值；为被测波前的相位分布，包含了物体的三维信息。由于式中含有A、B、三个未知量，至少需采集三帧以上的条纹图才能解出目前，在国内外的商品化激光波面干涉仪中，主要采用时间移相和波长调谐移相两种方法。在移相过程中，采集的干涉场可以得到若干幅移相干涉条纹图。设每一步的干涉图可以表示为：

I_j(x，y)＝A(x，y)+B(x，y)cos[φ(x，y)+α_j](2)

式中α_j即为由引入的附加相位移动量。如在一个周期内等间隔采样J步，可得到J组光强值，则相移移动量α_j可以表示为：

α_j＝2π(j-1)/J    j＝1，...，J    (3)

这时，相位可由下式解出：

当π时，即为三步算法：

当π，时，即为四步算法：

这样就可以由相位求出被测面形。

由于移相干涉方法是在不同时间采集多幅干涉图，会受到环境干扰(如环境振动、气流扰动等)等随机误差的影响，移相误差也会引入原理性误差，这是测量误差的一个主要来源。目前减小移相误差通常有两种途径：第一种是移相线性误差不敏感算法，如Carre算法、Schwider算法等。这一类算法只对移相线性误差有较好的抑制作用，而不能抑制非线性误差；同时，由于其计算过程中采用了反正弦或反余弦公式，抗干扰能力弱，较小的电子噪声和随机误差都会造成数据无效而相位无法展开。第二种是通过对移相步长进行标定校正，减小移相误差，如迭代标定算法等各种标定算法。这一类算法由于需要反复迭代计算，所以计算量相当大，很费时。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于移相干涉条纹图的相位提取方法，该方法是对相移误差不敏感，能显著地提高相位测量精度。

本发明技术解决方案：一种用于移相干涉条纹图的相位提取方法，实现步骤如下：

(1)确定基本的相移算法

根据干涉仪相移步数J及步长α确定基本的相移算法，所述相移算法包括三步算法、四步算法、五步算法；

(2)从干涉仪提取得到J步相移干涉条纹图，所述干涉图条纹图的光强分布为：

I_j(x，y)＝A(x，y)+B(x，y)cos[φ(x，y)+α_j]

其中，A(x，y)为干涉场背景光强分布；B(x，y)为干涉条纹光强变化的幅值；为被测波前的相位分布，包含了物体的三维信息；α_j为第j步的相移步长，j＝1，2，3，...，J；

(3)根据基本相移算法对步骤(2)得到的干涉强度图的光强进行分组，设分为K组，对每一组来说，相位分布表示为该组干涉条纹图的组合。设第k组中包括干涉条纹图共M幅，则相位计算公式为：