[发明专利]基于特定相移量的单黑白CCD相移双波长干涉测量方法

说明书

技术领域

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

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景。

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。

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

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。

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：

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；

步骤二：调整单个黑白CCD同时采集两个波长干涉图的参数；