[发明专利]基于两步载波拼接法的数字莫尔移相干涉测量方法

说明书

本发明公开的基于两步载波拼接法的数字莫尔移相干涉测量方法，属于光电检测领域。本发明实现方法如下：建立虚拟干涉仪，在虚拟干涉仪的像面上得到理想系统剩余波前；获取被测面形在不同空间载波下的两幅实际干涉图；采用数字莫尔移相干涉方法分别对两幅干涉图进行求解，求解得两个带有错误区域且错误区域位置不同的面形误差；提取两个面形误差的正确区域进行拼接；最终得到不含错误区域的面形误差，解决采用数字莫尔移相干涉方法在大剩余波前时求解错误的问题，进而扩展传统的数字莫尔移相方法的测量范围，消除传统的数字莫尔移相方法的剩余波前带宽限制，实现对大剩余波前的被测面形的测量。本发明能够保持原有数字莫尔移相干涉方法优点。

技术领域

本发明涉及一种用于激光干涉法测量光学元件面形的基于两步载波拼接法的数字莫尔移相干涉测量方法，属于光电检测领域。

背景技术

与球面相比，非球面因为具有更多的面型自由度，一片非球面镜便可达到多片球面镜组成的透镜组的效果，可以极大地减小光学系统的尺寸和质量，提高系统的成像质量，甚至可以达到衍射极限，在现代光学系统中应用的越来越广泛。但是因为其高自由度的面型，高精度的非球面面形检测一直是光学检测领域的一大难题。

目前常用的非球面面形检测方法主要分为两种：接触式和非接触式测量方法。接触式方法使用专用探头对非球面进行接触式点对点的测量，测量精度高，但不可避免会对表面造成划伤，而且测量速度慢。光学测量方法是非接触式测量的主要方法，主要优点是瞬时、非接触。目前最常用的是补偿法测量，即设计补偿器补偿非球面产生的像差，将非球面的检测转化为平面或者球面面形的检测。补偿法可以分为非零补偿和零补偿方法。零补偿法测量精度高，但需要针对被测面设计专门的补偿器，补偿器结构复杂，设计与加工难度大、成本高，且通用性差。非零补偿法使用的补偿器部分补偿非球面的像差，补偿器结构比较简单，但由于剩余像差的存在，检测精度远低于零补偿法，目前只限于检测低精度、低非球面度的非球面。

数字莫尔移相干涉测量方法(《一种用部分补偿透镜实现非球面面形的干涉测量方法》)属于部分补偿法，是一种瞬时抗振的干涉测量方法，无需移相机构便可实现高精度的测量。

采用数字莫尔移相干涉测量方法得到的虚拟干涉图I_M(x,y)的直流项若通过希尔伯特变换(如文献《基于希尔伯特变换的干涉条纹相位解调新算法》，P1-2，1.1节)或者其他方法去除，则莫尔干涉图可以用过欧拉展开：

I_M(x,y)＝c·exp[2πj(f_R+f_V)x]+c^*·exp[-2πj(f_R+f_V)x]+

d·exp[2πj(f_R-f_V)x]+d^*·exp[-2πj(f_R-f_V)x], (1)

式中*表示复共轭，2b表示干涉图的调制度，f表示加入平面载波的空间频率，表示参考波前和实际波前的相位差。式中下标R表示实际干涉图，下标V表示虚拟干涉图。

公式(1)前两项表示和频项及其复共轭1，后两项表示差频项及其复共轭2。采用数字莫尔移相干涉测量方法对莫尔干涉图进行低通滤波，如果频域中的低通滤波器截止频率为f₀，则和频项混入低通滤波器的频谱为：

式中为和频项的频移(如图1所示)，其中f_x和f_y分别为x和y方向的空间载波，为部分补偿法中的剩余波前。由公式(2)可知，空域求解时，产生的错误区域3为ω，

式中为差分算子。因此产生的错误区域3的位置与剩余波前以及加载的空间载波的大小有关。