基于特定相移量的單黑白ccd相移雙波長干涉測量方法
【專利摘要】本發明公開了基于特定相移量的單黑白CCD相移雙波長干涉測量方法，包括步驟一：構造共路同軸雙波長干涉系統，將波長為λ1和λ2的兩個波長的激光入射到干涉系統中，調整使兩個波長的激光沿完全相同的路徑形成干涉圖；二：調整單個黑白CCD同時采集兩個波長干涉圖的參數；三：采用單個黑白CCD采集兩個波長同時產生的雙波長相移干涉圖；四：從采集到到的雙波長相移干涉圖中分離出消除了背景的兩套單波長相移干涉信號圖；五：對分離后的兩套單波長相移干涉信號圖進行歸一化處理；六：計算波長λ1、λ2下的單波長包裹相位圖，七：計算波長為λ1和λ2的合成波長相位，從而獲得待測物體的表面三維形貌信息。該方法簡單易行。
【專利說明】基于特定相移量的單黑白CCD相移雙波長干涉測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光學干涉測量以及數字全息測量領域，具體是基于特定相移量的單黑 白CCD相移雙波長干涉測量方法。
【背景技術】
[0002] 雙波長干涉測量是一種光學干涉測量技術，其方法是用兩個不同波長的光源記錄 同一物體的干涉圖，在測量出該物體在兩個單波長下的包裹相位后，再結合雙波長位相解 包裹技術得到合成波長相位信息，從而真實地反應出物體的三維形貌。雙波長干涉測量技 術彌補了單波長干涉測量術相鄰點之間相位跳變大于測量波長一半時不能得到正確結果 的缺點，在一定程度上擴大了單波長全息干涉測量的量程，其位相解包裹方法也方便快捷。 雙波長干涉測量技術不僅具有單波長干涉測量中對被測物體非接觸、無損傷、高分辨率、高 精度等優點，還能夠準確地對表面本身有間斷、梯度變化較大（大于記錄光波的波長）的物 體，如臺階、缺陷孔、面形誤差等物體進行測量，在微電路檢測、生物細胞檢測、透明介質折 射率及厚度測量、自動加工、工業檢測、產品質量控制等領域具有重要意義及廣闊的應用前 旦 〇
[0003] 在采用單個CCD進行干涉圖記錄的雙波長全息干涉測量技術中，根據兩個單波長 包裹相位測量技術的不同，可以分為五種方法，即：單波長兩次相移測量方法、空域傅里葉 變換測量方法、數字全息測量方法、時域傅里葉變換測量方法和基于彩色CCD的同時相移 測量方法。其中，前四種方法都是采用單個黑白CCD進行干涉圖記錄的。單波長兩次相移 測量方法是每次只用一個波長的光波，通過用相移干涉方法分兩次測量出的兩個波長光波 的包裹相位，之后兩個包裹相位相減得到雙波長合成相位。單波長相移測量法雖然測量精 度比較高，但是實驗過程中要分別對不同波長下的干涉全息圖依次進行兩次記錄，不僅實 驗過程比較繁瑣和耗時，而且容易受到相移器性能、機械振動、空氣擾動等環境干擾因素的 影響，給實際測量帶來誤差。空域傅里葉變換測量方法是拍攝一幅兩個波長的參考光沿相 同或不同方向傾斜的數字全息圖，通過空域傅里葉變換分離出兩個波長的頻譜信息，再經 過逆傅里葉變換分別獲得兩個波長的包裹相位。空域傅里葉變換測量方法雖然只需采集一 幅數字全息圖，可以方便進行實時動態測量，但因采用離軸全息術，不能充分利用CCD的空 間帶寬積，同時恢復相位時均需要使用空域傅里葉變換對全息圖進行操作，當空間載頻過 高或者物體條紋比較復雜時，很容易出現頻譜混疊，造成高頻信息的丟失，同時濾波窗口 的選擇和噪聲對結果也會產生較大的影響。數字全息測量法主要是通過從單波長離軸全息 圖再現像的復振幅中依次提取單波長包裹相位，再相減后得到合成波長的相位分布，該類 方法的優缺點與空域傅里葉變換測量方法及其相似，另外，這類方法的再現過程相對而言 比較復雜。時域傅里葉變換測量方法通過參考反射鏡勻速運動產生相移，通過對等時間間 隔采集的雙波長干涉條紋圖逐像素進行時域傅里葉變換分離兩個波長的包裹相位，繼而得 到合成波長相位。時域傅里葉變換測量法能夠在一定程度上簡化了光路系統，但是這種方 法需要采集大量的雙波長相移干涉條紋圖才能滿足奈奎斯特采樣定理，實現頻譜分離，但 是為了保證頻譜分離和高測量精度，參考鏡的移動距離必須足夠大，所采集的干涉圖必須 足夠多。當選取的兩個光源的波長差比較小時，需要的干涉圖數量會更多。基于彩色CCD的 同時相移雙波長干涉測量方法利用彩色CCD采集不同波長的相移干涉圖，不同顏色敏感像 素的干涉圖組成不同波長的單波長干涉圖，通過相移算法分別計算出單波長包裹相位，繼 而計算出合成波長和物體高度。但是這種方法存在兩方面的問題，一是要采用接近紅、綠、 蘭三種顏色波長的光源，當光源的波長偏離三原色、或兩個光源的波長差別不大時，難以保 證正確地分離出單波長干涉圖；二是由于不同波長的干涉圖并不是完全對準的，在物體跳 變的邊緣處會帶來一定的誤差。
[0004] 因此，設計一種光路系統簡捷、干涉圖采集操作過程簡便、所需相移干涉圖較少即 可得到兩個波長下的相位信息的雙波長全息干涉測量技術，對于降低測量系統的復雜性、 減少測量和計算時間、提高測量精度、加快測量速度是非常有意義的。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于提供一種基于特殊相移量的單黑白CCD相移雙波長干涉測量 方法，該方法測量簡單，能夠大大減少測量時間和計算時間。
[0006] 本發明的上述目的通過如下技術方案來實現的：一種基于特殊相移量的單黑白 CCD相移雙波長干涉測量方法，該方法包括以下步驟：
[0007] 步驟一：構造共路同軸雙波長干涉系統，該干涉系統內設置了待測物體，將波長為 入i和A2的兩個波長的激光入射到干涉系統中，調整使兩個波長的激光沿完全相同的路徑 形成干涉圖；
[0008] 步驟二：調整單個黑白（XD同時采集兩個波長干涉圖的參數；
[0009] 步驟三：采用單個黑白CCD采集兩個波長同時產生的雙波長相移干涉圖，需要采 集2N+1幅雙波長相移干涉圖，其中N為自然數；
[0010] 步驟四：從采集到的2N+1幅雙波長相移干涉圖中分離出消除了背景的兩套單波 長相移干涉信號圖，分別為波長為X1的單波長相移干涉信號圖和波長為X2的單波長相 移干涉信號圖；
[0011] 步驟五：對分離后的兩套單波長相移干涉信號圖進行歸一化處理；
[0012] 步驟六：計算波長入1、入2下的單波長包裹相位圖〇^和〇A2;
[0013] 步驟七：計算波長為A1和A2的合成波長相位，具體為將步驟六所得到波長入： 和入2的單波長包裹相位圖〇M與〇A2相減，得到合成波長（A=入，2/1ArA21)下的 相位圖〇A，從而獲得待測物體的表面三維形貌信息。
[0014] 本發明中，所述步驟二中調整單個黑白C⑶的具體方法為：通過兩個衰減器ND1和 ND2分別調整兩個波長入射激光的強度，使兩個波長的入射激光被同一黑白CCD采集的灰 度值相同，且在兩個波長同時照明時，所采集的干涉圖不出現飽和現象。
[0015] 本發明中，所述步驟二中米集2N+1幅雙波長相移干涉圖是米用N步相移算法來實 現的，所述N步相移算法的具體過程如下：
[0016] 設照明波長為^和入2，且，將兩個波長的干涉圖同時照射到同一個黑白C⑶上，通過PZT相移器的單調變化產生相移，每相移一步采集一幅干涉圖，共需進行2N+1 步相移，所米集的2N+1幅雙波長相移干涉圖由公式（1)表達為：
[0017]
【權利要求】
1. 一種基于特定相移量的單黑白CCD相移雙波長干涉測量方法，該方法包括以下步 驟： 步驟一：構造共路同軸雙波長干涉系統，該干涉系統內設置了待測物體，將波長為A1 和λ2的兩個波長的激光入射到干涉系統中，調整使兩個波長的激光沿完全相同的路徑形 成干涉圖； 步驟二：調整單個黑白CCD同時采集兩個波長干涉圖的參數； 步驟三：采用單個黑白CCD采集兩個波長同時產生的雙波長相移干涉圖，需要采集 2Ν+1幅雙波長相移干涉圖，其中N為自然數； 步驟四：從采集到到的2Ν+1幅雙波長相移干涉圖中分離出消除了背景的兩套單波長 相移干涉信號圖，分別為波長為λ1的單波長相移干涉信號圖和波長為λ2的單波長相移 干涉信號圖； 步驟五：對分離后的兩套單波長相移干涉信號圖進行歸一化處理； 步驟六：計算波長\1、\2下的單波長包裹相位〇^和〇;^ ; 步驟七：計算波長為λ1和λ2的合成波長相位，具體為將步驟六所得到波長λi和λ2 的單波長包裹相位圖Φλ1與Φλ2相減，得到合成波長（Λ=入，2/|A1-A2I)下的相位 圖ΦΛ，從而獲得待測物體的表面三維形貌信息。
2. 根據權利要求1所述的基于特定相移量的單黑白CCD相移雙波長干涉測量方法，其 特征在于：所述步驟二中調整單個黑白CCD的具體方法為：通過兩個衰減器分別調整兩個 波長入射激光的強度，使兩個波長的入射激光被同一黑白CCD采集的灰度值相同，且在兩 個波長同時照明時，所采集的干涉圖不出現飽和現象。
3. 根據權利要求1所述的基于特定相移量的單黑白CCD相移雙波長干涉測量方法，其 特征在于：所述步驟三中采集2Ν+1幅雙波長相移干涉圖是采用N步相移算法來實現的，所 述N步相移算法的具體過程如下： 設照明波長為入：和λ2，且，將兩個波長的干涉圖同時照射到同一個黑白CXD上，通過PZT相移器的單調變化產生相移，每相移一步采集一幅干涉圖，共需進行2N+1步相 移，所采集的2N+1幅雙波長相移干涉圖由公式（1)表達為： /.(.V,v) - .4(.v, v) + ^(.v, v)cos[^(.x-, v) +2πΑ; //.,]+ v)cos[^(,v, j)+2M,. / Λ] - - - - - - - - - (I) =v)+v〇cos[^(a%v) + ^l；]+52(λ%i')cos[^2(.\% v) + ^2 J 其中i= 〇, 1，2···2Ν+1，第i+1幅干涉圖與第一幅干涉圖之間的光程變化Aji足公式 (2)的要求： 0 Z-O Ai (ζ+ 1)ρ^/2 ζ·為奇數，為正整數 （2) Ipl2H /為偶數，且/#0，/?為正整數 對應于波長λi的相移量δ1;i為 0 z' = 0 i=< 0' + !)^ /為奇數，為正整數 （3) Ipil2/\)π /為偶數，且/式〇,夕為正整數 對應于波長λ2的相移量δ2;i為 0 /-0 S2j = <(i+/λ2)πζ·為奇數，為正整數 （4) ζ為偶數，且/#0，/?為正整數 公式（2)、（3)、（4)中的ρ為非零正整數，其值根據波長A1與λ2的比值及相移步長 的要求選取。
4. 根據權利要求1所述的基于特定相移量的單黑白CCD相移雙波長干涉測量方法，其 特征在于：所述步驟四中從采集到到的2Ν+1幅雙波長相移干涉圖中分離出消除了背景的 兩套單波長相移干涉信號圖的具體過程如下： 將第1幅雙波長相移干涉圖與第i幅依次相減，得到2Ν幅消除了背景的雙波長相移干 涉信號圖，如公式（5)所示： Sj =In-Ij =IBisin(d', / 2)sin((i?i +d, ,. / 2) +IB2sin(^2J / 2)sin(r/7, +y / 2) (5) 其中j= 1，2··· 2N，N為自然數，按照公式（2)、（3)、⑷特定相移量，公式（5)中序列 號為偶數的信號圖構成波長λi的單波長相移干涉信號圖，序列號為奇數的信號圖構成波 長λ2的單波長相移干涉信號圖，分別用公式（6)和公式（7)表示， 分離出的波長λi的單波長相移干涉信號圖： S1, -2Btsin[A/^(yU/ )π~\?η[φ^ +Ιψ{/ι-,/A1 )π~\ (6) 分離出的波長λ2的單波長相移干涉信號圖： S1/t =IB1sin[A/;(/.| / )^]sin[^? +kp{/^/ )/τ] (7) 其中，公式（6)、（7)中，k= 1，2，…N，N為自然數。
5. 根據權利要求4所述的基于特定相移量的單黑白CCD相移雙波長干涉測量方法，其 特征在于：所述步驟五中對分離后的兩套單波長相移干涉信號圖進行歸一化處理的具體過 程如下： 對公式（6)和（7)進行歸一化運算，使其幅度變為不隨相移量變化的常數，歸一化的單 波長相移干涉信號圖為：
其中鮮=2化叫化(々,乂>列/;11，埤=2.4如[化(以乂 :)外11心11，符號1卜11表 示對干涉圖的求模運算。
6. 根據權利要求5所述的基于特定相移量的單黑白CCD相移雙波長干涉測量方法，其 特征在于：所述步驟六中計算波長λ1、λ2下的單波長包裹相位圖Φλ1和Φλ2的具體過 程如下： 從步驟五得到的、由公式（8)和（9)表示的單波長相移干涉信號圖中分別計算出兩個 波長λ2下的單波長包裹相位Φλ1和Φλ2。
【文檔編號】G01B9/02GK104236452SQ201410342492
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年7月17日 優先權日:2014年7月17日
【發明者】呂曉旭, 張望平, 鐘麗云, 王翰林, 費蕾寰 申請人:華南師范大學