相移及相倾可切换双模式干涉测量装置及其测量方法

摘要

本发明提供相移及相倾可切换双模式干涉测量装置及方法，涉及光干涉计量测试领域，方法步骤为：首先，在干涉仪的参考镜处安装位移调整装置，可对参考镜进行平移或者倾斜调整。其次，干涉仪采用相移和相倾测试两种模式。在相移测试模式下，位移调整装置对参考镜位置进行等间隔平移调整，得到四幅相移干涉图，每一幅干涉图的相移量均为

说明书

技术领域

本发明涉及激光干涉测试领域，特别是一种相移及相倾可切换双模式干涉测 量装置及其测量方法，可以克服环境振动干扰。

背景技术

干涉技术是光学测试中非常有用的一项技术，它通过条纹的数字化处理来获 得相位分布。为了实现高精度的相位提取，通常采用相移干涉PSI（Phase Shifting  Interferometry）技术。在标准PSI技术中，需要利用相移器对干涉相位进行等间 隔平移，移动量通常为π/2。由此形成了很多的相移计算方法，目前广泛应用 于各种干涉测试场合。

相移干涉技术为了实现等间隔相移，严格的相位标定是一个非常重要的技术 环节。然而，相位标定处理跟相移器硬件相结合，实现比较复杂；另一方面，干 涉测试系统随着使用时间的增加，相移器性能下降，从而影响相移的稳定性。为 了克服该技术问题，可以采用随机相移技术，不需要严格的等间隔相位移动。但 是，无论是标准相移技术还是随机相移技术，在振动受扰环境下进行使用都无法 避免振动带来的计算误差影响。振动的影响实质上是使相位平面发生了倾斜，因 此抗振干涉方法主要是从硬件方案和软件算法等方面来消除相位平面倾斜的影 响。美国4D公司生产的动态干涉仪采用同步相移的方法，可一次性获得多幅干 涉图，有效的克服了环境振动对测量的影响。但其结构复杂，对光机实现的要求 很高，价格昂贵。因此，发明低成本并且能够有效克服振动干扰的干涉测试方法 和装置具有重要应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相移及相倾可切换双模式干涉测量装置及其测 量方法，能够在振动测量环境下得到高精度的干涉测量结果，而且结构实现容易， 成本较低。

技术方案

实现本发明目的的技术解决方案为：一种相移及相倾可切换双模式干涉测量 装置，包括干涉仪，参考镜，参考镜位移调整装置和计算机，位移调整装置设置 在干涉仪光线出射口前端，干涉仪与计算机连接；位移调整装置包括第一压电陶 瓷驱动器、第二压电陶瓷驱动器、第三压电陶瓷驱动器和参考镜夹持结构；参考 镜夹持结构为环形结构，参考镜放置在参考镜夹持结构的圆环中心，第一压电陶 瓷驱动器、第二压电陶瓷驱动器、第三压电陶瓷驱动器均匀对称分布在参考镜夹 持结构的外环圆周上。

一种相移及相倾可切换双模式干涉测量装置的测量方法，步骤如下：

步骤一：判断待测件所处的测量环境是否存在机械振动，若没有机械振动， 进入步骤二；若存在机械振动，进入步骤三。

步骤二：在相移测试模式下：

2-1）干涉仪射出干涉光线，位移调整装置对参考镜位置进行等间隔平移调 整，即相移步进，得到四幅相移干涉图，每一幅干涉图的相移量均为π/2；

2-2）干涉仪探测接收四幅相移干涉图，并将其传入计算机；

2-3）计算机利用四步相移算法恢复待测件的被测相位。

步骤三：相倾测试模式下：

3-1）干涉仪射出干涉光线，位移调整装置共步进N步，其中N>6，前N-1 步参考镜进行相移步进，第N步时，改变参考镜倾斜角度，即三个压电陶瓷驱 动器中两个压电陶瓷驱动器电压一致，另一个压电陶瓷驱动器电压不同，共得到 N幅干涉图，其中最后一帧干涉图的条纹数大于10；

3-2）干涉仪探测接收N幅干涉图，并将其传入计算机；

3-3）计算机通过相倾干涉算法恢复待测件的被测相位。

本发明与现有干涉测量技术相比，其显著优点在于：

（1）相比于现有相移干涉测试装置，本发明增加了相倾干涉测试模式，提 高了测量仪器的适用范围。

（2）相比于一般干涉测试方法，增加的相倾干涉测试法具有高鲁棒性与计 算精度，可以用于振动受扰环境下的干涉测量，实现高精度分析。

（3）相比于现有的抗振干涉方法与装置，本发明结构实现容易，成本较低。

附图说明

图1为实现本发明方法的装置结构示意。

图2为相位倾斜干涉图，其中最后一幅为高载频干涉图。

图3为Radon变换示意图；其中(a)为两干涉图相减后的二值化图像，(b)为 Radon变换后的峰值图像。

图4为四步移相干涉图。

图5为测试结果的二维相位分布；其中(a)为相倾方法得到的相位，(b)为相 移方法得到的相位。

具体实施方式

结合图1，本发明所述的相移及相倾可切换双模式干涉测量装置包括干涉仪 26，参考镜25，参考镜位移调整装置和计算机3，位移调整装置设置在干涉仪 26光线出射口前端，干涉仪26与计算机3连接；位移调整装置包括第一压电陶 瓷驱动器21、第二压电陶瓷驱动器22、第三压电陶瓷驱动器23和参考镜夹持结 构24；参考镜夹持结构24为环形结构，参考镜25放置在参考镜夹持结构24的 圆环中心，第一压电陶瓷驱动器21、第二压电陶瓷驱动器22、第三压电陶瓷驱 动器23均匀对称分布在参考镜夹持结构24的外环圆周上。第二压电陶瓷驱动器 22和第三压电陶瓷驱动器23水平等高，或第一压电陶瓷驱动器21和第二压电 陶瓷驱动器22水平等高，或第一压电陶瓷驱动器21和第三压电陶瓷驱动器23 水平等高。干涉光线由干涉仪26射出，经过参考参考镜25和测试镜1分别有反 射光进入干涉仪，其中参考镜25反射的为参考光，测试镜1反射的为测试光。 由于参考镜与测试镜的位置差异，参考光与测试光存在一定的光程差，在干涉仪 内部发生干涉，产生干涉图31。干涉条纹由干涉以内的探测器接受，传输到计 算机3。一种相移及相倾可切换双模式干涉测量装置的测量方法，其步骤如 下：

步骤一：判断待测件所处的测量环境是否存在机械振动，若没有机械振动， 进入步骤二；若存在机械振动，进入步骤三；

步骤二：在相移测试模式下：

2-1）干涉仪射出干涉光线，位移调整装置对参考镜位置进行等间隔平移调整， 即相移步进，得到四幅相移干涉图，每一幅干涉图的相移量均为π/2；

2-2）干涉仪探测接收四幅相移干涉图，并将其传入计算机；

2-3）计算机利用四步相移算法恢复待测件的被测相位；

步骤三：相倾测试模式下：

3-1）干涉仪射出干涉光线，位移调整装置共步进N步，其中N>6，前N-1 步参考镜进行相移步进，第N步时，改变参考镜25倾斜角度，即三个压电陶瓷 驱动器中两个压电陶瓷驱动器电压一致，另一个压电陶瓷驱动器电压不同，共得 到N幅干涉图，其中最后一帧干涉图的条纹数大于10；

3-2）干涉仪探测接收N幅干涉图，并将其传入计算机；

3-3）计算机通过相倾干涉算法恢复待测件的被测相位。

在相移测量模式下，通过平移参考参考镜25对干涉相位进行等间隔平移， 移动量为π/2。通过四步相移法恢复被测相位，即：

$\phi (x,y)={\tan }^{-1}\frac{I_3(x,y)-I_1(x,y)}{I_0(x,y)-I_2(x,y)}$

其中φ表示被测相位，I₀、I₁、I₂、I₃分别为相移模式下得到的等相位间隔 干涉图的灰度分布，(x,y)为图像的像素坐标。

相倾测量模式下，结合图2，干涉仪射出干涉光线，位移调整装置共步进N 步，其中N>6，前N-1步参考镜进行相移步进，第N步时，改变参考镜25倾 斜角度，即三个压电陶瓷驱动器中两个压电陶瓷驱动器电压一致，另一个压电陶 瓷驱动器电压不同，共得到N幅干涉图，其中最后一帧干涉图的条纹数大于10； 利用相倾干涉算法恢复被测相位，即：

第一步，参考镜前N-1步进行相移步进，干涉仪中的探测器得到的干涉图 像I_n(x,y)可表示为：

I_n(x,y)=a(x,y)+b(x,y)cos(φ(x,y)+P_n(x,y)),n=1,2,···,N-1

第N步进行对参考镜进行倾斜调整，增大参考镜的倾斜角度，使探测器得到 的干涉图条纹数大于10，作为参考图像，参考图像的条纹图像灰度分布I(x,y)表 示为：

I(x,y)=a(x,y)+b(x,y)cos(φ(x,y))

其中，平面倾斜引入的相位变化P_n(x,y)=α_nx+β_ny+γ_n，α_n,β_n,γ_n为倾斜平 面参数，n为获得的第n幅干涉图像的序号；a(x,y)表示干涉条纹背景分量， b(x,y)表示干涉条纹调制度，φ(x,y)表示待求的相位分布，(x,y)为图像的像素 坐标；

第二步，利用Radon变换确定α_n,β_n,γ_n，即：

1）将第N-1幅干涉图像减去参考图像，得到图像D_n(x,y)：

D_n(x,y)=I_n(x,y)-I(x,y)

=-2b(x,y)sin((φ(x,y)+P_n(x,y)/2)sin(P_n(x,y)/2)

2）对相减得到的图像D_n(x,y)进行二值化处理得到图像D′_n(x,y)：

3）对图像D′_n(x,y)进行Radon变换得到ρ-θ变换域数据：

R_n(ρ,θ)=∫∫_ΩD′_n(x,y)δ(ρ-xcosθ-ysinθ)dxdy

其中，Ω表示要计算的图像区域，δ为单位脉冲函数，ρ为坐标原点O到空 间投影直线的距离，坐标原点O位于图像的中心，θ为x轴与直线OA的夹角； 经过Radon变换后，图像D′_n(x,y)中的每条直线在ρ-θ变换域中形成一个峰值， 通过检测最大峰值所对应的角度θ_n、最大峰值点到水平轴的距离ρ_n，以及相邻 峰值点的间隔d_n，利用以下的公式可以确定倾斜平面参数：

α_n=2π|cosθ_n|/d_n

β_n=S(π/2-θ_n)·2πsinθ_n/d_n

γ_n=-α_nρ_ncosθ_n-β_nρ_nsinθ_n

第三步，利用最小二乘法确定相位φ(x,y)，即：

a)令c₀(x,y)=a(x,y)，c₁(x,y)=b(x,y)cos(φ(x,y))， c₂(x,y)=-b(x,y)sin(φ(x,y))。得到：

I_n=c₀(x,y)+c₁(x,y)cosP_n+c₂(x,y)sinP_n

b)由实际采集得到的干涉图序列表示为I′_n(x,y)，则干涉条纹光强的平方根 误差和为：

$S=\underset{n-1}{\overset{N-1}{\Sigma }}{(I_n-I_n^{\prime })}^2$

c)由最小二乘法原理得到：

C=A^-1B

其中，

C=[c₀(x,y)c₁(x,y)c₂(x,y)]^T

$A=\left(\begin{array}{ccc}N-1& \underset{n-1}{\overset{N-1}{\Sigma }}\cos P_n& \underset{n-1}{\overset{N-1}{\Sigma }}\sin P_n\\ \underset{n-1}{\overset{N-1}{\Sigma }}\cos P_n& \underset{n-1}{\overset{N-1}{\Sigma }}{\cos }^2{P}_n& \underset{n-1}{\overset{N-1}{\Sigma }}\cos P_n\sin P_n\\ \underset{n-1}{\overset{N-1}{\Sigma }}\sin P_n& \underset{n-1}{\overset{N-1}{\Sigma }}\sin P_n\cos P_n& \underset{n-1}{\overset{N-1}{\Sigma }}{\sin }^2{P}_n\end{array}\right)$

$B={\left[\underset{n-1}{\overset{N-1}{\Sigma }}{I}_n^{\prime }\underset{n-1}{\overset{N-1}{\Sigma }}{I}_n^{\prime }\cos P_n\underset{n-1}{\overset{N-1}{\Sigma }}{I}_n^{\prime }\sin P_n\right]}^T$

确定参数c₀(x,y)、c₁(x,y)和c₂(x,y)后，利用以下公式确定待求相位：

$\phi (x,y)={\tan }^{-1}\left(\frac{-c_2(x,y)}{c_1(x,y)}\right).$

实施例一：

相倾测试模式下：

位移调整装置对参考镜位置进行等间隔平移调整，得到四幅相移干涉图，如 图4所示。每一幅干涉图的相移量均为π/2，干涉图像的采样分辨率为1024× 1024像素。

利用四步移相算法恢复相位二维分布结果如图5(b)所示。测试结果为 PV=0.2164λ，rms=0.0413λ。

相倾测试模式下：

(1)位移调整装置前七步仍作相移步进，干涉仪采集得到七幅条纹数少并且 相位倾斜量不相等的干涉图I_n(x,y)，如图2(a)、2(b)、2(c)、2(d)、2(e)、2(f)、 2(g)所示。最后一步对参考镜[25]进行倾斜调整，得到高载频参考干涉图I(x,y)， 如图2(h)所示。

(2)把参考干涉图像2(h)分别减图2(a)、2(b)、2(c)、2(d)、2(e)、2(f)、2(g)， 再进行二值化处理，得到直线条纹图如图3(a)所示。然后进行Radon变换处理得 到ρ-θ变换域数据，如图3(b)所示。求出图2(a)、2(b)、2(c)、2(d)、2(e)、2(f)、 2(g)的相位倾斜平面参数(α_n,β_n,γ_n)。利用最小二乘方法计算得到被测相位二维 分布如图5(a)所示。测试结果为PV=0.2169λ，rms=0.0406λ。

两种模式的测试结果差异很小，说明相倾测试模式具有很高的精度。