一種基于單色ccd的雙波長同時(shí)相移干涉測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于單色CCD的雙波長同時(shí)相移干涉測量方法，通過相移方法用單色CCD同時(shí)采集雙波長混合相移干涉條紋圖，從采集到的雙波長混合相移干涉條紋圖中分別提取兩個(gè)單波長的包裹相位，繼而通過兩個(gè)單波長包裹相位相減計(jì)算出合成波長相位，得到合成波長相位信息，這個(gè)合成波長下的相位信息即為連續(xù)的相位分布，反映被測物體表面真實(shí)的三維形貌。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了僅需對混合干涉條紋圖進(jìn)行一次相移，而不必對兩個(gè)波長分別進(jìn)行相移，可應(yīng)用于階梯、凹槽等具有突變的微結(jié)構(gòu)表面的三維形貌測量；測量方法簡單、測量范圍大、精度高、測量實(shí)時(shí)高效快捷。
【專利說明】—種基于單色CCD的雙波長同時(shí)相移干涉測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)干涉測量以及數(shù)字全息測量領(lǐng)域，尤其是涉及一種單色CCD的雙波長同時(shí)相移干涉測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字全息干涉測量是在精密測量領(lǐng)域倍受關(guān)注的一種新型全息成像測量方法。隨著微光學(xué)元器件、半導(dǎo)體器件、微光機(jī)電系統(tǒng)等微結(jié)構(gòu)器件的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，這些領(lǐng)域迫切需要一種高精度、高分辨率、無損實(shí)時(shí)快捷的測量手段對其表面結(jié)構(gòu)(如:區(qū)域輪廓、缺陷孔、突起、裂縫、面形誤差等)進(jìn)行測量?；跀?shù)字全息干涉測量的表面三維形貌檢測方法是獲取微結(jié)構(gòu)表面形態(tài)的一種重要手段，同時(shí)也是記錄、比較和復(fù)制物體形態(tài)特征的重要基礎(chǔ)。數(shù)字全息干涉測量方法具有非接觸、無損傷、高分辨率、高精度以及處理快捷等優(yōu)點(diǎn)，通過記錄全息圖，獲取相位圖，快速準(zhǔn)確地反應(yīng)物體的三維形貌。它在微電路檢測、機(jī)器視覺、自動(dòng)加工、工業(yè)檢測、產(chǎn)品質(zhì)量控制、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要意義及廣闊的應(yīng)用前景。由于單波長數(shù)字全息圖再現(xiàn)的復(fù)振幅光場中的解調(diào)相位信息是通過計(jì)算反正切函數(shù)得到的，因此所得到的相位都折疊在(-η，η]之間，當(dāng)光經(jīng)過物體后產(chǎn)生的光程差跳變大于所用的記錄光波波長時(shí)，其真實(shí)的相位將超出此范圍，引起包裹相位的混疊，從而不能得到真實(shí)的相位信息。雙波長數(shù)字全息干涉測量可以克服單波長干涉測量中的相位混疊問題，其實(shí)質(zhì)是通過兩個(gè)單波長下的包裹相位圖合成新的相位圖，而新相位圖相當(dāng)于一個(gè)更大的等效波長所得到的，因此當(dāng)光經(jīng)過物體產(chǎn)生跳變的最大光程差小于這個(gè)合成波長時(shí)，將不會(huì)出現(xiàn)混疊的包裹相位?，F(xiàn)有的基于單色CCD的數(shù)字全息干涉測量方法通常需要對兩個(gè)波長下的全息圖進(jìn)行分別記錄，也就是必須采集兩次干涉條紋圖。然后再分別計(jì)算出單波長下的包裹相位信息，來得到雙波長合成波長相位信息。這種方法需要采兩次圖，且采用壓電陶瓷(PZT)微位移器進(jìn)行相移時(shí)也是分兩次進(jìn)行，由于PZT非線性、蠕變等特性影響，必然會(huì)對測量的結(jié)果帶來誤差。因此，設(shè)計(jì)一種只需采一次圖即可得到兩個(gè)波長下的相位信息的雙波長全息干涉測量方法，對于降低測量系統(tǒng)的復(fù)雜性、提高測量精度具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種基于單色CCD采集同時(shí)相移雙波長混合干涉條紋圖實(shí)現(xiàn)雙波長數(shù)字全息干涉測量的方法，該方法可以從同時(shí)采集的雙波長混合條紋中依次提取出對應(yīng)于兩個(gè)波長下的相位信息，從而得到合成波長的相位信息。
[0004]本發(fā)明目的可以通過以下技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)，一種基于單色CXD的雙波長同時(shí)相移干涉測量方法，包括以下步驟:
[0005]步驟一:由單色CXD同時(shí)采集雙波長λ ρ λ 2(假設(shè)λ Z λ 2)混合干涉的N幅被測物體相移干涉條紋圖；對采集到的N幅被測物體相移干涉條紋圖進(jìn)行裁剪處理，裁剪出需要提取單波長相位的子區(qū)域，每一幅子區(qū)域大小為RXS像素，N幅子區(qū)域記為i1; i2，i3，……工11，......1N ;
[0006]步驟二:獲得N幅子區(qū)域中第(r，s)個(gè)像素點(diǎn)處不同時(shí)刻的光強(qiáng)變化曲線，其中0^r^R,0^s^S ;對該像素點(diǎn)不同時(shí)刻的光強(qiáng)構(gòu)成的矩陣I (r，s, η)做快速傅里葉變換；快速傅里葉變換后將得到一個(gè)維數(shù)同樣為IXN的頻譜矩陣其中fs為空間頻率；
[0007]步驟三:根據(jù)快速傅里葉變換后的幅度譜，得到五個(gè)不同的譜峰位置，由左至右依次為對應(yīng)空間頻率fs=_fs；u譜峰、fs=_fsA2的譜峰、混合零級(jí)譜峰、fs=fsx2譜峰和fs=fs；u的譜峰；根據(jù)譜峰幅值的大小找到不同波長所對應(yīng)的空間頻率位置，取fs；u和4λ2處譜峰的位置，求出譜峰fs；u處的復(fù)角，即為干涉圖中第(r，s)個(gè)像素點(diǎn)處λ i所對應(yīng)的相位，譜峰fsA2處的復(fù)角，即為第(r，s)個(gè)像素點(diǎn)處λ2所對應(yīng)的相位；[0008]步驟四:重復(fù)步驟二、三，依次計(jì)算出對應(yīng)于波長A1的所有相位，存入大小為RXS像素的矩陣Wai (r，s)中，得到單波長X1下的包裹相位圖；依次計(jì)算出對應(yīng)于波長λ 2的所有相位，存入大小為RXS像素的矩陣WA2 (r，s)中，得到單波長λ，2下的包裹相位圖；
[0009]步驟五:將單波長A1的包裹相位圖Wm (r，s)與單波長λ2的包裹相位圖(r, s)按對應(yīng)位置相減，即得到合成波長下的相位圖Waia2 ;這個(gè)合成波長下的相位信息即為連續(xù)的相位分布，反映被測物體表面真實(shí)的三維形貌。
[0010]本發(fā)明步驟二中光強(qiáng)變化曲線的獲取過程:依次取出每一幅裁剪后的子區(qū)域中的
第(r, S)個(gè)像素點(diǎn)的光強(qiáng)值 Ii1 (r, s), i2 (r, s), i3 (r, s),......1n (r, s),......1N (r, s)；
將這些取出的光強(qiáng)值存入一個(gè)維數(shù)為IXN的矩陣I (r，s，η)中，即可獲得N幅子區(qū)域中第(r, s)個(gè)像素點(diǎn)處不同時(shí)刻的光強(qiáng)變化曲線，其中η為混合干涉條紋圖子區(qū)域?qū)?yīng)的序號(hào)。
[0011]為了能讓每一像素點(diǎn)的時(shí)域光強(qiáng)經(jīng)快速傅里葉變換后能夠在頻域分離，最好把采樣的周期取大一些，即為過采樣，采集被測物體混合干涉條紋圖數(shù)通常取合成波長(λ W= λ i λ 2/1 λ「λ 21)的兩個(gè)周期。采樣頻率fs≤3fsA1,即相鄰兩幅相移干涉條紋圖之間相移量對應(yīng)的位移Λ d滿足Λ d < λ i/3。
[0012]本發(fā)明所采集混合干涉條紋圖數(shù)量N滿足N = 2 λ eq/ Λ d≤6 λ 2/ I λ「λ 21。
[0013]本發(fā)明所述被測物體相移干涉條紋圖選用雙波長相移同軸馬赫曾德干涉測量系統(tǒng)生成。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，該發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn):
[0015](I)實(shí)現(xiàn)了用單色CXD同時(shí)采集λ^Ρ λ 2兩個(gè)波長的混合干涉條紋圖，僅需對混合干涉條紋圖進(jìn)行一次相移，而不必對兩個(gè)波長分別進(jìn)行相移，就可以從相移混合干涉條紋圖中分別提取出單個(gè)波長的包裹相位，繼而通過兩個(gè)單波長包裹相位相減計(jì)算出合成波長相位。
[0016](2)給出了確定相移步長和需要采集的相移混合干涉條紋圖數(shù)量的條件和方法。
[0017](3)給出了從相移混合干涉條紋圖中分離出單波長相位信息、并計(jì)算出雙波長合成波長相位的方法。
[0018](4)該發(fā)明降低了雙波長相移干涉系統(tǒng)復(fù)雜性和測量難度。
[0019](5)可以采用同軸相移干涉測量光路系統(tǒng)，使得采集干涉條紋圖時(shí)更容易滿足采樣條件。提高空間帶寬積，從而較大地提高系統(tǒng)的分辨率。[0020](6)該發(fā)明方法也可以直接用于三波長及多波長干涉測量；可應(yīng)用于階梯、凹槽等具有突變的微結(jié)構(gòu)表面的三維形貌測量；測量方法簡單、測量范圍大、精度高、測量實(shí)時(shí)高效快捷。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明方法采用的雙波長相移同軸馬赫曾德干涉測量系統(tǒng)示意圖。
[0022]圖2為本發(fā)明方法從雙波長混合干涉條紋圖中提取單波長相位信息的流程圖。
[0023]圖3為本發(fā)明方法實(shí)施例一中采集的N幅雙波長混合干涉條紋圖及從中裁剪的用于提取單波長相位子區(qū)域示意圖。
[0024]圖4為本發(fā)明方法實(shí)施例一中所得的裁剪后的N幅子區(qū)域混合條紋圖中某一點(diǎn)處的光強(qiáng)變化曲線圖。
[0025]圖5為本發(fā)明方法實(shí)施例一中所得的裁剪后的N幅子區(qū)域混合條紋圖中某一點(diǎn)處的幅度頻譜圖。
[0026]圖6為本發(fā)明方法實(shí)施例一中得到的裁剪后的N幅子區(qū)域混合條紋圖中某一點(diǎn)處兩個(gè)波長下對應(yīng)的包裹相位示意圖。
[0027]圖7a為本發(fā)明方法實(shí)施例一中從雙波長混合條紋中提取的532nm波長下包裹相位。
[0028]圖7b為圖7a中的包裹相位解包裹后得到的532nm波長下相位圖。
[0029]圖8a為本發(fā)明方法實(shí)施例一中從雙波長混合條紋中提取的633nm波長下包裹相位。
[0030]圖8b為圖8a中的包裹相位解包裹后得到的633nm波長下相位圖。
[0031]圖9a為本發(fā)明方法實(shí)施例一中由圖7a中532nm波長下包裹相位與圖8a中633nm波長下包裹相位相減得到的532nm和633nm雙波長下對應(yīng)的合成波長包裹相位。
[0032]圖9b為圖9a的合成波長包裹相位用雙波長解包后的相位圖。
[0033]圖10為本發(fā)明方法實(shí)施例二中的一個(gè)待測臺(tái)階物體三維形貌圖。
[0034]圖11為本發(fā)明方法實(shí)施例二中的待測臺(tái)階物體三維形貌圖的截面圖。
[0035]圖12a為本發(fā)明方法實(shí)施例二中提取出的532nm波長下的臺(tái)階包裹相位圖。
[0036]圖12b本發(fā)明方法實(shí)施例二中提取出的633nm波長下的臺(tái)階包裹相位圖。
[0037]圖13為本發(fā)明方法實(shí)施例二中得到的合成波長臺(tái)階包裹相位圖。
[0038]圖14為本發(fā)明方法實(shí)施例二中測量得到臺(tái)階物體的三維形貌圖。
[0039]圖15為本發(fā)明方法實(shí)施例二中測量得到的臺(tái)階物體的三維形貌圖的截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0041]為了使光路更容易滿足單色CCD采樣條件，本實(shí)施例一采用雙波長相移同軸馬赫曾德干涉測量光路系統(tǒng)。圖1可見，此光路系統(tǒng)包含有光源、壓電陶瓷微位移器(PZT)和計(jì)算機(jī)(PC)構(gòu)成的相移系統(tǒng)、單色CCD和數(shù)據(jù)采集卡以及PC構(gòu)成的圖像采集系統(tǒng)三個(gè)部分。其中光源部分由一臺(tái)波長為633nm的He-Ne激光器和一臺(tái)波長為532nm的半導(dǎo)體泵浦固體激光器構(gòu)成。圖像采集部分中的單色CCD (電荷耦合器件)為臺(tái)灣敏通公司生產(chǎn)的MTV-1802CB型黑白低照度高解析工業(yè)攝像機(jī)。相移系統(tǒng)部分中的壓電陶瓷微位移器(PZT)為電子工業(yè)集團(tuán)第26研究所生產(chǎn)的2D020型微位移器，其位移分辨為0.1 μ m，重復(fù)定位精度為0.2 μ m。壓電陶瓷微位移器(PZT)的驅(qū)動(dòng)電源為電子工業(yè)集團(tuán)第26研究所生產(chǎn)的DWY-3型驅(qū)動(dòng)電源，其電源輸入電壓為220VAC，外部輸入電壓為0-5V，輸出電壓為0-300VDC,輸出電壓紋波小于50mv，分辨率為0.1V。MO為Micro Objective的簡稱，中文名為顯微物鏡，其作用為對樣品Samples進(jìn)行放大，以便提高測量系統(tǒng)的分辨率。BE為BeamExpander的簡稱，中文名為擴(kuò)束準(zhǔn)直器，作用把細(xì)光束擴(kuò)束準(zhǔn)直，使得系統(tǒng)測得的樣品區(qū)域更大。中文名為壓電陶瓷微位移器，作用是驅(qū)動(dòng)平面反射鏡M2運(yùn)動(dòng)，在參考光路上產(chǎn)生相移。Ml、M2為平面反射鏡。整個(gè)測量過程中，CXD和PZT由計(jì)算機(jī)(PC)中的驅(qū)動(dòng)程序自動(dòng)控制。
[0042]在測量過程中，波長分別為532nm和633nm的激光光源發(fā)射的兩束激光同時(shí)共路經(jīng)過第一個(gè)分束棱鏡BSl后，為了便于調(diào)節(jié)光源光強(qiáng)，在光源和BSl之間插入了一個(gè)中性密度濾光片ND)，各自分成兩路光。一路光為物光，另一路為參考光。物光光束經(jīng)過反射鏡Ml后經(jīng)過被測樣品Samples進(jìn)入第二個(gè)分束棱鏡BS2，在被測樣品和第二個(gè)分束棱鏡BS2之間可以設(shè)置一個(gè)顯微物鏡MO，其作用為對被測樣品Samples進(jìn)行預(yù)防大，以便提高測量系統(tǒng)的分辨率。同時(shí)參考光束經(jīng)過帶壓電陶瓷微位移器(PZT)驅(qū)動(dòng)的反射鏡M2反射后也進(jìn)入到第二個(gè)分束棱鏡BS2，在反射鏡M2與第二個(gè)分束棱鏡BS2之間可以設(shè)置一個(gè)光束擴(kuò)束器BE，把細(xì)光束擴(kuò)束，使得系統(tǒng)測得的樣品區(qū)域更大。波長相同的物光與參考光波復(fù)振幅疊加形成干涉條紋，532nm和633nm不同波長下光波的干涉條紋通過光強(qiáng)疊加，匯合在單色CCD表面形成雙波長同軸的混合干涉條紋圖。
[0043]光路系統(tǒng)搭好后，再通過壓電陶瓷微位移器(PZT)由驅(qū)動(dòng)程序控制推動(dòng)反射鏡M2移動(dòng)產(chǎn)生相移，由單色CCD采集混合干涉條紋的N幅相移干涉條紋圖。用驅(qū)動(dòng)程序控制壓電陶瓷微位移器(PZT)推動(dòng)反射鏡M2移動(dòng)產(chǎn)生相移，采用的采集參數(shù)為:PZT驅(qū)動(dòng)的起始電壓210V，步進(jìn)電壓0.1V，單·色CXD采集相鄰兩幅混合條紋圖的等待時(shí)間為40ms。
[0044]上述混合條紋圖處理的理論依據(jù)如下:假設(shè)采集的條紋圖為N幅對采集到的N幅混合干涉條紋圖進(jìn)行裁剪處理，裁剪出需要提取單波長相位的子區(qū)域，區(qū)域大小為RX S像素，區(qū)域大小R、S可由CCD采集到的圖形大小和待測物體區(qū)域的大小來加以調(diào)整，區(qū)域選取小些，測量所需時(shí)間便可縮短。提取的子區(qū)域記為i1;i2，i3，……in，……iN。依次取出每一幅裁剪后的子區(qū)域中的第(r，s)個(gè)像素點(diǎn)的光強(qiáng)值I1 (r,s), i2 (r,s), i3 (r, s),……in (r,s),……iN (r，s)。這些同一像素點(diǎn)位置不同時(shí)刻的光強(qiáng)值滿足光強(qiáng)變化規(guī)律為:
[0045]
【權(quán)利要求】
1.一種基于單色CCD的雙波長同時(shí)相移干涉測量方法，其特征在于包含以下步驟: 步驟一:由單色CCD同時(shí)采集雙波長λ ρ λ 2混合干涉的N幅被測物體相移干涉條紋圖；對采集到的N幅被測物體相移干涉條紋圖進(jìn)行裁剪處理，裁剪出需要提取單波長相位的子區(qū)域，每一幅子區(qū)域大小為RXS像素，N幅子區(qū)域記為i1;i2，i3，……in，……iN; 步驟二:獲得N幅子區(qū)域中第(r，s)個(gè)像素點(diǎn)處不同時(shí)刻的光強(qiáng)變化曲線，其中0^r^R,0^s^S ;對該像素點(diǎn)不同時(shí)刻的光強(qiáng)構(gòu)成的矩陣I (r，s, η)做快速傅里葉變換；快速傅里葉變換后將得到一個(gè)維數(shù)同樣為IXN的頻譜矩陣Kr,&Ρ，其中fs為空間頻率；n表示混合干涉條紋圖子區(qū)域的序號(hào)，η可取1，2，3，…，N。 步驟三:根據(jù)快速傅里葉變換后的幅度譜，得到五個(gè)不同的譜峰位置，由左至右依次為對應(yīng)空間頻率fs=_fsA1譜峰、fs=-fSA2的譜峰、混合零級(jí)譜峰、fs=fSA2譜峰和fs=fs；u的譜峰；根據(jù)譜峰幅值的大小找到不同波長所對應(yīng)的空間頻率位置，取?；λ1和4λ2處譜峰的位置，求出譜峰fs；u處的復(fù)角，即為干涉圖中第(r，s)個(gè)像素點(diǎn)處X1所對應(yīng)的相位，譜峰fsA2處的復(fù)角，即為第(r，s)個(gè)像素點(diǎn)處λ 2所對應(yīng)的相位； 步驟四:重復(fù)步驟二、三，依次計(jì)算出對應(yīng)于波長A1的所有相位，存入大小為RXS像素的矩陣Wai (r，s)中，得到單波長X1下的包裹相位圖；依次計(jì)算出對應(yīng)于波長λ2的所有相位，存入大小為RXS像素的矩陣WA2 (r，s)中，得到單波長入，2下的包裹相位圖； 步驟五:將單波長λ I的包裹相位圖WaI (r, s)與單波長λ 2的包裹相位圖WA2 (r, s)按對應(yīng)位置相減，即得到合成波長下的相位圖Waia2 ;這個(gè)合成波長下的相位信息即為連續(xù)的相位分布，反映被測物體表面真實(shí)的三維形貌或物理量分布情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于單色CCD的雙波長同時(shí)相移干涉測量方法，其特征在于步驟二中光強(qiáng)變化曲線的獲取過程:依次取出每一幅裁剪后的子區(qū)域中的第(r，s)個(gè)像素點(diǎn)的光強(qiáng)值 I1 (r, s), I2 Cr, s), i3 Cr, s),......1n (r, s),......1N (r, s);將這些取出的光強(qiáng)值存入一個(gè)維數(shù)為IXN的矩陣I (r，s，η)中，即可獲得N幅子區(qū)域中第(r，s)個(gè)像素點(diǎn)處不同時(shí)刻的光強(qiáng)變化曲線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于單色CCD的雙波長同時(shí)相移干涉測量方法，其特征在于所采集被測物體混合干涉條紋圖數(shù)量N滿足N≥6 λ 2/1 λ廠λ 21。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于單色CCD的雙波長同時(shí)相移干涉測量方法，其特征在于所述被測物體相移干涉條紋圖選用雙波長相移同軸馬赫曾德干涉測量系統(tǒng)生成。
【文檔編號(hào)】G01B11/24GK103630086SQ201310571673
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月13日
【發(fā)明者】呂曉旭, 張望平, 費(fèi)蕾寰, 趙暉, 鐘麗云 申請人:華南師范大學(xué)