[發明專利]數字干涉條紋分析方法及光學元件面形檢測裝置

有效

• 申請號: 200910023813.1
• 申請日: 2009-09-07
• 公開（公告）號: CN101650163A
• 公開（公告）日: 2010-02-17
• 發明（設計）人: 范琦;楊鴻儒;黎高平;陸琦
• 申請（專利權）人: 中國兵器工業第二〇五研究所
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心
• 代理人: 趙振紅

技術領域

本發明涉及光學精密測量技術領域，特別涉及一種基于傅里葉變換的數字干涉條紋高精度分析方法及采用該分析方法實現的光學元件面形檢測裝置。

背景技術

在現代光學精密測量及計量中，光學元件面形檢測、三維形貌獲取及表面粗糙度測量等領域都涉及條紋的分析技術，此處的條紋可以是干涉條紋，也可以是投影條紋。對干涉條紋的分析，通常采用兩種技術，一種為相移技術，另一種為傅里葉變換分析技術。在相移技術中，需要對條紋進行多次記錄，并且在每一次記錄中都需要保證準確的相移量及穩定的光強，這樣給測量過程及其裝置帶來很大的難度，主要體現在不能進行動態實時測量，同時整個裝置對環境有很高的要求。傅里葉變換分析技術能從一幅干涉條紋圖中恢復出所需的相位信息，可以實現高精度現場、動態測量。

傳統的干涉條紋傅里葉分析方法一般由以下幾個步驟組成：第一步獲取干涉條紋圖像；第二步對干涉條紋圖像進行傅里葉變換，獲得傅里葉頻譜；第三步將傅里葉頻譜中的正一級頻譜濾出；第四步以傅里葉頻譜中正一級頻譜的峰值坐標為空間載頻，在空間頻率坐標系中進行移頻；第五步對移頻后的正一級頻譜進行傅里葉逆變換；第六步求取包裹相位；第七步對包裹相位進行解包裹操作。上述的傅里葉分析方法在實際應用中，由于采用離散傅里葉變換來實現，使得在記錄的干涉條紋的空間載頻不是頻率采樣間隔的整數倍時，即為非同步采樣時，由于頻譜泄露效應和柵欄效應給測量結果引入較大的誤差。以兩束平面光波的干涉條紋為例，如圖1所示。圖1中條紋在空間坐標X和Y方向的空間載頻f_x0和f_y0均等于20/(256×5)×10⁶m^-1，而兩方向的頻率采樣間隔Δf_x和Δf_y均為1/(256×5)×10⁶m^-1。圖1所示干涉條紋圖像在水平中心線上的強度分布如圖2所示。對圖1所示條紋進行傳統傅里葉分析，得到測量相位φ(x，y)，其在X方向的分布情況如圖3所示。圖4示出了空間載頻f_x0和f_y0均等于20.3/(256×5)×10⁶m^-1的干涉條紋在中心水平線上的強度分布。圖5則是針對圖4所示強度分布的干涉條紋用傳統傅里葉分析法獲得的測量相位φ(x，y)在X方向的分布情況。對照圖3和圖5，可以得出在載頻不是頻率采樣間隔的整數倍時，用傳統傅里葉分析法所得測量相位有很大的誤差。為了解決這一問題，Zongtao?Ge在美國專利《Fringe?analysis?method?and?apparatususing?Fourier?transform》(Patent?No.：US?6621579B2，Date?of?Patent：Sep.16，2003)中采用條紋實時監測并通過PZT(壓電陶瓷)實時伺服控制參考鏡傾斜度的方法，使得所記錄的數字干涉條紋的載頻為頻率采樣間隔的整數倍。無疑這種方法可以解決問題，但它卻增加了裝置的復雜度、降低了測量過程的實時性。

發明內容

本發明的目的是，在不增加裝置復雜度的情況下，克服現有數字干涉條紋傅里葉分析方法中頻譜泄露和柵欄效應引入誤差的問題，從而提供一種基于數字全息技術中物光波前恢復的干涉條紋分析方法以及采用該分析方法實現的光學元件面形檢測裝置，以實現對光學元件面形的高精度、現場及動態檢測。

本發明提供的數字干涉條紋分析方法包括以下步驟：用固體成像器件獲取光學元件被測面形和標準光學元件面形構成的一幅干涉條紋圖像并經A/D轉換器轉換成第一數字干涉條紋圖像；給所述第一數字干涉條紋圖像乘以窗函數，得到第二干數字涉條紋圖像；對所述第二數字干涉條紋圖像進行傅里葉變換，獲得第二數字干涉條紋圖像的頻譜；對所述第二數字干涉條紋圖像的頻譜用矩形窗口進行濾波，得到第二數字干涉條紋圖像的正一級頻譜；根據所述第二數字干涉條紋圖像的正一級頻譜，采用以下算法估計第二數字干涉條紋圖像的空間載頻：