[發明專利]相移及相傾可切換雙模式干涉測量裝置及其測量方法

在審

• 申請號: 201310548644.X
• 申請日: 2013-11-07
• 公開（公告）號: CN104634459A
• 公開（公告）日: 2015-05-20
• 發明（設計）人: 李建欣;劉成淼;郭仁慧;沈華;馬駿;朱日宏;陳磊;何勇;高志山;王青
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01J9/02
• 分類號: G01J9/02;G01J3/45
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

1.一種相移及相傾可切換雙模式干涉測量裝置，其特征如下：包括干涉儀[26]，參考鏡[25]，參考鏡位移調整裝置和計算機[3]，位移調整裝置設置在干涉儀[26]光線出射口前端，干涉儀[26]與計算機[3]連接；位移調整裝置包括第一壓電陶瓷驅動器[21]、第二壓電陶瓷驅動器[22]、第三壓電陶瓷驅動器[23]和參考鏡夾持結構[24]；參考鏡夾持結構[24]為環形結構，參考鏡[25]放置在參考鏡夾持結構[24]的圓環中心，第一壓電陶瓷驅動器[21]、第二壓電陶瓷驅動器[22]、第三壓電陶瓷驅動器[23]均勻對稱分布在參考鏡夾持結構[24]的外環圓周上。

2.根據權利要求1所述的相移及相傾可切換雙模式干涉測量裝置，其特征如下：第二壓電陶瓷驅動器[22]和第三壓電陶瓷驅動器[23]水平等高，或第一壓電陶瓷驅動器[21]和第二壓電陶瓷驅動器[22]水平等高，或第一壓電陶瓷驅動器[21]和第三壓電陶瓷驅動器[23]水平等高。

3.一種基于權利要求1所述的相移及相傾可切換雙模式干涉測量裝置的測量方法，其特征在于，步驟如下：

步驟一：判斷待測件所處的測量環境是否存在機械振動，若沒有機械振動，進入步驟二；若存在機械振動，進入步驟三；

步驟二：在相移測試模式下：

2-1）干涉儀射出干涉光線，位移調整裝置對參考鏡位置進行等間隔平移調整，即相移步進，得到四幅相移干涉圖，每一幅干涉圖的相移量均為π/2；

2-2）干涉儀探測接收四幅相移干涉圖，并將其傳入計算機；

2-3）計算機利用四步相移算法恢復待測件的被測相位；

步驟三：相傾測試模式下：

3-1）干涉儀射出干涉光線，位移調整裝置共步進N步，其中N>6，前N-1步參考鏡進行相移步進，第N步時，改變參考鏡[25]傾斜角度，即三個壓電陶瓷驅動器中兩個壓電陶瓷驅動器電壓一致，另一個壓電陶瓷驅動器電壓不同，共得到N幅干涉圖，其中最后一幀干涉圖的條紋數大于10；

3-2）干涉儀探測接收N幅干涉圖，并將其傳入計算機；

3-3）計算機通過相傾干涉算法恢復待測件的被測相位。

4.根據權利要求2所述的相移及相傾可切換雙模式干涉測量裝置的測量方法，其特征在于：步驟三中相傾干涉算法如下：

第一步，參考鏡前N-1步進行相移步進，干涉儀中的探測器得到的干涉圖像I_n(x,y)可表示為：

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步進行對參考鏡進行傾斜調整，增大參考鏡的傾斜角度，使探測器得到的干涉圖條紋數大于10，作為參考圖像，參考圖像的條紋圖像灰度分布I(x,y)表示為：

I(x,y)=a(x,y)+b(x,y)cos(φ(x,y))

其中，平面傾斜引入的相位變化P_n(x,y)=α_nx+β_ny+γ_n，α_n,β_n,γ_n為傾斜平面參數，n為獲得的第n幅干涉圖像的序號；a(x,y)表示干涉條紋背景分量，b(x,y)表示干涉條紋調制度，φ(x,y)表示待求的相位分布，(x,y)為圖像的像素坐標；

第二步，利用Radon變換確定α_n,β_n,γ_n，即：

1）將第N-1幅干涉圖像減去參考圖像，得到圖像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）對相減得到的圖像D_n(x,y)進行二值化處理得到圖像D′_n(x,y)：

3）對圖像D′_n(x,y)進行Radon變換得到ρ-θ變換域數據：

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

其中，Ω表示要計算的圖像區域，δ為函數，ρ為坐標原點O到空間投影直線的距離，坐標原點O位于圖像的中心，θ為x軸與直線OA的夾角；經過Radon變換后，圖像D′_n(x,y)中的每條直線在ρ-θ變換域中形成一個峰值，通過檢測最大峰值所對應的角度θ_n、最大峰值點到水平軸的距離ρ_n，以及相鄰峰值點的間隔d_n，利用以下的公式可以確定傾斜平面參數：

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，利用最小二乘法確定相位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)由實際采集得到的干涉圖序列表示為I′_n(x,y)，則干涉條紋光強的平方根誤差和為：

S=Σn-1N-1(In-In′)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=N-1Σn-1N-1cosPnΣn-1N-1sinPnΣn-1N-1cosPnΣn-1N-1cos2PnΣn-1N-1cosPnsinPnΣn-1N-1sinPnΣn-1N-1sinPncosPnΣn-1N-1sin2Pn]]>

B=[Σn-1N-1In′Σn-1N-1In′cosPnΣn-1N-1In′sinPn]T]]>

確定參數c₀(x,y)、c₁(x,y)和c₂(x,y)后，利用以下公式確定待求相位：

φ(x,y)=tan-1(-c2(x,y)c1(x,y)).]]>