[發明專利]一種變頻相移最小二乘迭代疊加面形分離的方法

有效

• 申請號: 201810201346.6
• 申請日: 2018-03-12
• 公開（公告）號: CN108489422B
• 公開（公告）日: 2019-09-27
• 發明（設計）人: 李大海;王瑞陽;章辰;陳鵬宇;金成英;王瓊華
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提出了一種基于變化條紋頻率相移的相位測量偏折術中疊加面形分離方法，其基本器件包括針孔相機、被測元件和顯示器。首先，投影一組頻率變化的條紋圖以實現相移，經被測元件前后表面反射疊加后由針孔相機捕獲；接下來利用最小二乘迭代算法來解算前后表面對應的相位分布，并根據相位分布得到顯示器坐標；最后代入斜率計算公式計算被測元件前表面斜率并積分恢復面形。該方法有不改變傳統PMD裝置，易于實現成本低廉，快速測量等優點。

技術領域

本發明涉及一種相位測量偏折術(PMD,Phase Measuring Deflectometry)進行光學元件面形檢測的技術領域，特別是對前后表面面形疊加的光學元件分離并檢測的相位測量偏折術。

背景技術

相位測量偏折術是一種非接觸式的高精度光學元件面形檢測手段，它有成本相對低廉，易于實現，對溫度、振動等環境因素不敏感，高動態范圍等優點。在PMD檢測中，正弦條紋由一個LCD顯示器投影，經過被測光學表面反射后由一個針孔相機采集。用相移算法來解算被采集的條紋圖的相位信息，從而可以計算表面斜率及重建面形。但是對于有后表面反射的光學元件，條紋分別經前后表面反射后會混疊，相移算法不能準確地解算出相位分布。D.Sprenger提出了一種紫外偏折術來消除后表面反射，該方法對光源及相機都有特殊要求，導致成本高昂。Miyazaki D等基于反射光的部分偏振特性，利用一個偏振濾光鏡完成透明元件表面的檢測，但這個技術相當復雜，實際應用相當困難。Tianquan Su的掃描線移偏折術可以直觀地分離前后表面的反射光，但往往相當耗時，且存在無法檢測的區域。

針對這個問題，本發明提出了一種變頻相移最小二乘迭代疊加面形分離的方法。通過改變條紋頻率來實現相移，利用最小二乘迭代算法來解算相位分布，最后計算表面斜率和重建面形。

發明內容

本發明為了克服背景技術中的不足之處，針對后表面反射影響PMD檢測精度的問題，提供了一種變頻相移最小二乘迭代疊加面形分離方法。該方法有不改變傳統PMD裝置，易于實現成本低廉，快速測量等優點。

本發明提供一種基于頻率變化正弦條紋投影檢測反射元件面形的方法，其基本器件包括針孔相機、被測元件和LCD顯示器。LCD顯示器依次投影頻率變化的正弦條紋圖，分別經過被測元件的前后表面反射后疊加，由針孔相機采集，通過最小二乘迭代算法可以分別解算出前后表面對應的相位分布。根據前表面對應的相位分布可以得到CCD采集的圖像上每個像素點對應的顯示器點的坐標，包括以下步驟：

步驟1：LCD顯示器在水平(x)和垂直(y)方向上分別投影N幀頻率依次等間隔變化的正弦條紋圖，由于兩個方向上的處理方式完全相同，以x方向為例，針孔相機CCD采集到的光強信號可以表示為：

I_ij＝A+B₁cos(2π(f+iΔf)x_1j)+B₂cos(2π(f+iΔf)x_2j) (1)

其中Δf是每一幀間頻率改變的步長；f是第一幀的頻率；A是直流分量；B₁、B₂分別是前后表面的對比度；x_1j、x_2j是前后表面對應的顯示器坐標。下標1表示前表面，下表2表示后表面；j表示第j個像素；i表示第i幀條紋圖(i＝1,2,…，N，N表示總幀數，N≥5)。經過近似處理，可以將公式(1)表達為：

其中，是第一幀前表面第j個像素的相位值；是第一幀后表面第j個像素的相位值；δ_1i是第i幀前表面因頻率變化引起的相移量；δ_2i是第i幀后表面因頻率變化引起的相移量。

步驟2：利用最小二乘算法將N幀條紋圖的相移量δ_1i、δ_2i作為已知量，逐個像素地迭代，得到第一幀前后表面的相位分布