一种基于误差互补修正的移相干涉测量位相提取方法技术

一种基于误差互补修正的移相干涉测量位相提取方法，本发明专利技术涉及基于误差互补修正的移相干涉测量位相提取方法。本发明专利技术的目的是为了解决(1)现有线性移相误差普遍存在于各类干涉系统中，影响位相信息提取精度；(2)现有线性误差超过5％时，位相提取误差急剧增大；(3)以及现有公式繁琐，运算量大，包含乘方开方运算，易出现虚数位相解和超大误差点的奇异位相解情况的问题。具体是按照以下步骤进行的：步骤一、传统五帧算法表达形式；步骤二、采用与传统五帧算法相同帧序的光强，代入构造的新五帧算法，得到新五帧算法的位相信息，构造的五帧算法形式；步骤三、构造了误差互补五帧算法。本发明专利技术应用于光学检测空间物体三维形貌的技术领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于误差互补修正的移相干涉测量位相提取方法
本专利技术涉及移相干涉测量中的位相信息提取方法。
技术介绍
随着微纳米加工技术的不断发展，元器件表面形貌精度要求越来越高，对相应的检测手段也提出了更高的要求。移相干涉测量法以其高精度、高效率、非接触等优点，成为形貌检测领域较为理想的测量方法。(1)在移相干涉测量中，位相信息通过移相算法处理各帧干涉图获得，而线性移相误差普遍存在于各类干涉系统中，影响位相信息提取的精度。(2)在移相干涉测量中，传统的定步长移相算法虽然运算简单，但除五帧算法外均对线性移相误差较为敏感，而五帧算法仅对5％以内的线性误差具有良好的抑制能力，当线性误差超过5％时，位相提取误差急剧增大。(3)在移相干涉测量中，任意定步长移相算法虽然可以实现线性误差免疫，但公式繁琐，运算量大，包含乘方开方运算，易出现虚数位相解和超大误差点的奇异位相解情况。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决(1)现有线性移相误差普遍存在于各类干涉系统中，影响位相信息提取精度；(2)现有线性误差超过5％时，位相提取误差急剧增大；(3)以及现有公式繁琐，运算量大，包含乘方开方运算，易出现虚数位相解和超大误差点的奇异位相解情况的问题。而提出了一种基于误差互补修正的移相干涉测量位相提取方法。上述的专利技术目的是通过以下技术方案实现的：一种基于误差互补修正的移相干涉测量位相提取方法，其特征在于：通过传统五帧算法与构造的五帧算法之间的误差互补，大幅降低线性移相误差对位相信息提取的影响，具体是按照以下步骤进行的：步骤一、传统五帧算法表达形式为：其中，为待解的位相，I1、I2、I3、I4、I5分别对应移相量取-π、-π/2、0、π/2、π时每一帧序的光强，得到传统五帧算提取到的位相信息；步骤二、采用与传统五帧算法相同帧序的光强，代入构造的新五帧算法，得到新五帧算法提取到的位相信息，构造的五帧算法形式为：步骤三、将传统的五帧算法和新的五帧算法两种算法解出的位相直接做均值运算，进行误差互补，得到误差修正后的位相。专利技术效果采用本专利技术的一种基于误差互补修正的移相干涉测量位相提取方法，(1)本专利技术使用的误差互补修正算法降低线性移相误差对位相信息提取精度的影响，提取精度提高了二个数量级；(2)本专利技术使用的误差互补修正算法，将传统的五帧算法和新的五帧算法两种算法解出的位相直接做均值运算，误差便可互补修正，可避免线性误差超过5％时，位相提取误差急剧增大的问题，使位相提取误差降低15％；(3)本专利技术使用的误差互补修正算法基于误差互补修正原理，利用定步长移相算法对线性移相误差的响应特点，通过构造的新的五帧算法与传统五帧算法进行误差互补，运算简单快捷，无乘方开方运算，避免出现虚数位相解和超大误差点的奇异位相解情况的问题。如表1所示，可以看出提出的误差互补五帧算法与Stoilov算法两者的测量结果PV值和RMS值都较为接近，而另外两种算法却相对较大。但采用Stoilov算法提取相位时，在全干涉场342065个数据点中出现了6437个虚数相位解，造成数据缺失，约占总数的1.9％。而提出的误差互补修正算法却不存在这一问题，且不包含开方运算，更为简洁快速，在位相信息提取方面具有自己独特的优势。附图说明图1为传统五帧算法的线性误差响应分布情况；图2为构造的新的五帧算法的线性误差响应分布情况；图3为提出的误差互补修正算法的线性误差响应分布情况；图4(a)为实施例一传统五帧算法计算所得位相误差；图4(b)为实施例一误差互补修正算法计算所得位相误差；图4(c)为实施例一stoilov五帧算法计算所得位相误差；图5为实施例二微球表面形貌移相衍射干涉测量图；图6(a)为实施例二采集到的五帧干涉图中移相步长取-π时的干涉图；图6(b)为实施例二采集到的五帧干涉图中移相步长取-π/2时的干涉图；图6(c)为实施例二采集到的五帧干涉图中移相步长取0时的干涉图；图6(d)为实施例二采集到的五帧干涉图中移相步长取π/2时的干涉图；图6(e)为实施例二采集到的五帧干涉图中移相步长取π时的干涉图；图7(a)为实施例二中传统三帧算法解相结果图，rad为弧度单位，pixel为像素单位；图7(b)为实施例二中传统五帧算法解相结果图；图7(c)为实施例二中Stoilov算法解相结果图；图7(d)为实施例二中误差互补修正算法解相结果图；图8(a)为实施例二采用误差互补修正算法提取并解包后的全干涉场相位数据；图8(b)为实施例二采用误差互补修正算法提取以及波面拟合后的形貌数据。具体实施方式具体实施方式一：一种基于误差互补修正的移相干涉测量位相提取方法，其特征在于：一种基于误差互补修正的移相干涉测量位相提取方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、传统五帧算法表达形式为：其中，为待解的位相，I1、I2、I3、I4、I5分别对应移相量取-π、-π/2、0、π/2、π时每一帧序的光强，得到传统五帧算提取到的位相信息；步骤二、采用与传统五帧算法相同帧序的光强，代入构造的新五帧算法，得到新五帧算法提取到的位相信息，构造的五帧算法形式为；步骤三、将传统的五帧算法和新的五帧算法两种算法解出的位相直接做均值运算，进行误差互补，得到误差修正后的位相。公式(1)(2)的线性误差响应分布情况分别如图1、2所示。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤二中采用与传统五帧算法相同帧序的光强，即移相量取-π、-π/2、0、π/2、π(移相步长取π/2)时，任意步长下构造的五帧算法形式变为公式(2)所述形式，任意步长下构造的五帧算法形式为：式中：为待解的位相，I1、I2、I3、I4、I5分别对应移相步长取β时的每一帧序的光强。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：公式(3)中所述待解位相的具体计算过程为：干涉场中任意等步长下的五帧光强方程组如公式(4)所示：式中：为待解的位相，I为干涉场里每一帧序的光强，I1、I2、I3、I4、I5分别对应移相步量取-2β、-β、0、β、2β时每一帧序的光强；A为光强直流分量，B为光强交流分量，β为移相步长；将I2与I4、I1与I5做差，经三角函数和差化积运算，整理后分别得到公式(5)、(6)：I2-I4＝2B·sin(φ)·sin(β)(5)I1-I5＝2B·sin(φ)·sin(2β)(6)将公式(6)按二倍角公式展开，得到公式(7)：I1-I5＝4B·sin(φ)·sin(β)·cos(β)(7)将公式(5)乘以二倍，与公式(7)做差，并整理得到公式(6)：2·(I2-I4)-(I1-I5)＝4B·sin(φ)·sin(β)·［1-cos(β)］(8)将I2与I4做和，并进行三角函数和差化积得到公式(9)：I2+I4＝2A+2B·cos(φ)·cos(β)(9)将I3乘以4倍，与二倍的公式(9)做差，直流分量A被消去，化简整理得到公式(10)：4I3-2·(I2+I4)＝4B·cos(φ)·［1-cos(β)］(10)将公式(8)与公式(10)相除，1-cos(β)项及4B被约去，并将sin(β)移至等号左侧得到公式(11)：将公式(11)的等号两侧取反正切运算，得到任意等步长下构造的五帧算法，如公式(3)所述的形式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于误差互补修正的移相干涉测量位相提取方法，其特征在于：一种基于误差互补修正的移相干涉测量位相提取方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、传统五帧算法表达形式为：其中，为待解的位相，I1、I2、I3、I4、I5分别对应移相量取‑π、‑π/2、0、π/2、π时每一帧序的光强，得到传统五帧算提取到的位相信息；步骤二、采用与传统五帧算法相同帧序的光强，代入构造的新五帧算法，得到新五帧算法提取到的位相信息，构造的五帧算法形式为；步骤三、将传统的五帧算法和新的五帧算法两种算法解出的位相直接做均值运算，进行误差互补，得到误差修正后的位相。

【技术特征摘要】
1.一种基于误差互补修正的移相干涉测量位相提取方法，其特征在于：一种基于误差互补修正的移相干涉测量位相提取方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、传统五帧算法表达形式为：其中，φ为待解的位相，I1、I2、I3、I4、I5分别对应移相量取-π、-π/2、0、π/2、π时每一帧序的光强，得到传统五帧算法提取到的位相信息；步骤二、采用与传统五帧算法相同帧序的光强，代入构造的新五帧算法，得到新五帧算法提取到的位相信息，构造的新五帧算法形式为；步骤三、将传统的五帧算法和新的五帧算法两种算法解出的位相直接做均值运算，进行误差互补，得到误差修正后的位相。2.根据权利要求1所述一种基于误差互补修正的移相干涉测量位相提取方法，其特征在于：所述步骤二中采用与传统五帧算法相同帧序的光强，即移相量取-π、-π/2、0、π/2、π时，任意步长下构造的新五帧算法形式变为公式(2)所述形式，任意等步长下构造的五帧算法形式为：式中：φ为待解的位相，I1、I2、I3、I4、I5分别对应移相步长取β时的每一帧序的光强，β为移相步长。3.根据权利要求2所述一种基于误差互补修正的移相干涉测量位相提取方法，其特征在于：公式(3)中所述待解位相的具体计算过程为：干涉场中任意等步长下的五帧光强方程组如公式(4)所示：

【专利技术属性】
技术研发人员：卢丙辉，甘雨，刘炳国，刘国栋，陈凤东，庄志涛，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23