基于两步载波拼接法的数字莫尔移相干涉测量方法技术

本发明专利技术公开的基于两步载波拼接法的数字莫尔移相干涉测量方法，属于光电检测领域。本发明专利技术实现方法如下：建立虚拟干涉仪，在虚拟干涉仪的像面上得到理想系统剩余波前；获取被测面形在不同空间载波下的两幅实际干涉图；采用数字莫尔移相干涉方法分别对两幅干涉图进行求解，求解得两个带有错误区域且错误区域位置不同的面形误差；提取两个面形误差的正确区域进行拼接；最终得到不含错误区域的面形误差，解决采用数字莫尔移相干涉方法在大剩余波前时求解错误的问题，进而扩展传统的数字莫尔移相方法的测量范围，消除传统的数字莫尔移相方法的剩余波前带宽限制，实现对大剩余波前的被测面形的测量。本发明专利技术能够保持原有数字莫尔移相干涉方法优点。

Digital moire phase-shifting interferometry based on two step carrier splicing method

The invention discloses a digital Moire phase-shifting interferometric measurement method based on two-step carrier mosaic method, which belongs to the field of photoelectric detection. The method of realizing the invention is as follows: establishing a virtual interferometer to obtain the ideal residual wavefront of the system on the image plane of the virtual interferometer; obtaining two actual interferograms of the measured surface under different spatial carriers; solving two interferograms respectively by using the digital Moire phase-shifting interferometry method, and solving two interferograms with error regions. The surface errors of different locations of the error regions are extracted and spliced; the surface errors without the error regions are finally obtained, which solves the problem of solving errors in large residual wavefront by digital Moire phase-shifting interferometry, and then expands the measurement range of traditional digital Moire phase-shifting method and eliminates the errors. In addition to the bandwidth limitation of the residual wavefront of the traditional digital Moire phase shifting method, the measurement of the measured surface shape of the large residual wavefront is realized. The invention can maintain the advantages of the original digital moire phase-shifting interferometry.

【技术实现步骤摘要】
基于两步载波拼接法的数字莫尔移相干涉测量方法
本专利技术涉及一种用于激光干涉法测量光学元件面形的基于两步载波拼接法的数字莫尔移相干涉测量方法，属于光电检测领域。
技术介绍
与球面相比，非球面因为具有更多的面型自由度，一片非球面镜便可达到多片球面镜组成的透镜组的效果，可以极大地减小光学系统的尺寸和质量，提高系统的成像质量，甚至可以达到衍射极限，在现代光学系统中应用的越来越广泛。但是因为其高自由度的面型，高精度的非球面面形检测一直是光学检测领域的一大难题。目前常用的非球面面形检测方法主要分为两种：接触式和非接触式测量方法。接触式方法使用专用探头对非球面进行接触式点对点的测量，测量精度高，但不可避免会对表面造成划伤，而且测量速度慢。光学测量方法是非接触式测量的主要方法，主要优点是瞬时、非接触。目前最常用的是补偿法测量，即设计补偿器补偿非球面产生的像差，将非球面的检测转化为平面或者球面面形的检测。补偿法可以分为非零补偿和零补偿方法。零补偿法测量精度高，但需要针对被测面设计专门的补偿器，补偿器结构复杂，设计与加工难度大、成本高，且通用性差。非零补偿法使用的补偿器部分补偿非球面的像差，补偿器结构比较简单，但由于剩余像差的存在，检测精度远低于零补偿法，目前只限于检测低精度、低非球面度的非球面。数字莫尔移相干涉测量方法(《一种用部分补偿透镜实现非球面面形的干涉测量方法》)属于部分补偿法，是一种瞬时抗振的干涉测量方法，无需移相机构便可实现高精度的测量。采用数字莫尔移相干涉测量方法得到的虚拟干涉图IM(x,y)的直流项若通过希尔伯特变换(如文献《基于希尔伯特变换的干涉条纹相位解调新算法》，P1-2，1.1节)或者其他方法去除，则莫尔干涉图可以用过欧拉展开：IM(x,y)＝c·exp[2πj(fR+fV)x]+c*·exp[-2πj(fR+fV)x]+d·exp[2πj(fR-fV)x]+d*·exp[-2πj(fR-fV)x],(1)式中*表示复共轭，2b表示干涉图的调制度，f表示加入平面载波的空间频率，表示参考波前和实际波前的相位差。式中下标R表示实际干涉图，下标V表示虚拟干涉图。公式(1)前两项表示和频项及其复共轭1，后两项表示差频项及其复共轭2。采用数字莫尔移相干涉测量方法对莫尔干涉图进行低通滤波，如果频域中的低通滤波器截止频率为f0，则和频项混入低通滤波器的频谱为：式中为和频项的频移(如图1所示)，其中fx和fy分别为x和y方向的空间载波，为部分补偿法中的剩余波前。由公式(2)可知，空域求解时，产生的错误区域3为ω，式中为差分算子。因此产生的错误区域3的位置与剩余波前以及加载的空间载波的大小有关。因此剩余波前较大，或载波较大时数字莫尔移相干涉测量方法会出现求解错误区域的现象，且求解错误区域的位置与加载的空间载波大小有关。导致使用数字莫尔移相干涉测量方法时，剩余波前带宽受限。造成使用数字莫尔移相干涉测量方法的剩余波前带宽只有传统移相干涉方法的剩余波前带宽的0.707。
技术实现思路
针对数字莫尔移相干涉测量方法剩余波前带宽受限的问题。本专利技术公开的基于两步载波拼接法的数字莫尔移相干涉测量方法要解决的技术问题是：扩展传统的数字莫尔移相方法的测量范围，消除传统的数字莫尔移相方法的剩余波前带宽限制，使得数字莫尔移相干涉测量方法的剩余波前带宽与传统的移相干涉方法相当。本专利技术公开的一种基于两步载波拼接法的数字莫尔移相干涉测量方法，建立虚拟干涉仪，在虚拟干涉仪的像面上得到理想系统剩余波前保持被测面形静止，通过调整参考镜倾斜量，获取被测面形在不同空间载波fR1、fR2下的两幅实际干涉图，分别定义为干涉图I、干涉图II。采用数字莫尔移相干涉方法分别对干涉图I、干涉图II进行求解，求解得到两个带有错误区域且错误区域位置不同的面形误差。再提取两个面形误差的正确区域进行拼接，得到最终完整的无错误的被测面形，解决采用数字莫尔移相干涉方法在大剩余波前时求解错误的问题，进而扩展传统的数字莫尔移相方法的测量范围，消除传统的数字莫尔移相方法的剩余波前带宽限制，使得数字莫尔移相干涉测量方法的剩余波前带宽与传统的移相干涉方法相当；即实现对大剩余波前的被测面形的测量。本专利技术公开的基于两步载波拼接法的数字莫尔移相干涉测量方法，包括如下步骤：步骤一：建立虚拟干涉仪，在虚拟干涉仪的像面上得到理想系统剩余波前步骤一中建立虚拟干涉仪优选使用光学仿真软件建立虚拟干涉仪。步骤二：保持被测面形静止，通过调整参考镜倾斜量，获取被测形面在不同载波fR1、fR2下的两幅实际干涉图。步骤2.1：根据虚拟干涉仪建立实际干涉仪。步骤2.2：保持被测面形静止，通过调整参考镜倾斜量，加入频率分别为fR1、fR2的不同空间载波，采集获得两幅干涉图，加载空间载波fR1获得的干涉图定义为干涉图I，加载空间载波fR2获得的干涉图定义为干涉图II。步骤三：采用数字莫尔移相干涉方法分别对干涉图I、干涉图II进行求解：采用数字莫尔移相干涉方法求解加载载波fR1时的被测面形SFE1；采用数字莫尔移相干涉方法求解加载载波fR2时的被测面形SFE2。步骤四：预标记错误区域，并比较错误区域是否重叠。步骤4.1：以步骤三中求解出的被测面形SFE1为基底，利用空间载波fR1预标记求解出的被测面形SFE1的求解错误区域ω1，ω1∈SFE1。步骤4.2：以步骤三中求解出的被测面形SFE2为基底利用空间载波fR2预标记求解出的被测面形SFE2的求解错误区域ω2，ω2∈SFE2。步骤4.1和步骤4.2中求解错误区域时按照如下公式：中为差分算子，为fV虚拟干涉仪中加载的载波。步骤4.3：检查错误区域ω1和错误区域ω2是否完全分开没有重叠，如果有重叠区域则需要更改步骤二中加载的载波。步骤五：根据步骤4.1中求解出的被测面形SFE1的求解错误区域ω1，提取求解出的被测面形SFE2在ω1处无错误的区域SFE2'。步骤六：根据步骤三中求解出的被测面形SFE1、求解出的被测面形SFE2计算求解拼接向量τ＝[Δa,Δb,Δc]T。式中为求解出的被测面形SFE1的相位，为求解出的被测面形SFE2的相位。步骤七：利用拼接向量τ调整步骤五中求解出的无错误的面形SFE2'的相对位置和倾斜量。并用求解出的无错误的区域SFE2'替换求解出的被测面形SFE1中的求解错误区域ω1，得到最终完整的无错误的被测面形SFE，定义求解出的无错误的被测面形SFE的相位为则有得到最终完整的无错误的被测面形SFE即解决采用数字莫尔移相干涉方法在大剩余波前时求解错误的问题，进而扩展传统的数字莫尔移相方法的测量范围，消除传统的数字莫尔移相方法的剩余波前带宽限制，使得数字莫尔移相干涉测量方法的剩余波前带宽与传统的移相干涉方法相当；即实现对被测面形的测量。有益效果：1、本专利技术公开的一种基于两步载波拼接法的数字莫尔移相干涉测量方法，在保持原有数字莫尔移相干涉测量方法的抗振性、结构简单的同时，两步载波拼接法通过采集两幅含有不同载波频率的实际干涉图，分别求解面形误差后利用拼接方法获得完整无求解误差的面形误差，解决采用数字莫尔移相干涉方法在大剩余波前时求解错误的问题，进而实现如下优点：(1)扩展传统的数字莫尔移相方法的测量范围，消除传统的数字莫尔移相方法的剩余波前带宽限制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于两步载波拼接法的数字莫尔移相干涉测量方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：建立虚拟干涉仪，在虚拟干涉仪的像面上得到理想系统剩余波前

【技术特征摘要】
1.基于两步载波拼接法的数字莫尔移相干涉测量方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：建立虚拟干涉仪，在虚拟干涉仪的像面上得到理想系统剩余波前步骤二：保持被测面形静止，通过调整参考镜倾斜量，获取被测形面在不同载波fR1、fR2下的两幅实际干涉图；步骤2.1：根据虚拟干涉仪建立实际干涉仪；步骤2.2：保持被测面形静止，通过调整参考镜倾斜量，加入频率分别为fR1、fR2的不同空间载波，采集获得两幅干涉图，加载空间载波fR1获得的干涉图定义为干涉图I，加载空间载波fR2获得的干涉图定义为干涉图II；步骤三：采用数字莫尔移相干涉方法分别对干涉图I、干涉图II进行求解：采用数字莫尔移相干涉方法求解加载载波fR1时的被测面形SFE1；采用数字莫尔移相干涉方法求解加载载波fR2时的被测面形SFE2；步骤四：预标记错误区域，并比较错误区域是否重叠；步骤4.1：以步骤三中求解出的被测面形SFE1为基底，利用空间载波fR1预标记求解出的被测面形SFE1的求解错误区域ω1，ω1∈SFE1；步骤4.2：以步骤三中求解出的被测面形SFE2为基底利用空间载波fR2预标记求解出的被测面形SFE2的求解错误区域ω2，ω2∈SFE2；步骤4.3：检查错误区域ω1和错误区域ω2是否完全分开没有重叠，如果有重叠区域则需要更改步骤二中加载的载波；步骤五：根据步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡摇，陶鑫，郝群，王劭溥，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11