一种基于横向剪切干涉的玻璃板厚度分布测量方法及系统技术方案

一种基于横向剪切干涉的玻璃板厚度分布测量方法及系统，所用元件包括：可见光激光器、衰减片、偏振片、扩束镜、光阑1、空间光调制器、光阑2、凸透镜1、凸透镜2、平行玻璃平板、待测玻璃板、凸透镜3、面阵CCD相机、PC机。通过以下步骤实现对玻璃平板厚度分布的测量：在横向大剪切干涉装置中引入空间光调制器，对出射光施加相移变化量，用实时解算递归最小二乘法得到干涉光强与相移的拟合曲线，计算放置待测玻璃板前后参数变化，求出待测玻璃板在0～2π间的相位分布；采用不同波长下的干涉图像求解同余方程组以确定光程差所引起的相位变化，获得准确的相位分布，从而得到玻璃板厚度分布。该发明专利技术测量和解算同步，速度快、精度高，应用前景广阔。

【技术实现步骤摘要】
一种基于横向剪切干涉的玻璃板厚度分布测量方法及系统(一)
本专利技术属于光学测量领域，通过将空间光调制技术引入横向剪切干涉中，采用实时解算递归最小二乘的方法进行相移与干涉光强的曲线拟合，利用不同波长下的干涉图像求解同余方程组以确定光程差所引起的相位变化，获得玻璃板准确的相位分布，从而实现玻璃板厚度分布的高精度非接触测量。(二)
技术介绍
在现代科技中玻璃板得到了广泛的应用，例如作为微芯片基底、遥感相机滤波片、电子产品触摸屏等。厚度分布和三维轮廓是玻璃板的重要性能参数，通常在几微米到几毫米的范围内。为了保证玻璃板的性能，精确的厚度分布测量手段至关重要。例如，在生产液晶显示器的过程中，波纹度必须精确的控制在1微米之内，否则会由于压力分布不均匀导致出现彩色条纹。科研人员为了测量波纹度提出了许多厚度测量方法，这些方法可以分为接触式测量法与非接触式测量法两大类。接触式测量法是一种直接测量方法，包括游标卡尺、千分尺、坐标测量仪等，这些方法的测量精度较低。非接触式测量法，尤其是包含激光三角测量及干涉测量在内的光学测量法，因其测量速度快、精度高、对被测物干扰小等优点，得到了广泛的研究及应用。近年来，干涉测量法因为其对厚度变化敏感、能够实现全场测量而受到广泛关注。干涉测量法主要包括四种，即全息干涉法、马赫曾德干涉法、迈克尔逊干涉法和剪切干涉法。其中，全息干涉法光学结构复杂、需要暗室环境；马赫曾德干涉法、迈克尔逊干涉法对光学元件的位置精度要求高，限制了其在机械振动较强的环境下的应用；而剪切干涉结构简单、具有光学自参考特性，同时具有精度高、抗震能力强等优点，被广泛应用于厚度测量。如Kumar和Chatterjee在2010年于《应用光学》(AppliedOptics)第49卷第33期6552-6557页发表的题为《使用横向剪切循环路径光学配置和偏振相移干涉测量法测量透明玻璃板厚度》(Thicknessmeasurementoftransparentglassplatesusingalateralshearingcyclicpathopticalconfigurationsetupandpolarizationphaseshiftinginterferometry)一文中，采用一套横向剪切循环路径光学系统实现了对透明玻璃板厚度的测量。在剪切干涉中，干涉条纹上每个点的相移与厚度呈线性关系，因此为了实现厚度测量，需要精准的获取相移。离散分区波面重建算法可以用来从剪切相位图中恢复相移，然而这类方法通常通过快速傅立叶变换实现，计算量大、受制于剪切区域的几何形状。在干涉强度分布图中，不同波长的入射光产生的波面相移符合余弦函数，因此相移法也可以用于提取相移分布。最小二乘法作为相移法的一种，具有高重复性和高精度的优势。然而，大型矩阵耗时较长；此外，相移解算不能与数据采集并行，因为只有当全部数据获得后解算才能开始。这些缺点限制了最小二乘法在实时数据处理中的应用。相移法被广泛应用于相移干涉技术中以实现相位轮廓的准确提取，但是存在由2π周期性引起的相位多值问题，为了解决这一问题研究人员提出了许多基于单幅相位图的算法以确定光程差所引起的相位变化，例如分支切割算法、区域生长算法、质量导向算法等等。这些算法依赖于周围的像素点解决不连续点上的相位多值问题，一旦某区域求解失效，就会给周围区域的计算带来误差。除此之外，不同波长下的干涉图像也被用于解决由2π周期性引起的相位多值问题。Warnasooriya和Kim在2007年于《光学快报》(OpticsExpress)第15卷第15期9239–9247页发表的题为《基于LED的多波长相位成像干涉显微镜》(LED-basedmulti-wavelengthphaseimaginginterferencemicroscopy)的文章中，基于三个不同波长的LED产生的合成波长以确定光程差所引起的相位变化，但是多波长的波长间隔应当仔细选择，否则会影响相位重建效果。李艳、肖文和潘峰在2014年于《应用光学》(AppliedOptics)第53卷第5期979–987页发表的题为《基于多波长扫描的数字全息显微镜相位解包裹方法》(Multiple-wavelength-scanning-basedphaseunwrappingmethodfordigitalholographicmicroscopy)从一系列不同波长的相位图中提取连续分量来合成，求解出光程差所引起的相位变化，但是该方法需要一个远离不连续点的区域作为迭代的起始区域，否则该方法会失效。本专利技术提出一种基于横向剪切干涉的玻璃板厚度分布测量方法及系统。该专利技术利用空间光调制器对出射光施加相移变化量，采用实时解算递归最小二乘法获得放置待测玻璃板前后干涉光强与相移的拟合曲线，计算出待测玻璃板在0～2π之间的相位分布；采用不同波长下的干涉图像，求解同余方程组消除由2π周期性引起的相位多值问题，获得玻璃板准确的相位分布，从而获得玻璃板厚度分布。(三)
技术实现思路
本专利技术提出一种基于横向剪切干涉的玻璃板厚度分布测量方法及系统。该专利技术在横向剪切干涉装置中引入空间光调制器施加相移，采用实时解算递归最小二乘的方法得到干涉光强与相移的拟合曲线，得到待测玻璃板在0～2π之间的相位分布；利用不同波长下的干涉图像求解同余方程组消除由2π周期性引起的相位多值问题，获得玻璃板准确的相位分布，从而求得玻璃板厚度分布。所用元件包括：可见光激光器、衰减片、偏振片、扩束镜、光阑1、空间光调制器、光阑2、凸透镜1、凸透镜2、平行玻璃平板、待测玻璃板、凸透镜3、面阵CCD相机。本专利技术采用的技术方案是：可见光激光器发出的激光经过衰减片、偏振片、扩束镜的作用后照射在空间光调制器上，其反射的光波经过扩束系统后在平行玻璃平板的前后两个表面均发生反射，两束反射光波的相干性导致交叠区域发生干涉，凸透镜缩小光束至面阵CCD相机接收干涉光强。不放待测玻璃板时，PC机控制空间光调制器对出射光以0.1π的间隔从0到0.9π施加相移变化量，此时由于干涉光波的相位差发生变化，干涉条纹图样随之改变，利用实时解算递归最小二乘的方法对光强数据和空间光调制器施加的相移变化量进行拟合，得到空场情况下干涉光强与相移的拟合曲线；放置待测玻璃板，采用同样的方法控制空间光调制器，得到待测场情况下干涉光强与相移的拟合曲线。由于待测板的存在，使得两次的初始相位差不同，导致两次拟合曲线的参数不同，计算两次拟合曲线中参数的变化，获得待测玻璃板在0～2π之间的相位分布。采用不同波长下干涉图像得到一系列同余方程，求解同余方程组消除由2π周期性引起的相位多值问题，获得待测玻璃板所引起的准确的相位分布，进而得到玻璃板厚度分布。本专利技术的优点在于：利用空间光调制器对横向剪切干涉中的入射波面施加相移变化量，采用实时解算递归最小二乘的方法进行曲线拟合，得到0～2π之间的待测玻璃板相位分布，实现了测量和解算的同步进行；采用不同波长下的干涉图像求解同余方程组以确定光程差所引起的相位变化，获得准确的相位分布，从而得到玻璃板厚度分布。(四)附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步说明。图1是横向剪切干涉系统的整体结构图，图中可见光激光器(1)，衰减片(2)、偏振本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于横向剪切干涉的玻璃板厚度分布测量方法及系统，包括可见光激光器、衰减片、偏振片、扩束镜、光阑1、空间光调制器、光阑2、凸透镜1、凸透镜2、平行玻璃平板、待测玻璃板、凸透镜3、面阵CCD相机、PC机，其特征在于：激光器发出的激光通过衰减、偏振、空间光调制器反射以及扩束后，在平行玻璃平板前后两个表面反射，两束反射光在交叠的区域发生干涉，通过凸透镜缩小光束至面阵CCD相机实现干涉光强的探测；控制空间光调制器对出射光施加相移变化量，采用实时解算递归最小二乘的方法得到干涉光强与相移的拟合曲线，通过计算放置待测玻璃板前后拟合曲线的参数变化，求解出待测玻璃板在0～2π之间的相位分布；利用不同波长下的干涉图像，求解同余方程组以确定光程差所引起的相位变化，消除由2π周期性引起的相位多值问题，获得待测玻璃板准确的相位分布，从而得到玻璃板厚度分布。

【技术特征摘要】
1.一种基于横向剪切干涉的玻璃板厚度分布测量方法及系统，包括可见光激光器、衰减片、偏振片、扩束镜、光阑1、空间光调制器、光阑2、凸透镜1、凸透镜2、平行玻璃平板、待测玻璃板、凸透镜3、面阵CCD相机、PC机，其特征在于：激光器发出的激光通过衰减、偏振、空间光调制器反射以及扩束后，在平行玻璃平板前后两个表面反射，两束反射光在交叠的区域发生干涉，通过凸透镜缩小光束至面阵CCD相机实现干涉光强的探测；控制空间光调制器对出射光施加相移变化量，采用实时解算递归最小二乘的方法得到干涉光强与相移的拟合曲线，通过计算放置待测玻璃板前后拟合曲线的参数变化，求解出待测玻璃板在0～2π之间的相位分布；利用不同波长下的干涉图像，求解同余方程组以确定光程差所引起的相位变化，消除由2π周期性引起的相位多值问题，获得待测玻璃板准确的相位分布，从而得到玻璃板厚度分布。2.根据权利要求1所述的一种基于横向剪切干涉的玻璃板厚度分布测量方法及系统，其特征在于：激光器发出的激光经衰减片、偏振片、扩束镜和光阑1后在空间光调制器表面发生反射，经过光阑2和凸透镜1、凸透镜2组成的扩束系统后，宽光束在平行玻璃平板前后两个表面反射，两束反射光在空间中交叠的区域发生干涉，凸透镜3将干涉条纹缩小至面阵CCD相机实现干涉光强的探测。3.根据权利要求1所述的一种基于横向剪切干涉的玻璃板厚度分布测量方法及系统，其特征在于：不放待测玻璃板，PC机控制空间光调制器对出射光施加相移变化量，面阵CCD相机采集的干涉光强值随之发生变化，采用实时解算递归最小二乘的方法，得到空场情况下干涉光强与相移的拟合曲线，αi(i＝1,2,...,n)表示空间光调制器在第i步施加的相移变化量，Ii(i＝1,2,...,n)表示αi对应的某一像素点的干涉光强，针对干涉光强分布图像中的某...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹章，徐立军，任宇罡，汤晓阳，解恒，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11