一种基于腔长校正的多表面测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于腔长校正的多表面测量方法，能够实现腔长值的预先校正和被测件表面的精确测量，主要操作步骤包括腔长预先校正过程和测量过程；依次为：将被测件放置在预估位置A；采集预估干涉图；多点平均进行FFT计算；反算腔长值，并且进行腔长位置的校正；导轨及夹具校正；将被测件通过导轨放置在测量位置B；采集测量所需干涉图；算法处理及输出各表面的初始相位；消倾斜和解包裹；各个表面的面形计算。在所述的导轨及夹具校正和测量时，需要使用导轨和夹具系统，该系统主要部分包括：一个夹具主体、一个旋钮单元、三个按压头单元、一个导轨单元。本发明专利技术方法对被测件的腔长位置进行准确测量，从而使用移相算法达到精确的测量的目标。

【技术实现步骤摘要】
一种基于腔长校正的多表面测量方法
本专利技术涉及一种基于腔长校正的多表面测量方法，尤其是预先腔长校正，对被测件的腔长位置进行准确测量从而使用移相算法达到精确的测量的方法，有利于在测量时指导算法的使用和测量方案的制定，应用于高精度多表面的光学测量领域。
技术介绍
具有较高的表面质量的透明平行平板在光学系统中具有重要的作用。不同于传统的平板玻璃，高精度光学平行平板的表面分布多在波长级，也就是表面的最大变化在几百纳米左右。因此该种平板的精确测量对于综合评估和衡量其表面质量是具有重要意义的。该种平板测量的难点在于：因为平板是透明的，因此直接地采集干涉图所得到的信号是各个表面干涉信号的混叠条纹图，即参考镜与前表面、参考镜与后表面和前后表面之间的自干涉信号都会贡献各自的干涉条纹到总的干涉图中，因此直接对混叠的干涉图进行相位的解调制是十分困难的。传统的表面测量方法多是采取硬件干涉仪对被测件进行多次测量，在非被测面上涂抹消光材料，然后对另一表面进行测量；而后对涂抹材料的表面进行清洗，旋转表面后再次测量该表面。这种测量方案的缺陷十分明显：(1)在消光材料的涂抹和清洗过程中，容易对被测件的表面造成损伤，并且会增加测量的难度和成本；(2)在涂抹完消光材料以后对被测件进行表面旋转时，旋转前后的被测件位置无法达到完全一致，因此会纳入测量误差；(3)即使不对表面进行消光材料的涂抹，使用硬件移相干涉仪对平板进行测量时，因为所采取的移相方式是PZT移相去改变微观腔长值，各个信号的移相频率(即干涉频率)是相同的，因此所采集得到的干涉图的各表面信息无法全部进行求解；(4)无法实现对被测件厚度的测量；(5)在干涉腔长值的测量中，因为被测件和干涉仪中的参考镜都被夹具夹持，因此无法直接地对其距离进行测量，因此干涉腔长的测量也是不准确的。并且传统方法无法达到对被测件的各个表面进行同时测量的目的。随着波长调谐技术的出现，基于波长调谐相移干涉技术的测量方式得到了较快发展。其特点在于：通过波长调谐控制器的设置实现激光器波长的改变，与此同时进行干涉图的采集。采用此种移相方式得到的干涉图，以不同帧数(即帧数本身)为变量，其各个表面干涉光强所组成的混叠的干涉图中各个表面的干涉条纹具有不同的干涉频率，这也为信号的同时分离和求解打下了基础。目前在高精度光学测量所应用的算法主要有两种方案：一种是使用最小二乘误差构造法和偏导数求解的初始相位求解算法，这种方法在信噪比较高的条件下能够准确的对被测件多表面的相位进行解调和计算。此外，该种算法的缺点在于：需要对干涉频率进行精确的求解和估计，并且该算法对于初始条件的设置也较为敏感，容易出现算法失效的情形。另一种是基于离散反傅里叶变换的加权采样算法，该种算法是基于傅里叶级数的逼近进行各个信号的初始相位求解。即：任意信号均可被表示为不同频次的三角函数的和的形式。因此只需要提取相应频次的信号，即可求取该信号所对应的初始相位值，从而通过相位与面形分布之间的线性关系实现各个表面的高精度微观形貌的测量。这种方案的可操作性较高，实现过程较为简单，具有较低的计算成本。在此测量方案的实现过程中，一个重要的问题就是被测件的信号频次的确定，而该数值与被测件的光程是具有线性关系的。因此只要实现被测件的平均厚度和干涉腔长(即被测件前表面到达参考镜的距离)便可以实现各个信号频次的精确求解，同时这也是这个方案实现的难点之一。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于腔长校正的多表面测量方法。解决现有测量方法中的缺陷，特别是在使用加权采样算法中实现干涉腔长的精确测量。由于被测件的信号频次与被测件各个表面的光程是具有线性关系的，并且被测件的平均厚度可以通过螺旋测微器等工具实现测量，因此该种方法的难点就在于干涉腔长的精确测量。因为被测件和参考镜被夹持在夹具上，夹具本身也具有一定的体积，占用测量空间，直接对参考镜到达被测件的距离进行测量是十分困难的。具体而言，因为被测件的干涉腔是空气，其折射率为1，因此前表面的光程数值上等同于被测件到达参考镜后表面之间的实际距离；厚度变化信号是前表面和后表面之间的自干涉，其光程是被测件的平均厚度与被测件的材料折射率之间的乘积；后表面干涉信号的光程是前表面光程与被测件厚度变化信号光程的加和。为达到上述专利技术创造目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于腔长校正的多表面测量方法，操作程序如下：(一)腔长预先校正过程，具体包括：(1-1)将被测件放置在预估位置A；(1-2)采集预估干涉图；(1-3)多点平均进行FFT计算；(1-4)反算腔长值，并且进行腔长位置的校正；(1-5)导轨及夹具校正；(二)、测量过程：(2-1)将被测件通过导轨放置在测量位置B；(2-2)采集测量所需干涉图；(2-3)算法处理及输出各表面的初始相位；(2-4)消倾斜和解包裹；(2-5)各个表面的面形计算。优选地，所述预估位置A应当设置为腔长系数在102～108之间，所述的腔长系数是：被测件前表面到达参考镜后表面之间的距离/被测件的平均厚度与被测件材料折射率之积；通过被测件平均厚度的测量和对被测件当前在导轨上的刻度位置进行预估粗测量，而后计算当前预估的腔长系数，使之满足处于102～108之间；被测件平均厚度的测量使用螺旋测微器进行测量；被测件的材料折射率是已知的，通过查找手册方式进行确定，该数值与激光波长有关，在选定时应当选择对应波长在632.8nm的折射率。优选地，所述步骤(1-2)采集预估干涉图的过程中，根据计算的被测件厚度d和材料折射率n1进行预估的波长调谐量Δλ1的计算，其中调谐系数N值选择为20，λ0为初始波长值，具体计算过程如下：总的采集帧数为100帧，使得被测件的干涉图处于采集到的图像的中心位置；所述步骤(1-3)多点平均进行FFT计算的操作步骤如下：选用干涉图正中心位置及其分布在四角的与中心相隔30个像素的位置的点，总共为5个点，分别对5个点进行快速傅里叶变换FFT，该快速傅里叶变换FFT过程可在计算机中进行计算；在快速傅里叶变换FFT计算时，分别选取上述5个点在不同帧数下的干涉图中的位置进行计算，设置采样频率为20，序列的点总数均为100点；以单点的FFT进行描述：首先对该点在不同帧数下的光强值计算其平均值，将上述不同帧数下的光强值减去该平均值，以达到去均值的目的，同时消除一部分背景光强与噪声；而后计算FFT进而得到在不同的频率下的幅值，减少计算成本；只取单侧的频幅特性图进行分析；所得到的频幅特性分布图中，首先进行峰值的定位，根据上述的去均值操作已经对背景光强进行了去除，于是只对依频率递增的三个最大峰值进行选取，根据各信号干涉光强的关系分别对应地确定厚度变化信号频率、前表面信号频率和后表面信号频率；将所选取的5个点分别进行上述FFT计算，所得到的各信号的频率求取其5个点的平均值，从本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于腔长校正的多表面测量方法，其特征在于，所设计的操作程序如下：/n(一)腔长预先校正过程，具体包括：/n(1-1)将被测件放置在预估位置A；/n(1-2)采集预估干涉图；/n(1-3)多点平均进行FFT计算；/n(1-4)反算腔长值，并且进行腔长位置的校正；/n(1-5)导轨及夹具校正；/n(二)测量过程：/n(2-1)将被测件通过导轨放置在测量位置B；/n(2-2)采集测量所需干涉图；/n(2-3)算法处理及输出各表面的初始相位；/n(2-4)消倾斜和解包裹；/n(2-5)各个表面的面形计算。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于腔长校正的多表面测量方法，其特征在于，所设计的操作程序如下：
(一)腔长预先校正过程，具体包括：
(1-1)将被测件放置在预估位置A；
(1-2)采集预估干涉图；
(1-3)多点平均进行FFT计算；
(1-4)反算腔长值，并且进行腔长位置的校正；
(1-5)导轨及夹具校正；
(二)测量过程：
(2-1)将被测件通过导轨放置在测量位置B；
(2-2)采集测量所需干涉图；
(2-3)算法处理及输出各表面的初始相位；
(2-4)消倾斜和解包裹；
(2-5)各个表面的面形计算。


2.根据权利要求1所述的基于腔长校正的多表面测量方法，其特征在于：所述预估位置A应当设置为腔长系数在102～108之间，所述的腔长系数是：
被测件前表面到达参考镜后表面之间的距离/被测件的平均厚度与被测件材料折射率之积；通过被测件平均厚度的测量和对被测件当前在导轨上的刻度位置进行预估粗测量，而后计算当前预估的腔长系数，使之满足处于102～108之间；被测件平均厚度的测量使用螺旋测微器进行测量；被测件的材料折射率是已知的，通过查找手册方式进行确定，该数值与激光波长有关，在选定时应当选择对应波长在632.8nm的折射率。


3.根据权利要求1所述的基于腔长校正的多表面测量方法，其特征在于：所述步骤(1-2)采集预估干涉图的过程中，根据计算的被测件厚度d和材料折射率n1进行预估的波长调谐量Δλ1的计算，其中调谐系数N值选择为20，λ0为初始波长值，具体计算过程如下：



总的采集帧数为100帧，使得被测件的干涉图处于采集到的图像的中心位置；
所述步骤(1-3)多点平均进行FFT计算的操作步骤如下：
选用干涉图正中心位置及其分布在四角的与中心相隔30个像素的位置的点，总共为5个点，分别对这5个点进行快速傅里叶变换FFT，该快速傅里叶变换FFT过程可在计算机中进行计算；在快速傅里叶变换FFT计算时，分别选取上述5个点在不同帧数下的干涉图中的位置进行计算，设置采样频率为20，序列的点总数均为100点；以单点的FFT进行描述：
首先对该点在不同帧数下的光强值计算其平均值，将上述不同帧数下的光强值减去该平均值，以达到去均值的目的，同时消除一部分背景光强与噪声；而后计算FFT进而得到在不同的频率下的幅值，减少计算成本；只取单侧的频幅特性图进行分析；所得到的频幅特性分布图中，首先进行峰值的定位，根据上述的去均值操作已经对背景光强进行了去除，于是只对依频率递增的三个最大峰值进行选取，根据各信号干涉光强的关系分别对应地确定厚度变化信号频率、前表面信号频率和后表面信号频率；将所选取的5个点分别进行上述FFT计算，所得到的各信号的频率求取其5个点的平均值，从而确定各个信号的频率。


4.根据权利要求1所述的基于腔长校正的多表面测量方法，其特征在于：所述步骤(1-4)反算腔长值，并且进行腔长位置的校正，其具体过程为：
通过计算得到的各个信号的频率fi，下式中i＝f,r,f-r分别代表前表面、后表面和厚度变化信号，Li代表各个信号的光程值，i＝f,r,f-r分别代表被测件腔长、被测件腔长加被测件的厚度光程、被测件厚度光程三个值，所述被测件腔长加被测件的厚度光程为被测件平均厚度与折射率之积；于是通过计算各信号的频率计算上述腔长值，与当前预估的腔长值做差，并且将预估的腔长值减去该差值，进行数值上的腔长校正，按照如下公式进行计算：





5.根据权利要求1所述的基于腔长校正的多表面测量方法，其特征在于：在所述的导轨及夹具校正和测量时，使用导轨和夹具系统，其包括：一个夹具主体、一个旋钮单元、三个按压头单元、一个导轨单元；
其中，所述的夹具主体包括：一个上夹具架体(1)、三个上夹具螺纹孔(2)、两个上夹具凸出连接(3)、一个下夹具架体(4)、两个下夹具凸出连接(5)、两个连接螺栓(6)、一个旋钮架(7)和两个磁铁放置槽(8)；
所述的旋钮单元包括：一个旋钮套管(9)、一个旋钮臂(10)、一个旋钮头(11)、一个旋钮弹簧(12)、一个指示臂(13)...

【专利技术属性】
技术研发人员：常林，何婷婷，于瀛洁，闫恪涛，王陈，郑维伟，徐瞿磊，孙涛，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31