一种自适应谐波抗混叠的波长移相采样算法制造技术

本发明专利技术公开了一种自适应谐波抗混叠的波长移相采样算法，该算法包括1个频谱分析目标选择方法、1个子算法、3个频谱判据，根据所设计的子算法和频谱判据对采样结果进行判定，若不满足判据改变移相值和采样帧数并再次进行循环采样判定；所述的3个频谱判据包括：判据

【技术实现步骤摘要】
一种自适应谐波抗混叠的波长移相采样算法


[0001]本专利技术涉及一种自适应谐波抗混叠的波长移相采样算法，尤其是通过采样性能分析对当前采样频率进行判定和重新选择的多表面波长移相干涉测量中的采样方法，应用在高精密光学测量领域。

技术介绍

[0002]光学透明平行平板(以下称光学平板)具有高质量的表面形貌分布以及较高的平行度，因此被广泛地应用于光学系统的设计和搭建中。若光学平板表面存在表面缺陷，则会造成等离子体的堵塞，并且会对后续的光学元件造成破坏。因此平行平板的表面高精度测量对于高效率、高质量的光学元件加工和表面质量评定具有重要的实用意义和研究价值。
[0003]在光学平板的表面检测技术中，目前主要采取的测量方式是光学检测。光学检测是现代精密检测技术中的重要部分，可以高精度地对被测件的初始相位分布进行解调，从而实现波前进行重建，并且精确地得到各表面的形貌分布。该种检测方式的特点在于：精度高、速度快、模块化，可实现非接触式的无损表面检测，因此被广泛地应用于工业元件检测、医疗检测、航空航天、天文观测等领域。对多表面光学平板进行干涉测量时，采集得到的干涉图是被测件各表面和参考面之间两两干涉的谐波叠加的结果(这些谐波包括：被测的前表面与参考镜、被测的后表面与参考镜、被测的前后表面之间的干涉信号)，因此无法直接使用传统单表面方法进行波面的重建。
[0004]过去对多表面测量时，需要注意的是，因无法消除各个被测件对应谐波对于干涉图的影响，只能通过在非当次测量面上涂抹凡士林等消光材料的方式进行这部分信息的抑制。但是在消光材料的涂抹及清洗过程中，非常容易对被测件的高精度表面造成破坏，并且通过这种方式对具有多表面的透明被测件进行测量时，无法一次性获得多个表面的形貌分布。
[0005]在光学检测技术中，波长移相法可以避免传统硬件移相中所不可避免的多谐波频率混叠问题。目前的多表面干涉测量方法对于各个谐波的干涉腔长有着严格的限定，并且对移相误差等测量误差的鲁棒性较差，无法满足自由腔长下的多表面高精度测量。传统方法种可以根据干涉仪内部的参考镜到达被测件之间的测量距离和被测件本身光学厚度等参数对各个谐波的相对频率进行估计，但是这种方法具有较高的估计误差。
[0006]本专利技术提出一种自适应谐波抗混叠的波长移相采样算法，通过对当前采样频率下得到的多谐波叠加的干涉强度信号的频谱进行判定，从而对采样性能进行分析以及对采样频率进行重新选取，优势如下：
[0007](1)可以实现自由腔长下的采样性能判定和采样频率的自适应改变，并且对移相误差等测量误差具有鲁棒性；
[0008](2)不需要对测量距离等先验信息进行精确量取，避免了谐波相对频率估计误差；
[0009](3)可以通过一组或者多组干涉图达到被测件多表面测量的目的，在测量过程中无需转动被测件。

技术实现思路

[0010]为了解决不依赖于先验信息情况时自由腔长下的高精度多表面测量问题，本专利技术提出一种自适应谐波抗混叠的波长移相采样算法，通过对当前采样频率下得到的多谐波叠加的干涉强度信号的频谱进行判定，从而对采样性能进行分析以及对采样频率进行重新选取。此法可以克服传统多表面测量方法无法适用于自由腔长的问题，并且不需要对先验信息进行测量，并可以自适应对最佳的采样频率进行判定，该方法容易实现，技术难度较低，方式新颖。波长移相干涉测量法的步骤可以简述为：根据一定的波长调谐量进行光源波长的改变，并且进行干涉图采集，得到一定帧数的干涉图(比如30帧，也就是30张干涉图)；对采集得到的干涉图进行处理，得到被测面的相位；对相位进行后处理得到面形信息。
[0011]根据上述专利技术构思，本专利技术采用下述技术方案：
[0012]作为基础，首先给出在多表面移相干涉测量中的重要参数：
[0013]以n1为被测件的折射率，以T为被测件的平均厚度，长腔长干涉条件(是指被测件光学厚度n1T小于参考镜到达被测件前表面之间的距离H)下，对厚度变化信号、前表面信号和后表面信号而言，谐波相对频率F＝1，M，M+1，其中M是参考镜到达被测件前表面之间的距离与测件光学厚度的比值，即H/(n1T)。移相参考系数N可决定基频信号(具有最小谐波频率的信号)单步移相值为2π/N，因此对于厚度变化信号、前表面信号和后表面信号而言，其移相值分别为2π/N，M(2π/N)，(M+1)(2π/N)。本申请中所设定的采样序列长度为 XN，N大于等于8，其中X可以根据需求进行选取，X大于等于1，且XN应为整数。对干涉信号使用快速傅里叶变换(FFT)算法可以得到干涉信号的频谱，由于频谱是对称的，因此取频谱的右侧的一半进行分析，根据这一半的频谱内的幅值峰(简称峰值)进行查找便可以得到各个谐波的频率。
[0014]在长腔长干涉的条件下，考虑波长变化中经泰勒展开后的低阶项，并且忽略高阶非线性对移相过程的影响，则各谐波的频率可以表示为：
[0015][0016]上面的公式中，谐波频率vm角标m＝1、2、3分别对应厚度变化信号、前表面信号和后表面信号，(x，y)是干涉图上的坐标，由于被测件前后表面之间具有较高平行度，并且各被测面与参考镜中的参考面也是平行的，因此各坐标位置的谐波频率是相同的，可以将(x，y) 省略。上面的公式中，单步波长调谐量为Δλ，激光器的起始波长为λ0。谐波频率vm乘以2 π即为谐波的移相值。
[0017]在谐波腔长(包括被测件到达参考镜的距离以及被测件本身光学厚度等)难以准确进行测量的情况下，基于先验信息提前测量而进行谐波相对频率估计的方法对移相误差的鲁棒性较差，并且需要对先验信息进行准确测量，这无疑会增大测量成本。为了克服这一问题，从频谱分析的角度出发，提出一种自适应谐波抗混叠的波长移相采样算法，该算法包括1个频谱分析目标选择方法、1个子算法、3个频谱判据，根据所设计的子算法和频谱判据对采样结果进行判定，若不满足判据改变移相值和采样帧数并再次进行循环采样判定。通过与FFT频率求解算法相结合，本申请所提出的方法可以实现谐波信号频率的高精度求解、采样性能的自动判定和最优采样频率的选定。
[0018]首先对要分析的区域和分析对象进行选取。
[0019]优选地，所述的频谱分析目标选择方法可以描述为：在干涉图中选择目标区域，以目标区域的中心坐标及该中心周围紧邻的8个点(总共9个点)在不同干涉图帧数下的干涉光强进行相加，得到9点相加的强度数据，然后对9点相加的强度数据减去这组强度数据的平均值，得到去均值后的9点相加的强度数据，并且对去均值后的9点相加的强度数据去掉第1 个和最后1个位置的强度数据(记为I0)，以I0作为进行FFT的对象。
[0020]在对I0进行FFT后可得到其频谱，在I0的频谱内，横坐标为频率，纵坐标为幅值，从横轴(频率轴)上的某点作为起始位置，以该频率下某幅值的点为终止位置，上述起始位置和终止位置的连线称为频谱内的谱线。对I0使用FFT可以得到干涉信号的频谱，由于频谱是对称的，因此取频谱的右侧的一半进行分析，根据这一半的频谱内的幅值的峰值(简称峰值本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自适应谐波抗混叠的波长移相采样算法，其特征在于：该算法包括1个频谱分析目标选择方法、1个子算法、3个频谱判据，根据所设计的子算法和频谱判据对采样结果进行判定，若不满足判据改变移相值和采样帧数并再次进行循环采样判定；所述的3个频谱判据包括：判据
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1是频峰间谷值及尾端频谱高度判断、判据
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2是头部峰值间隔判定、判据
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3是峰值相对高度判定；所述的频谱分析目标选择方法可以描述为：在干涉图中选择目标区域，以目标区域的中心坐标及该中心周围紧邻的8个点(总共9个点)在不同干涉图帧数下的干涉光强进行相加，得到9点相加的强度数据，然后对9点相加的强度数据减去这组强度数据的平均值，得到去均值后的9点相加的强度数据，并且对去均值后的9点相加的强度数据去掉第1个和最后1个位置的强度数据后记为I0，以I0作为进行FFT的对象；所述子算法可以描述为：对I0进行FFT算法求解频谱后，在频谱中进行底层置零和峰值个数判断；该子算法的大致流程可以归纳为：在得到的频谱中，首先对3个最高的幅值峰值对应的频率进行搜寻，并且将小于第3个峰值的幅值的1/3的其余的频率谱线高度置为0，这项操作就是底层置零；以当前移相参考系数N＝N
C
进行移相和干涉图采集后的中心9点像素去平均后的干涉数据进行FFT计算，得到的频谱以F
NC
表示；频谱峰值搜索操作可表示为：搜索频谱中F
NC
的一阶导数F
’
NC
中左正右负的过零点(过零点的横坐标为n
ZR
)，其应当满足以下条件：[F
′
NC
(n
ZR
‑
1)>0]∧[F
′
NC
(n
ZR
+1)<0]式中，^表示“且”的判断条件；在底层置零后，对处理后的频谱进行峰值判断，若此时峰值个数P＝3则符合条件；所述3个频谱判据中的判据
‑
1可以描述为：判据
‑
1：频峰间谷值及尾端频谱高度判断，若频谱尾端相邻3点的谱线高度大于频谱内最小峰值幅值的1/5，或者每2个峰值幅值之间分布的频率幅值也大于最小频率峰值幅值的1/5，则判定相应采样频率不符合当前判据。2.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：常林，李兵，于瀛洁，
申请(专利权)人：湖州师范学院，
类型：发明
国别省市：