專利名稱：：一種主被動(dòng)結(jié)合的移相干涉波面測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及激光移相干涉波面測(cè)量技術(shù)，尤其是主被動(dòng)結(jié)合移相后利用光強(qiáng)求取相位的解相算法，和干涉圖平均消除隨機(jī)誤差的處理方法。
背景技術(shù)：
：激光干涉測(cè)量是利用激光的相干性，對(duì)相位變化所反映的信息進(jìn)行處理的光電測(cè)量技術(shù)。由于光是一種高頻電磁波，直接觀測(cè)其相位變化比較困難，因此使用干涉技術(shù)將相位差變換為光強(qiáng)的變化，觀測(cè)起來就容易得多。為了從光強(qiáng)變化中提取相位，時(shí)空移相干涉技術(shù)被廣泛應(yīng)用。該技術(shù)的原理是，利用機(jī)械、聲光、電光、相位板等各種方式對(duì)被測(cè)光引入特定相位變化，形成多幅光強(qiáng)分布相異的干涉圖，之后利用解相公式由光強(qiáng)變化求出空間某點(diǎn)的初始相位。對(duì)測(cè)量全口徑內(nèi)各點(diǎn)的相位進(jìn)行一定的解包裹和擬合處理即可得到待測(cè)波面?，F(xiàn)有的移相技術(shù)種類較多?？臻g移相主要是通過分光和移相在同一時(shí)間拍攝不同光強(qiáng)分布的干涉圖，進(jìn)而求解相位，這樣能避免環(huán)境干擾在時(shí)域上的影響，但探測(cè)器性能不一致以及不同口徑的空間不一致性是影響測(cè)量精度的主要因素。時(shí)間移相方面，等步進(jìn)或非等步進(jìn)主動(dòng)移相，都會(huì)受環(huán)境干擾(如環(huán)境振動(dòng)、氣流擾動(dòng)等)的影響無法保證移相步長的精確性，造成一定測(cè)量誤差。在抗干擾時(shí)間移相干涉技術(shù)中，反饋移相干涉在主動(dòng)移相的基礎(chǔ)上加入高頻反饋校正環(huán)境干擾，同時(shí)造成干涉條紋對(duì)比度下降的問題，且系統(tǒng)較為復(fù)雜；隨機(jī)數(shù)據(jù)采集技術(shù)僅利用環(huán)境干擾被動(dòng)引入移相，能有效消除氣流擾動(dòng)，但測(cè)量時(shí)間長且數(shù)據(jù)利用極不充分。綜上所述，目前并沒有一種系統(tǒng)簡(jiǎn)單、實(shí)用、價(jià)廉的干涉測(cè)量技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)普通實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的高精度波面測(cè)量。尤其是在大口徑光學(xué)元件檢測(cè)的場(chǎng)合，由于元件口徑大、光路長，環(huán)境干擾對(duì)普通干涉技術(shù)的測(cè)量結(jié)果影響很大。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是無需精確移相或精確標(biāo)定移相步長，能有效消除環(huán)境干擾，抗干擾地完成波面的高精度高效率測(cè)量，尤其適用于大口徑光學(xué)元件的檢測(cè)。該主被動(dòng)結(jié)合的移相干涉波面測(cè)量方法，包括以下步驟第一步采集光強(qiáng)遍歷干涉圖序列，對(duì)被測(cè)口徑內(nèi)任意戶(x,》點(diǎn)引入主動(dòng)移相量&(x,乂/)，同時(shí)包含環(huán)境干擾造成的被動(dòng)移相量《Oc,乂0，對(duì)應(yīng)總移相量為若干個(gè)(2-10個(gè)為宜)周期，移相量單調(diào)增大且步長超過被動(dòng)移相量；同一周期內(nèi)主被動(dòng)移相結(jié)合采樣幀數(shù)超過100幀，則第i幀干涉圖光強(qiáng)分布為/[x,乂《(x,乂r)]=/。(X,力+/A(X,力.COS[①(X,力+《(x，乂0](1)其中，/。(;c,力是背景項(xiàng)，"x,力為調(diào)制項(xiàng)，O(:c,力為被測(cè)波面的初始相位分布，《(x,;M;)為該點(diǎn)在力時(shí)刻的移相量，即采集第/幀干涉圖時(shí)的移相量，包括主被動(dòng)兩部分，《0c，w)=^p0c,:m)+&(x，:m);第二步尋找干涉圖各點(diǎn)光強(qiáng)在時(shí)間軸上的極值，滿足第一步主動(dòng)移相條件的同一點(diǎn)戶(x，》的光強(qiáng)值將隨時(shí)間近似余弦規(guī)律變化，可從該點(diǎn)光強(qiáng)-時(shí)間曲線中找到極大值/max[;c,y,《(x,y,0]和極小值7隨[x,少，《(x,乂0];第三步求取干涉圖各點(diǎn)背景項(xiàng)和調(diào)制項(xiàng)，第二步得到的極大極小值與公式(1)中的背景項(xiàng)和調(diào)制項(xiàng)滿足公式(2)的關(guān)系，因此進(jìn)一步利用公式(3)求得公式(1)中的背景項(xiàng)和調(diào)制項(xiàng)；^ax[&乂《(X，■>',0]='。(X，力+《(X,力=L(x,力—4(x，》(2)1x，yI=k(x，力~~^-=^—^-^(3)第四步求解各點(diǎn)相位，將公式(3)代入公式(1)中，利用反余弦函數(shù)可以解得第z'幀干涉圖中P(u)點(diǎn)相位如公式(4)所示<D,[x,乂5(x，少，o]=①(A"+《(x，少'f)-2/[x，《■(x,0]—/隨[>,(x,W)]+/國[x，(x,W)])(4)J縣[A(A—7,y，s(A乂O]=arccos將時(shí)間順序記錄下的各幀干涉圖中同一點(diǎn)的光強(qiáng)值，分別帶入到公式(4)所示的解相公式中，得到該點(diǎn)在不同干涉圖中的對(duì)應(yīng)的相位信息；第五步疊加各幀波面分布信息求平均，得到被測(cè)的波面測(cè)量結(jié)果，如公式(5)所示-,1Af廠，);ZW(0,Lx,W(x,少，,)」J^,=i=①(;c,y)+丄其中，W為空間解包裹算符，0(x,少)'為被測(cè)波面相位分布的測(cè)量結(jié)果；O(X,力為被測(cè)波面的實(shí)際相位分布；Z為主動(dòng)移相和環(huán)境振動(dòng)帶來的剛性移相量，對(duì)波面分布無影響。本發(fā)明的有益效果-1、測(cè)量方法簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境要求不高，無需特別的減振或隔絕氣流措施；2、主被動(dòng)結(jié)合，測(cè)量效率較高；3、有效消除環(huán)境干擾的影響，實(shí)現(xiàn)波面的高精度測(cè)量。圖1本發(fā)明的方法進(jìn)行波面測(cè)量的流程圖圖2是實(shí)測(cè)干涉圖中某點(diǎn)光強(qiáng)-時(shí)間曲線其中，1-極小值所在點(diǎn)，2-極大值所在點(diǎn)。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施技術(shù)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。本發(fā)明屬于時(shí)間移相技術(shù)，其移相環(huán)節(jié)由主動(dòng)移相和被動(dòng)移相兩部分組成。其中被動(dòng)移相由環(huán)境干擾引入，主要作用是完成相位遍歷，確定測(cè)量口徑內(nèi)各點(diǎn)光強(qiáng)變化的極大極小值，進(jìn)而解得相位。主動(dòng)移相可以通過機(jī)械、聲光、電光等各種手段實(shí)現(xiàn)，主要目的是加快相位遍歷速度，并保證相位變化的單調(diào)性，使測(cè)量可控。圖1為本方法的實(shí)現(xiàn)步驟流程圖，圖2為第一步采集得到的光強(qiáng)-時(shí)間曲線，從該曲線上可按第二步獲得極小值如1處所標(biāo)示，極大值如2處所標(biāo)示。進(jìn)而按第三步利用公式(3)解得背景項(xiàng)和調(diào)制項(xiàng)。根據(jù)第四步，圖2中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都可以利用公式(4)算出一個(gè)相位，對(duì)于干涉圖上其他的點(diǎn)也可以重復(fù)以上步驟得到相應(yīng)相位，之后空間解包裹可以得到大量波面分布。最后利用第五步對(duì)這一系列波面分布進(jìn)行疊加平均即可得到波面測(cè)量結(jié)果。下面對(duì)公式(5)給出的最終測(cè)量結(jié)果做一定分析。由于該技術(shù)利用環(huán)境干擾作為被動(dòng)移相發(fā)生器，并輔以簡(jiǎn)單地主動(dòng)移相使測(cè)量可控。因此，采集到的各幀干涉圖對(duì)應(yīng)的移相量《(x,乂0是未知的，它是由環(huán)境振動(dòng)、氣流擾動(dòng)產(chǎn)生的相位變化的移相量《(x，乂0以及主動(dòng)移相的移相量&(x,少,0構(gòu)成的。因此可以將各幀干涉圖對(duì)應(yīng)的移相量《(x,y，,)表示成如下形式?！?x,7,0="(y,)+"(x,>^,)(6)其中"f,)為環(huán)境振動(dòng)和主動(dòng)移相產(chǎn)生的剛性移相量，"(x,;v,)為空氣疊加取平均運(yùn)算后，如果采集干涉圖的幀數(shù)足夠多、時(shí)間足夠長(相對(duì)于氣流擾動(dòng)周期而言)，則氣流擾動(dòng)隨機(jī)移相量的均值趨于零，各點(diǎn)剛性移相量的均值為同一常數(shù)，則公式(6)可寫成如下形式。0)(x,力、(D(x,力+丄(7)剛性移相量Z的存在相當(dāng)于對(duì)波前作了整體的相位平移移動(dòng)，不影響各點(diǎn)的相對(duì)相位差，即不影響波前分布。因此，。Oc,力'的相位分布，即是被測(cè)波面。(x,力的相位分布。所以本發(fā)明提出的主被動(dòng)結(jié)合移相干涉技術(shù)無需嚴(yán)格控制外界噪聲環(huán)境，抗振效果好，測(cè)量精度高。利用本技術(shù)在普通實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)量某標(biāo)準(zhǔn)平面得到的測(cè)量結(jié)果PV值為0.027入，而ZYGO干涉儀在隔振隔絕氣流措施下的測(cè)量結(jié)果PV值為0.022入?？梢姳景l(fā)明提出的波面檢測(cè)方法抗干擾性能良好。整個(gè)測(cè)量采集并選用的干涉圖幅數(shù)從2-20000幅均可，但數(shù)量越多對(duì)于氣流和隨機(jī)誤差影響的消除效果越好，因此，應(yīng)該根據(jù)所處環(huán)境的優(yōu)劣進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇。權(quán)利要求1、一種主被動(dòng)結(jié)合的移相干涉波面測(cè)量方法，其特征在于包括以下步驟第一步采集光強(qiáng)遍歷干涉圖序列，對(duì)被測(cè)口徑內(nèi)任意P(x，y)點(diǎn)引入主動(dòng)移相量δa(x，y，t)，同時(shí)包含環(huán)境干擾造成的被動(dòng)移相量δp(x，y，t)，對(duì)應(yīng)總移相量為若干個(gè)周期，移相量單調(diào)增大且步長超過被動(dòng)移相量；同一周期內(nèi)主被動(dòng)移相結(jié)合采樣幀數(shù)超過100幀，則第i幀干涉圖光強(qiáng)分布為I[x，y，δi(x，y，t)]＝ia(x，y)+ib(x，y)·cos[Φ(x，y)+δi(x，y，t)](1)其中，ia(x，y)是背景項(xiàng)，ib(x，y)為調(diào)制項(xiàng)，Φ(x，y)為被測(cè)波面的初始相位分布，δi(x，y，t)為該點(diǎn)在t時(shí)刻的移相量，即采集第i幀干涉圖時(shí)的移相量，包括主被動(dòng)兩部分，δi(x，y，t)＝δp(x，y，t)+δa(x，y，t)；第二步尋找干涉圖各點(diǎn)光強(qiáng)在時(shí)間軸上的極值，滿足第一步主動(dòng)移相條件的同一點(diǎn)P(x，y)的光強(qiáng)值將隨時(shí)間近似余弦規(guī)律變化，可從該點(diǎn)光強(qiáng)-時(shí)間曲線中找到極大值Imax[x，y，δi(x，y，t)]和極小值Imin[x，y，δi(x，y，t)]；第三步求取干涉圖各點(diǎn)背景項(xiàng)和調(diào)制項(xiàng)，第二步得到的極大極小值與公式(1)中的背景項(xiàng)和調(diào)制項(xiàng)滿足公式(2)的關(guān)系，因此進(jìn)一步利用公式(3)求得公式(1)中的背景項(xiàng)和調(diào)制項(xiàng)；<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><msub><mi>I</mi><mi>max</mi></msub><mo>[</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>,</mo><msub><mi>δ</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>,</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>=</mo><msub><mi>i</mi><mi>a</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>i</mi><mi>b</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>I</mi><mi>min</mi></msub><mo>[</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>,</mo><msub><mi>δ</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>,</mo><mi>t</mi><mo>)</m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