CN103376072A - 数字全息干涉和变频率投影条纹复合测量***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字全息干涉和变频率投影条纹复合测量***及方法，属于光电测量技术领域，包括一套连续变角度数字全息干涉测量装置或变波长数字全息干涉和一套多步变频率投影条纹测量装置，先利用多步变频率投影条纹测量法对待测物体进行粗测，得到大致的高度范围，再利用连续变角度数字全息干涉测量装置或变波长数字全息干涉对待测物体进行精测，就可以得到物体各点的高度信息，本发明在测量过程中对待物体各点单独测量，无需相位去包裹的步骤，能够测量形状复杂的、有间断的物体的面型参数，和单独的多步变频率投影条纹测量及连续变角度数字全息干涉或变波长数字全息干涉相比，优点是可以同时达到测量精度高和测量高度变化范围大的要求。

Description

数字全息干涉和变频率投影条纹复合测量***及方法

技术领域

本发明属于光电测量技术领域，具体涉及一种连续变角度数字全息干涉（或变波长数字全息干涉）和多步变频率投影条纹测量复合的综合测量装置和方法。

背景技术

数字全息干涉测量是一项利用激光干涉方法进行计量的技术，具有非接触、全场测量、精度高、灵敏度高、测量迅速简便等优点，可以用于平面度、共面度、厚度等面型参数的测量，在精密机械、航空航天等领域具有广阔的应用前景。

在现有数字全息干涉测量中，数字全息信息解调方法分为两种，第一种是相移解调方法，利用相移器引入已知的相移，获得物体待测信息的包裹相位图，然后经过相移去包裹处理，获得物体的全场信息。但是，当物体的形状复杂时，相位去包裹将无法进行，所以这种方法只能适用于简单形状物体。如吕晓旭在《激光技术》发表的论文“全息相移技术用于物体的三维面形测量”采用的相位解调的方法。第二种方法是Joseph C.Marron在美国专利5,926,277，“Method and apparatus for three-dimensional imaging using laserillumination interferometry”和Mater Michael J在美国专利7,317,541“Interferometry method based on the wavelength drift of an illumination source”提出的多波长全息干涉测量方法。这种方法是利用可调谐激光器来产生多个波长的激光，将波长作为干涉信息解调的已知量，通过对多个波长照明下的干涉图进行处理，获得物体的面型信息。由于全息干涉方法测量范围小，无法满足具有大范围不连续物体的测量要求。

投影条纹式的光学三维形貌测量方法具有非接触、测量速度快、效率高和非破坏性等优点，但是因为其测量基准是投影在物体上的条纹的周期宽度，所以和光学干涉测量相比，其测量精度较低。现有的投影条纹光学三维形貌测量方法中根据对投影条纹的不同处理方法，可以分类为莫尔轮廓术、相位测量轮廓术（PMP）、傅里叶变换轮廓术（FTP）、希尔伯特变换轮廓术、小波变换轮廓术等方法。这些方法都是获得物体的包裹相位值，然后通过相位解包裹处理来获得和物体高度信息对应的连续相位值，都需要相位解包裹过程。

以最常用的相位测量轮廓术为例，相位测量轮廓术是依赖相移法来得到物体的包裹相位图，再利用解包裹算法得到连续的相位分布图。C.AllanHobson，John T.Atkinson与Francis Lilley在期刊Optics and lasers inengineering发表的论文《The application of Digital Filtering to Phase Recoverywhen Surface Contouring using Fringe Projection Techniques》中说明，如果待测物体不连续或者得到的包裹相位图中噪声太多，是不可能得到正确的解包裹结果的。苏显渝发表在Optics and lasers in engineering的论文《Reliability-guided Phase unwrapping Algorithm：A review》中提到，阴影、条纹调制度太低、条纹断裂、欠采样等均会造成相位解包裹过程产生错误。大部分的解包裹算法都依赖于路径，例如在苏显渝论文《Reliability-guidedPhase unwrapping Algorithm：A review》中提到的利用调制度函数生成的质量图进行解包裹的质量图导向法解包裹过程。所以，包裹图包含阴影、条纹断裂、以及物体不连续（存在突变）等情况下，无法得到良好的解包裹结果。而目前的投影条纹面型测量方法大都需要相位去包裹过程，从而造成这些方法难以应用于工程中最常见的、具有孤立非连续区域物体的测量。且其测量精度相对于全息干涉测量较低，但测量范围大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数字全息干涉和变频率投影条纹复合测量***及方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。

一种数字全息干涉和变频率投影条纹复合测量***，该复合测量***包括数字全息干涉测量装置以及条纹产生光学装置，所述数字全息干涉测量装置为连续变角度数字全息干涉测量装置或变波长数字全息干涉测量装置，条纹产生光学装置与数字全息干涉测量装置的计算机相连，利用条纹产生光学装置、数字全息干涉测量装置的CCD摄像机以及所述计算机组成多步变频率投影条纹测量装置。

所述条纹产生光学装置为投影仪。

所述复合测量***还包括光开关，光开关设置于数字全息干涉测量装置的激光器与光纤分束器之间（光开关对激光是否接入光路进行切换，无需因为测量而频繁开关激光器）。

上述数字全息干涉和变频率投影条纹复合测量***的测量方法，包括以下步骤：

1）粗测量：利用多步变频率投影条纹测量装置对待测物体进行测量（具体方法公开于发明专利申请201210251114.4），得到待测物体的低精度的面型信息（低精度的高度分布）；

2）经过步骤1）后，利用连续变角度数字全息干涉测量装置或变波长数字全息干涉测量装置，得到待测物体在每个角度或波长下的包裹相位值，将待测物体上某个点在每个角度或波长下的包裹相位值的余弦相加得到对应点的搜峰函数（具体方法公开于发明专利申请201210006821.7、以及Carl C.Aleksoff."Multi-Wavelength digital holographic metrology."Proc.SPIE6311,6311D1-6311D7(2006).）；

3）精测量：根据步骤1）所得面型信息对搜峰函数进行函数峰值搜索，峰值搜索过程结束之后，就获得待测物体的高精度的面型信息（高精度的高度分布）。

所述步骤3）的具体步骤为：a）根据步骤1）所得面型信息中对应于待测物体最高点的高度值，确定待测物体上某点D₁的函数峰值搜索范围，然后计算在函数峰值搜索范围内点D₁的搜峰函数取得极大值时对应的自变量的值，分别计算这些自变量的值与步骤1）所得面型信息中对应于点D₁的高度的绝对误差，绝对误差最小时对应的自变量的值即为待测物体上点D₁的精确高度；b）对待测物体上每一点按照步骤a）获取对应的精确高度。

或者，所述步骤3）的具体步骤为：a）根据步骤1）所得面型信息中对应于待测物体上某点D₁的高度，确定点D₁的函数峰值搜索范围，然后在函数峰值搜索范围内对点D₁的搜峰函数进行函数峰值搜索，得待测物体上点D₁的精确高度；b）对待测物体上每一点按照步骤a）获取对应的精确高度。

所述函数峰值搜索范围为（H-x,H+x），其中x为搜峰阈值，x取值为搜峰函数的周期半宽，H表示步骤1）所得面型信息中对应于点D₁的高度。

上述两种搜峰过程，第一种需要连续计算多个周期的极大值点位置，第二种则是仅在一个周期范围内进行搜索，相比之下，第一种搜峰方法耗时较第二种方法长。搜峰精度上，两种方法完全一致。

所述搜峰函数表示为：

对于连续变角度数字全息干涉测量装置，搜峰函数如式（1）所示：

$S\left(h\right)=\left|\frac{1}{K_1}\underset{k=1}{\overset{K_1}{\mathrm{\Σ}}}\exp \right\{[\frac{2\mathrm{\π}(h-h\cos {\mathrm{\θ}}_k)}{\mathrm{\λ}}+\mathrm{\Φ}\left({\mathrm{\θ}}_k\right)-\mathrm{\Θ}\left({\mathrm{\θ}}_k\right)]\×i\left\}\right|---\left(1\right)$

式（1）中，S(h)为物体上某点多幅干涉图合成的相对强度，h为物体的高度，λ为激光器波长，θ_k为第k个变化的角度，Φ(θ_k)和Θ(θ_k)分别为第k个角度下对应的底板干涉图和物体干涉图，i表示复数单位，一共采用K₁个角度；

对于变波长数字全息干涉测量装置，搜峰函数如式（2）所示：

$S\left(h\right)=\left|\frac{1}{K_2}\underset{k=1}{\overset{K_2}{\mathrm{\Σ}}}\exp \right[\frac{4\mathrm{\πh}}{{\mathrm{\λ}}_k}-\mathrm{\Θ}\left(k\right)]\·i|---\left(2\right)$

式（2）中，S(h)为物体上某点多幅干涉图合成的相对强度，h为物体的高度，λ_k为激光器变化的第k个波长，Θ(k)为第k个波长下对应的物体干涉图，i表示复数单位，一共采用K₂个波长。

本发明的有益效果体现在：

针对现有投影条纹面型测量技术和连续变角度数字全息干涉（或变波长数字全息干涉）测量技术的不足，本发明提出一种连续变角度数字全息干涉（或变波长数字全息干涉）和多步变频率投影条纹测量相复合的综合测量的方法和装置，在测量过程中先利用多步变频率投影条纹测量技术对待测物体进行粗测，获得物体各点的大致高度范围，再利用粗测数据对连续变角度数字全息干涉（或变波长数字全息干涉）的搜峰步骤进行指导，从而获得物体高度亚微米级的测量精度，本发明使得测量范围和测量精度能够同时得到提高。

附图说明

图1是本发明***结构图之一；

图2是本发明***结构图之二；

图3是本发明的测量流程图；

图4是利用连续变角度数字全息干涉法进行测量时物体上某点利用式（1）得到的合成图像光强随高度的变化曲线；

图中：1为激光器，2为光纤，3为光纤分束器，4为离轴抛物面校准镜，5为光纤相移器，6为准直透镜组，7为精密角度偏转装置，8为合光棱镜，9为成像透镜，10为CCD摄像机，11为计算机，12为投影仪，13为固定的平面反射镜，14为光开关。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提供一种连续变角度数字全息干涉（或变波长数字全息干涉）和多步变频率投影条纹测量复合的综合测量装置，包括一套连续变角度数字全息干涉测量子***（或变波长数字全息干涉子***）和一套多步变频率投影条纹测量子***，由计算机、CCD摄像机、投影仪、激光器（变波长数字全息干涉***中为可调谐激光器）、光纤分束器、光纤相移器、精密角度偏转装置（变波长数字全息干涉***中为固定的平面反射镜）、准直透镜组、合光棱镜、成像透镜、离轴抛物面校准镜和光纤等组成。

基于上述综合测量装置，本发明还提供一种连续变角度数字全息干涉（或变波长数字全息干涉）和多步变频率投影条纹测量复合的综合测量方法，利用多步变频率投影条纹法对物体进行粗测量，得到大概的高度分布数据。多步变频率投影条纹测量法与连续变角度数字全息干涉（或变波长数字全息干涉）测量方法相比，多步变频率投影条纹测量法测量范围大，但测量精度低。连续变角度数字全息干涉（或变波长数字全息干涉）测量范围小，但测量精度高。以连续变角度数字全息干涉测量方法中搜峰的算法为例，连续变角度数字全息干涉测量法的测量范围由两最高峰之间的距离决定（如图4所示），如果待测物体的某点高度超过两最高峰之间的距离，即超过测量范围时，搜峰过程中会同时找到两个或多个最高峰，无法确定究竟哪个最高峰的位置才反映物体真实的高度。所以，本发明提出以多步变频率投影条纹测量法对待测物体进行粗测，从而得到物体的大概高度分布，则在后续的连续变角度数字全息干涉方法的搜索峰值过程中可以利用之前粗测得到的数据来确定物体当前被测点的高度究竟由哪个峰值反映（如图4中A、B、C范围），从而得到精确的测量结果。此方法克服了多步变频率投影条纹测量技术中的测量精度不高的问题，同时也解决了连续变角度数字全息干涉（或变波长数字全息干涉）测量方法的测量范围过小的问题，使测量范围和测量精度同时得到提高。

对物体高度进行粗测之后，得到物体大概的高度分布记为O₁(x,y)，连续变角度数字全息干涉测量需要利用搜峰函数，如式（1）所示，对高度进行搜索，最终得到物体的真实高度。

$S\left(h\right)=\left|\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\exp \right\{[\frac{2\mathrm{\π}(h-h\cos {\mathrm{\θ}}_k)}{\mathrm{\λ}}+\mathrm{\Φ}\left({\mathrm{\θ}}_k\right)-\mathrm{\Θ}\left({\mathrm{\θ}}_k\right)]\×i\left\}\right|---\left(1\right)$

其中，S(h)为物体上某点多幅干涉图合成的相对强度，h为物体的高度，λ为激光器波长，θ_k为第k个变化的角度，Φ(θ_k)和Θ(θ_k)分别为第k个角度下对应的底板干涉图和物体干涉图，i表示复数单位，一共采用K个角度。

利用变波长数字全息干涉测量需要利用搜峰函数，如式（2）所示，对高度进行搜索，从而得到物体的真实高度。

$S\left(h\right)=\left|\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\exp \right[\frac{4\mathrm{\πh}}{{\mathrm{\λ}}_k}-\mathrm{\Θ}\left(k\right)]\·i|---\left(2\right)$

对于式（2），S(h)为物体上某点多幅干涉图合成的相对强度，h为物体的高度，λ_k为激光器变化的第k个波长，Θ(k)为第k个波长下对应的物体干涉图，i表示复数单位，一共采用K个角度。

由式（1）或式（2）进行搜峰的时候均会出现如图4所示的现象，由于式（1）和式（2）是一个周期函数，所以最高峰成周期性出现。通过计算机算法搜索图中峰值对应的测量点的高度值，就可以获得每一点的待测高度。但是，由于最高峰周期性出现，无法确定究竟哪个峰值处才是物体上一点的真实高度，这就必须对对物体待测高度进行限制，造成了在单独利用连续变角度数字全息干涉（或变波长数字全息干涉）测量时，测量范围较小的问题。

本发明所述测量方法的具体流程如下：

1）利用多步变频率投影条纹测量方法对物体进行粗测量，得到物体大概的高度分布（具体方法公开于发明专利申请201210251114.4）；

2）利用连续变角度数字全息干涉测量方法（具体方法公开于发明专利申请201210006821.7）或变波长数字全息干涉测量方法和步骤1）所得粗测数据对物体进行精密测量，利用粗测数据对连续变角度数字全息干涉或变波长数字全息干涉方法中的峰值搜索进行指导；

由于步骤1和步骤2中所用的为同一CCD摄像机，所以两个步骤中采集得到的图像分辨率相同，即两种测量方法中所得到的图像点是一一对应的，利用步骤1）中得到的物体上某点的面型信息，对应到步骤2）中的某点后，a）根据步骤1）所得面型信息中对应于待测物体最高点的高度值，确定待测物体上某点D₁的函数峰值搜索范围，然后计算在函数峰值搜索范围内点D₁的搜峰函数取得极大值时对应的自变量的值，分别计算这些自变量的值与步骤1）所得面型信息中对应于点D₁的高度的绝对误差，绝对误差最小时对应的自变量的值即为待测物体上点D₁的精确高度；b）对待测物体上每一点按照步骤a）获取对应的精确高度。

3）指导峰值搜索过程结束之后，就可以获得整个物体的精确的面型信息。

本发明亦可以采用如下所述的测量流程：1）先利用多步变频率投影条纹测量方法对物体进行粗测（具体方法公开于发明专利申请201210251114.4），获得物体某点的大致范围（如图4中所示的A、B、C中的某一范围），2）然后再利用连续变角度数字全息干涉（具体方法公开于发明专利申请201210006821.7）或变波长数字全息干涉测量方法在这个范围内进行峰值搜索。

由于搜峰函数是一个周期函数，所以必须确定物体某点高度落于哪个周期之内，然后在此周期中搜峰才能得到物体此点的精确高度。由于步骤1）和步骤2）中所用的为同一CCD摄像机，所以两个步骤中采集得到的图像分辨率相同，即两种测量方法中所得到的图像点是一一对应的，利用步骤1）中得到的物体上某点的初始面型信息H（高度），对应到步骤2）中的某点后，在（H-x,H+x）的范围内对物体高度进行搜索，即可唯一得到物体该点的精确高度，对物体每一点都作此处理后，即可得到物体的最终面型信息。其中x为搜峰阈值，用来确定搜峰的上限和下限，x取值为搜峰函数的周期半宽。

本发明的复合测量方法，克服了多步变频率投影条纹测量精度低和连续变角度数字全息干涉（或变波长数字全息干涉）测量范围小的不足，不仅可以实现亚微米的测量精度，并且可以实现大的测量范围。并且都不需要相位去包裹，构成的复合***将可以测量复杂形状的物体。

当***中采用连续变角度数字全息干涉时，激光器1通过光纤2与光纤分束器3相连，光纤分束器3将光纤分为物光和参考光两路光，在物光光纤的端口处设置离轴抛物面校准镜4，物光经过离轴抛物面校准镜4反射到被测物体上，在参考光光纤上连接光纤相移器5，在参考光光纤端口处连接准直透镜组6，经过扩束后的参考光照射在一面与精密角度偏转装置7相连的平面反射镜上，平面反射镜反射的平行光经过合光棱镜8与经成像透镜9的物光干涉后进入CCD摄像机10，CCD摄像机10与计算机11相连接，另外增加设置投影仪12（条纹产生光学装置），形成如图1所示的本发明的复合测量***之一。

当在***中采用变波长数字全息干涉时，需要将图1中的激光器变为波长可变激光器（可调谐激光器），与精密角度偏转装置相连的平面反射镜用固定的平面反射镜13取代，即形成图2所示的本发明的复合测量***之二。

参见图3，首先将待测物体放置好，关闭光开关，打开投影仪，首先让多步变频率投影条纹测量子***对物体进行粗测；然后打开光开关，关闭投影仪，让连续变角度数字全息干涉测量子***（或变波长数字全息干涉测量子***）进行精测；然后通过复合算法（利用粗测数据对连续变角度数字全息干涉或变波长数字全息干涉的搜峰步骤进行指导），进行两种方法测量结果的复合，获得最终的测量结果。

本发明在测量过程中对待物体各点单独测量，无需相位去包裹的步骤，能够测量形状复杂的、有间断的物体的面型参数。本方法既克服了投影条纹测量精度低的缺点。又克服了连续变角度数字全息干涉或变波长数字全息干涉测量高度变化范围小的缺点。本方法利用投影条纹测量装置进行粗测，可使测量范围扩大；同时利用投影条纹测量结果来指导数字全息干涉测量的测量过程，可使最终测量精度高于仅使用投影条纹进行测量的结果。本方法和单独的多步变频率投影条纹测量、连续变角度数字全息干涉或变波长数字全息干涉相比，优点是可以同时达到测量精度高和测量高度变化范围大的要求。在机械测量方面，如果想获得一个高精度的测量数据，测量范围必然很小，如果想获得一个大的测量范围，测量精度就必然不会太高。而本发明利用两种方法综合测量，使得测量范围和测量精度都得到提高。

Claims (8)

1.一种数字全息干涉和变频率投影条纹复合测量***，其特征在于：该复合测量***包括数字全息干涉测量装置以及条纹产生光学装置，所述数字全息干涉测量装置为连续变角度数字全息干涉测量装置或变波长数字全息干涉测量装置，条纹产生光学装置与数字全息干涉测量装置的计算机相连，利用条纹产生光学装置、数字全息干涉测量装置的CCD摄像机以及所述计算机组成多步变频率投影条纹测量装置。

2.根据权利要求1所述一种数字全息干涉和变频率投影条纹复合测量***，其特征在于：所述条纹产生光学装置为投影仪。

3.根据权利要求1所述一种数字全息干涉和变频率投影条纹复合测量***，其特征在于：所述复合测量***还包括光开关，光开关设置于数字全息干涉测量装置的激光器与光纤分束器之间。

4.一种如权利要求1所述数字全息干涉和变频率投影条纹复合测量***的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）粗测量：利用多步变频率投影条纹测量装置对待测物体进行测量，得到待测物体的低精度的面型信息；

2）经过步骤1）后，利用连续变角度数字全息干涉测量装置或变波长数字全息干涉测量装置，得到待测物体的包裹相位值，将包裹相位值的余弦相加得到搜峰函数；

3）精测量：根据步骤1）所得面型信息对搜峰函数进行函数峰值搜索，获得待测物体的高精度的面型信息。

5.根据权利要求4所述一种数字全息干涉和变频率投影条纹复合测量***的测量方法，其特征在于：所述步骤3）的具体步骤为：a）根据步骤1）所得面型信息中对应于待测物体最高点的高度值，确定待测物体上点D₁的函数峰值搜索范围，然后计算在函数峰值搜索范围内点D₁的搜峰函数取得极大值时对应的自变量的值，分别计算自变量的值与步骤1）所得面型信息中对应于点D₁的高度的绝对误差，绝对误差最小时对应的自变量的值即为待测物体上点D₁的精确高度；b）对待测物体上每一点按照步骤a）获取对应的精确高度。

6.根据权利要求4所述一种数字全息干涉和变频率投影条纹复合测量***的测量方法，其特征在于：所述步骤3）的具体步骤为：a）根据步骤1）所得面型信息中对应于待测物体上点D₁的高度，确定点D₁的函数峰值搜索范围，然后在函数峰值搜索范围内对点D₁的搜峰函数进行函数峰值搜索，得待测物体上点D₁的精确高度；b）对待测物体上每一点按照步骤a）获取对应的精确高度。

7.根据权利要求6所述一种数字全息干涉和变频率投影条纹复合测量***的测量方法，其特征在于：所述函数峰值搜索范围为（H-x,H+x），其中x为搜峰阈值，x取值为搜峰函数的周期半宽，H表示步骤1）所得面型信息中对应于点D₁的高度。

8.根据权利要求4所述一种数字全息干涉和变频率投影条纹复合测量***的测量方法，其特征在于：所述搜峰函数表示为：

对于连续变角度数字全息干涉测量装置，搜峰函数如式（1）所示：

$S\left(h\right)=\left|\frac{1}{K_1}\underset{k=1}{\overset{K_1}{\mathrm{\Σ}}}\exp \right\{[\frac{2\mathrm{\π}(h-h\cos {\mathrm{\θ}}_k)}{\mathrm{\λ}}+\mathrm{\Φ}\left({\mathrm{\θ}}_k\right)-\mathrm{\Θ}\left({\mathrm{\θ}}_k\right)]\×i\left\}\right|---\left(1\right)$

式（1）中，S(h)为物体上某点多幅干涉图合成的相对强度，h为物体的高度，λ为激光器波长，θ_k为第k个变化的角度，Φ(θ_k)和Θ(θ_k)分别为第k个角度下对应的底板干涉图和物体干涉图，i表示复数单位，一共采用K₁个角度；

对于变波长数字全息干涉测量装置，搜峰函数如式（2）所示：

$S\left(h\right)=\left|\frac{1}{K_2}\underset{k=1}{\overset{K_2}{\mathrm{\Σ}}}\exp \right[\frac{4\mathrm{\πh}}{{\mathrm{\λ}}_k}-\mathrm{\Θ}\left(k\right)]\·i|---\left(2\right)$

式（2）中，S(h)为物体上某点多幅干涉图合成的相对强度，h为物体的高度，λ_k为激光器变化的第k个波长，Θ(k)为第k个波长下对应的物体干涉图，一共采用K₂个波长。

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