CN109632112A - 一种动态干涉仪同步移相干涉图的空间位置配准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态干涉仪同步移相干涉图的空间位置配准方法。该方法为：首先倾斜动态干涉仪中的参考镜，在同步移相干涉图中引入线性载频，采集载频同步移相干涉图，并分割为四个子干涉图；然后使用傅里叶滤波法解算每个子干涉图中的相位信息，并对其分别消倾斜，得到每个子干涉图所包含的待测相位信息；接着选取其中一个子干涉图包含的相位信息作为基准相位信息，采用快速相位相关配准法确定其他子干涉图包含的相位信息与基准相位信息的空间位置匹配误差；最后根据相位信息的空间位置匹配误差，确定子干涉图间的位置配准关系。本发明提高了动态干涉仪空间位置配准的自动化程度，空间位置配准的准确性和可靠性高，简单高效，适用范围广。

Description

一种动态干涉仪同步移相干涉图的空间位置配准方法

技术领域

本发明属于光干涉测量技术领域，特别是一种动态干涉仪同步移相干涉图的空间位置配准方法。

背景技术

动态干涉仪可以很大程度上抑制时变环境因素对测量结果的影响，可应用于光学加工现场的在线检测之中。动态干涉仪的特点是在同一时刻采集得到多幅同步移相干涉图。解算相位时，若干涉图位置失配，会引入相位误差。干涉图位置失配的原因主要有两点：1)多相机***在不同位置采集干涉图，导致干涉图位置失配；2)单相机***采集单帧图像，通过区域分割获取四幅相移干涉图，导致干涉图位置失配。为了保证相位复原精度，需要对干涉图的空间位置进行配准。

干涉图的空间位置配准方法分为人工空间位置配准和自动化空间位置配准两种：

人工空间位置配准法，是在待测面上加入特定的特征目标，该特征目标在各个分光路中所成的像存在于各个子干涉图中，将四幅子干涉图单独取出，人为识别目标像，对子干涉图中的像的位置坐标进行读取，由于这些坐标在待测面上对应的是同一点，利用这些坐标信息对子干涉图进行空间位置配准。人工空间位置配准方法不需进行算法上的考虑，但是对特征目标的成像质量要求较高，且对子干涉图中的目标识别包含人为因素，自动化程度不高。

自动化空间位置配准法中，有些方法依赖于图像灰度分布信息，所以可靠性受成像质量、随机噪声以及分光模块的分光比等因素的影响；有些方法以干涉图的边缘为特征，对干涉图进行位置配准，对干涉图的形状有特定要求，且干涉图边缘需成像清晰；有些方法只能应用于特定结构以及特定的测量场合，使得配准算法在实际使用有诸多限制；有些方法计算量大，配准效率不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精度高、可靠性强、适用范围广泛的动态干涉仪同步移相干涉图的空间位置配准方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种动态干涉仪同步移相干涉图的空间位置配准方法，包括以下步骤：

步骤1、倾斜动态干涉仪中的参考镜，在四个同步移相干涉图中同时引入线性载频，采集载频同步移相干涉图，并分割为四个子干涉图；

步骤2、采用傅里叶滤波法解算每个子干涉图中的相位信息并进行消倾斜，得到每个子干涉图所包含的待测相位信息；

步骤3、以其中一个子干涉图包含的相位信息作为基准相位信息，采用快速相位相关配准法，确定其他子干涉图包含的相位信息与基准相位信息的空间位置匹配误差；

步骤4、根据相位信息的空间位置匹配误差，确定子干涉图间的位置配准关系。

进一步地，步骤1所述的倾斜动态干涉仪中的参考镜，在四个同步移相干涉图中同时引入线性载频，采集载频同步移相干涉图，并分割为四个子干涉图，具体如下：

在动态干涉仪中，得到同步移相干涉图；倾斜参考镜，在四个同步移相干涉图中同时引入线性载频，使同步移相干涉图中背景光强的频谱和相位谱能够相互分离；采集载频移相干涉图，并对其进行分割，得到四个子干涉图I₀、I₁、I₂和I₃。

进一步地，步骤2中所述的采用傅里叶滤波法解算每个子干涉图中的相位信息并进行消倾斜，得到每个子干涉图所包含的待测相位信息，具体如下：

采用傅里叶滤波法对四个子干涉图I₀、I₁、I₂和I₃进行相位解算，并进行消倾斜，得到四个子干涉图所包含的待测相位信息和四个子干涉图对应同一待测面，和对应同一面形特征。

进一步地，步骤3所述的以其中一个子干涉图包含的相位信息作为基准相位信息，采用快速相位相关配准法，确定其他子干涉图包含的相位信息与基准相位信息的空间位置匹配误差，具体如下：

步骤3.1、选取子干涉图I₀的相位信息作为基准相位信息，将子干涉图I₁的相位信息与基准相位信息进行相关配准计算：

式中表示相位和间的配准系数，(x,y)表示相位信息的空间坐标，(x′,y′)表示相位信息的空间坐标，M×N表示参与配准计算的相位面的尺寸大小，X,Y表示中参与配准计算的坐标范围，X′,Y′表示中参与配准计算的坐标范围；

步骤3.2、当相位位置完全配准时，配准系数达到最小值，x，x′和y，y′的关系表示为：

x′＝x+u_n

y′＝y+v_n

其中u_n和v_n分别表示相位信息相较基准相位信息在x和y方向上的空间平移量；

步骤3.3、根据子干涉图间相位信息的空间平移量，使用快速匹配方法，得出全局最小配准系数，具体为：通过比较得到更小的配准系数来确定空间平移量u_n和v_n的变化趋势，当配准系数满足以下条件，空间平移量u_n和v_n变化为和直到寻找到区域最小值：

空间平移量u_n和以及v_n和的关系为：

式中，t为配准步长，待得到该步长下的最小配准系数时，即实现了粗略配准；

步骤3.4、以步骤3.3中配准步长下得到的配准位置为初始配准位置，减小配准步长，进行新一轮配准，直到寻找到所需精度范围内的最小配准系数，即确定相位和之间的空间位置匹配误差；

步骤3.5、按照步骤3.1～步骤3.4的方法，依次确定子干涉图I₂和I₃的相位信息和与基准相位的空间位置匹配误差。

进一步地，步骤4中所述的根据相位信息的空间位置匹配误差，确定子干涉图间的位置配准关系，具体如下：

根据相位信息的空间位置匹配误差，确定子干涉图间的位置配准关系，得到子干涉图I₁、I₂、I₃和基准干涉图I₀的空间位置配准误差分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)，然后根据配准误差修正失配误差。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)减少了人为操作步骤，消除了人为因素对空间配准造成的影响，提高了动态干涉仪空间配置配准的自动化程度；(2)降低了分光、图像灰度、干涉图形状因素、成像质量等因素对空间位置配准造成的影响，提高了位置配准的可靠性；(3)方法简单高效，不需要任何附加的辅助硬件，适用于绝大多数的动态干涉仪。

附图说明

图1是本发明一种动态干涉仪同步移相干涉图的空间位置配准方法的流程示意图。

图2是本发明中动态干涉仪采集的载频移相干涉图。

图3是本发明中子干涉图包含的相位解算结果及部分相位相关配准示意图。

图4是本发明中配准系数随待配准相位间空间平移量变化趋势示意图。

图5是本发明实施例中点光源异位动态斐索干涉仪采集得到的待配准的载频移相干涉图。

图6是本发明实施例中载频移相干涉图空间配准结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

动态干涉仪可以同时采集到具有一定相位差值的同步移相干涉图，从该组干涉图中可以恢复出待测相位分布从而确定被测元件的面形。动态干涉仪一般采集到四个移相干涉图I₁、I₂、I₃和I₄，移相步长为分别为π/2。采用四步移相算法可以解算得到待测相位信息。若子干涉图间存在空间位置配准误差，则在解算相位中引入失配误差，表示为：

其中为待测相位，(Δx_n,Δy_n)为第n(n＝0,1,2,3)个干涉图引入的x方向和y方向的空间位置失配量。

结合图1，本发明动态干涉仪同步移相干涉图的空间位置配准方法，对子干涉图中包含的相位信息进行快速相关位置配准，以实现空间移相子干涉图的空间位置配准，包括以下步骤：

步骤1、倾斜动态干涉仪中的参考镜，在四个同步移相干涉图中同时引入线性载频，采集载频同步移相干涉图，并分割载频移相干涉图中的各个子干涉图；

在动态干涉仪中，得到同步移相干涉图；倾斜参考境，给四个同步移相干涉图中同时引入线性载频，得到的载频移相干涉图如图2所示，并对其进行分割，得到四个子干涉图I₀、I₁、I₂和I₃。子干涉图的线性载频数应使得干涉图频谱图中的背景光强频谱和相位谱能够相互分离。

步骤2，采用傅里叶滤波法解算每个子干涉图中的相位信息，并对其消倾斜，得到每个子干涉图所包含的待测相位信息；

采用傅里叶滤波法对每个子干涉图进行相位解算，得到子干涉图中包含的待测相位信息和由于四个子干涉图对应的是同一待测面，所以解算得到的相位对应的是同一面形特征，以两个相位结果为例，和相位分布如图3所示。

步骤3，以其中一个子干涉图包含的相位信息作为基准相位信息，采用快速相位相关配准法，确定其他子干涉图包含的相位信息与基准相位信息的空间位置匹配误差，具体过程如下：

步骤3.1、选取子干涉图I₀的部分相位信息作为基准相位信息，将子干涉图I₁的相位信息与基准相位信息进行相关配准计算：

式中表示相位和间的配准系数，(x,y)表示相位信息的空间坐标，(x′,y′)表示相位信息的空间坐标，M×N表示参与配准计算的相位面的尺寸大小，X,Y表示中参与配准计算的坐标范围，X′,Y′表示中参与配准计算的坐标范围；

步骤3.2、当相位位置完全配准时，配准系数达到最小值，如图4所示；x，x′和y，y′的关系可以表示为：

x′＝x+u_n

y′＝y+v_n

其中u_n和v_n分别表示相位信息相较基准相位信息在x和y方向上的空间平移量；

步骤3.3、根据子干涉图间相位信息的空间平移量，使用快速匹配方法，得出全局最小配准系数，方法为：通过比较得到更小的配准系数来确定空间平移量u_n和v_n的变化趋势，当配准系数满足以下条件，空间平移量u_n和v_n变化为和直到寻找到区域最小值：

空间平移量u_n和以及v_n和的关系为：

式中，t为配准步长，待得到该步长下的最小配准系数时，即实现了粗略配准；

步骤3.4、以步骤3.3中配准步长下得到的配准位置为初始配准位置，减小配准步长，提高下一轮配准的配准精度，进行新一轮配准，直到寻找到所需精度范围内的最小配准系数，即可确定相位和之间的空间位置匹配误差；

步骤3.5、按照步骤3.1～步骤3.4的方法，依次确定子干涉图I₂和I₃的相位信息和与基准相位信息的空间位置匹配误差。

步骤4，根据相位信息的空间位置匹配误差，确定子干涉图间的位置配准关系，得到子干涉图I₁、I₂、I₃和基准干涉图I₀的空间位置配准误差分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)，然后根据配准误差修正失配误差。

实施例1

利用基于点光源异位空间移相的动态斐索干涉仪，实现了同步移相干涉图的空间位置配准，该干涉仪利用一个2×2的点光源阵列实现了空间移相，得到了同步移相干涉图。

步骤1，倾斜点光源异位式动态斐索干涉仪中的参考镜，在四个同步移相干涉图中同时引入线性载频，采集载频移相干涉图，分割载频移相干涉图中的各个子干涉图，依次编号为I₀、I₁、I₂、I₃，如图5所示。

步骤2，采用傅里叶滤波法解算每个子干涉图中的相位信息，并对其消倾斜，得到每个子干涉图所包含的待测相位信息，依次编号为如图5所示；

步骤3，以子干涉图I₀包含的相位信息作为基准相位信息，采用快速相位相关配准法，确定其他子干涉图包含的相位信息与基准相位的空间位置匹配误差，确定了相位相对基准相位的空间位置匹配误差分别为(-2,-3)、(2,6)、(1,5)；

步骤4，根据相位信息的空间位置匹配误差，确定子干涉图间的位置配准关系，得到子干涉图I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)和基准干涉图I₀(x,y)的空间位置配准误差分别为(-2,-3)、(2,6)、(1,5)，图6显示了空间配准结果，然后根据配准误差修正式(1)所示的失配误差。

综上所述，本发明动态干涉仪同步移相干涉图的空间位置配准方法，利用部分相位快速相关位置配准法对子干涉图中包含的相位信息进行空间位置配准误差计算，实现空间移相子干涉图的空间位置配准，提高了动态干涉图空间位置配准的自动化程度，消除了人为因素对空间位置配准造成的影响；降低了分光、图像灰度、干涉图形状因素、成像质量等因素对空间位置配准造成的影响，提高了位置配准的可靠性；该方法简单高效，不需要任何附加的辅助硬件，适用于绝大多数的动态干涉仪。

Claims (5)

1.一种动态干涉仪同步移相干涉图的空间位置配准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、倾斜动态干涉仪中的参考镜，在四个同步移相干涉图中同时引入线性载频，采集载频同步移相干涉图，并分割为四个子干涉图；

步骤2、采用傅里叶滤波法解算每个子干涉图中的相位信息并进行消倾斜，得到每个子干涉图所包含的待测相位信息；

步骤3、以其中一个子干涉图包含的相位信息作为基准相位信息，采用快速相位相关配准法，确定其他子干涉图包含的相位信息与基准相位信息的空间位置匹配误差；

步骤4、根据相位信息的空间位置匹配误差，确定子干涉图间的位置配准关系。

2.根据权利要求1所述的动态干涉仪同步移相干涉图的空间位置配准方法，其特征在于，步骤1所述的倾斜动态干涉仪中的参考镜，在四个同步移相干涉图中同时引入线性载频，采集载频同步移相干涉图，并分割为四个子干涉图，具体如下：

在动态干涉仪中，得到同步移相干涉图；倾斜参考镜，在四个同步移相干涉图中同时引入线性载频，使同步移相干涉图中背景光强的频谱和相位谱能够相互分离；采集载频移相干涉图，并对其进行分割，得到四个子干涉图I₀、I₁、I₂和I₃。

3.根据权利要求1所述的动态干涉仪同步移相干涉图的空间位置配准方法，其特征在于，步骤2中所述的采用傅里叶滤波法解算每个子干涉图中的相位信息并进行消倾斜，得到每个子干涉图所包含的待测相位信息，具体如下：

采用傅里叶滤波法对四个子干涉图I₀、I₁、I₂和I₃进行相位解算，并进行消倾斜，得到四个子干涉图所包含的待测相位信息和四个子干涉图对应同一待测面，和对应同一面形特征。

4.根据权利要求1所述的动态干涉仪同步移相干涉图的空间位置配准方法，其特征在于，步骤3所述的以其中一个子干涉图包含的相位信息作为基准相位信息，采用快速相位相关配准法，确定其他子干涉图包含的相位信息与基准相位信息的空间位置匹配误差，具体如下：

步骤3.1、选取子干涉图I₀的相位信息作为基准相位信息，将子干涉图I₁的相位信息与基准相位信息进行相关配准计算：

式中表示相位和间的配准系数，(x,y)表示相位信息的空间坐标，(x′,y′)表示相位信息的空间坐标，M×N表示参与配准计算的相位面的尺寸大小，X,Y表示中参与配准计算的坐标范围，X′,Y′表示中参与配准计算的坐标范围；

步骤3.2、当相位位置完全配准时，配准系数达到最小值，x，x′和y，y′的关系表示为：

x′＝x+u_n

y′＝y+v_n

其中u_n和v_n分别表示相位信息相较基准相位信息在x和y方向上的空间平移量；

步骤3.3、根据子干涉图间相位信息的空间平移量，使用快速匹配方法，得出全局最小配准系数，具体为：通过比较得到更小的配准系数来确定空间平移量u_n和v_n的变化趋势，当配准系数满足以下条件，空间平移量u_n和v_n变化为和直到寻找到区域最小值：

空间平移量u_n和以及v_n和的关系为：

式中，t为配准步长，待得到该步长下的最小配准系数时，即实现了粗略配准；

步骤3.4、以步骤3.3中配准步长下得到的配准位置为初始配准位置，减小配准步长，进行新一轮配准，直到寻找到所需精度范围内的最小配准系数，即确定相位和之间的空间位置匹配误差；

步骤3.5、按照步骤3.1～步骤3.4的方法，依次确定子干涉图I₂和I₃的相位信息和与基准相位的空间位置匹配误差。

5.根据权利要求1所述的动态干涉仪同步移相干涉图的空间位置配准方法，其特征在于，步骤4中所述的根据相位信息的空间位置匹配误差，确定子干涉图间的位置配准关系，具体如下：

根据相位信息的空间位置匹配误差，确定子干涉图间的位置配准关系，得到子干涉图I₁、I₂、I₃和基准干涉图I₀的空间位置配准误差分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)，然后根据配准误差修正失配误差。