CN104236452B - 基于特定相移量的单黑白ccd相移双波长干涉测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于特定相移量的单黑白CCD相移双波长干涉测量方法，包括步骤一：构造共路同轴双波长干涉系统，将波长为λ₁和λ₂的两个波长的激光入射到干涉系统中，调整使两个波长的激光沿完全相同的路径形成干涉图；二：调整单个黑白CCD同时采集两个波长干涉图的参数；三：采用单个黑白CCD采集两个波长同时产生的双波长相移干涉图；四：从采集到到的双波长相移干涉图中分离出消除了背景的两套单波长相移干涉信号图；五：对分离后的两套单波长相移干涉信号图进行归一化处理；六：计算波长λ1、λ2下的单波长包裹相位图，七：计算波长为λ1和λ2的合成波长相位，从而获得待测物体的表面三维形貌信息。该方法简单易行。

Description

基于特定相移量的单黑白CCD相移双波长干涉测量方法

技术领域

本发明涉及光学干涉测量以及数字全息测量领域，具体是基于特定相移量的单黑白CCD相移双波长干涉测量方法。

背景技术

双波长干涉测量是一种光学干涉测量技术，其方法是用两个不同波长的光源记录同一物体的干涉图，在测量出该物体在两个单波长下的包裹相位后，再结合双波长位相解包裹技术得到合成波长相位信息，从而真实地反应出物体的三维形貌。双波长干涉测量技术弥补了单波长干涉测量术相邻点之间相位跳变大于测量波长一半时不能得到正确结果的缺点，在一定程度上扩大了单波长全息干涉测量的量程，其位相解包裹方法也方便快捷。双波长干涉测量技术不仅具有单波长干涉测量中对被测物体非接触、无损伤、高分辨率、高精度等优点，还能够准确地对表面本身有间断、梯度变化较大(大于记录光波的波长)的物体，如台阶、缺陷孔、面形误差等物体进行测量，在微电路检测、生物细胞检测、透明介质折射率及厚度测量、自动加工、工业检测、产品质量控制等领域具有重要意义及广阔的应用前景。

在采用单个CCD进行干涉图记录的双波长全息干涉测量技术中，根据两个单波长包裹相位测量技术的不同，可以分为五种方法，即：单波长两次相移测量方法、空域傅里叶变换测量方法、数字全息测量方法、时域傅里叶变换测量方法和基于彩色CCD的同时相移测量方法。其中，前四种方法都是采用单个黑白CCD进行干涉图记录的。单波长两次相移测量方法是每次只用一个波长的光波，通过用相移干涉方法分两次测量出的两个波长光波的包裹相位，之后两个包裹相位相减得到双波长合成相位。单波长相移测量法虽然测量精度比较高，但是实验过程中要分别对不同波长下的干涉全息图依次进行两次记录，不仅实验过程比较繁琐和耗时，而且容易受到相移器性能、机械振动、空气扰动等环境干扰因素的影响，给实际测量带来误差。空域傅里叶变换测量方法是拍摄一幅两个波长的参考光沿相同或不同方向倾斜的数字全息图，通过空域傅里叶变换分离出两个波长的频谱信息，再经过逆傅里叶变换分别获得两个波长的包裹相位。空域傅里叶变换测量方法虽然只需采集一幅数字全息图，可以方便进行实时动态测量，但因采用离轴全息术，不能充分利用CCD的空间带宽积，同时恢复相位时均需要使用空域傅里叶变换对全息图进行操作，当空间载频过高或者物体条纹比较复杂时，很容易出现频谱混叠，造成高频信息的丢失，同时滤波窗口的选择和噪声对结果也会产生较大的影响。数字全息测量法主要是通过从单波长离轴全息图再现像的复振幅中依次提取单波长包裹相位，再相减后得到合成波长的相位分布，该类方法的优缺点与空域傅里叶变换测量方法及其相似，另外，这类方法的再现过程相对而言比较复杂。时域傅里叶变换测量方法通过参考反射镜匀速运动产生相移，通过对等时间间隔采集的双波长干涉条纹图逐像素进行时域傅里叶变换分离两个波长的包裹相位，继而得到合成波长相位。时域傅里叶变换测量法能够在一定程度上简化了光路系统，但是这种方法需要采集大量的双波长相移干涉条纹图才能满足奈奎斯特采样定理，实现频谱分离，但是为了保证频谱分离和高测量精度，参考镜的移动距离必须足够大，所采集的干涉图必须足够多。当选取的两个光源的波长差比较小时，需要的干涉图数量会更多。基于彩色CCD的同时相移双波长干涉测量方法利用彩色CCD采集不同波长的相移干涉图，不同颜色敏感像素的干涉图组成不同波长的单波长干涉图，通过相移算法分别计算出单波长包裹相位，继而计算出合成波长和物体高度。但是这种方法存在两方面的问题，一是要采用接近红、绿、兰三种颜色波长的光源，当光源的波长偏离三原色、或两个光源的波长差别不大时，难以保证正确地分离出单波长干涉图；二是由于不同波长的干涉图并不是完全对准的，在物体跳变的边缘处会带来一定的误差。

因此，设计一种光路系统简捷、干涉图采集操作过程简便、所需相移干涉图较少即可得到两个波长下的相位信息的双波长全息干涉测量技术，对于降低测量系统的复杂性、减少测量和计算时间、提高测量精度、加快测量速度是非常有意义的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于特殊相移量的单黑白CCD相移双波长干涉测量方法，该方法测量简单，能够大大减少测量时间和计算时间。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现的：一种基于特殊相移量的单黑白CCD相移双波长干涉测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：构造共路同轴双波长干涉系统，该干涉系统内设置了待测物体，将波长为λ₁和λ₂的两个波长的激光入射到干涉系统中，调整使两个波长的激光沿完全相同的路径形成干涉图；

步骤二：调整单个黑白CCD同时采集两个波长干涉图的参数；

步骤三：采用单个黑白CCD采集两个波长同时产生的双波长相移干涉图，需要采集2N+1幅双波长相移干涉图，其中N为自然数；

步骤四：从采集到的2N+1幅双波长相移干涉图中分离出消除了背景的两套单波长相移干涉信号图，分别为波长为λ1的单波长相移干涉信号图和波长为λ2的单波长相移干涉信号图；

步骤五：对分离后的两套单波长相移干涉信号图进行归一化处理；

步骤六：计算波长λ1、λ2下的单波长包裹相位图Φ_λ1和Φ_λ2；

步骤七：计算波长为λ1和λ2的合成波长相位，具体为将步骤六所得到波长λ₁和λ₂的单波长包裹相位图Φ_λ1与Φ_λ2相减，得到合成波长(Λ＝λ₁λ₂/|λ₁-λ₂|)下的相位图Φ_Λ，从而获得待测物体的表面三维形貌信息。

本发明中，所述步骤二中调整单个黑白CCD的具体方法为：通过两个衰减器ND1和ND2分别调整两个波长入射激光的强度，使两个波长的入射激光被同一黑白CCD采集的灰度值相同，且在两个波长同时照明时，所采集的干涉图不出现饱和现象。

本发明中，所述步骤三中采集2N+1幅双波长相移干涉图是采用N步相移算法来实现的，所述N步相移算法的具体过程如下：

设照明波长为λ₁和λ₂，且λ₁<λ₂，将两个波长的干涉图同时照射到同一个黑白CCD上，通过PZT相移器的单调变化产生相移，每相移一步采集一幅干涉图，共需进行2N+1步相移，所采集的2N+1幅双波长相移干涉图由公式(1)表达为：

其中i＝0，1，2…2N+1，第i+1幅干涉图与第一幅干涉图之间的光程变化Δ_i满足公式(2)的要求：

对应于波长λ₁的相移量δ_1,i为

对应于波长λ₂的相移量δ_2,i为

公式(2)、(3)、(4)中的p为非零正整数，其值根据波长λ₁与λ₂的比值及相移步长的要求选取。

特别是在采用两步相移算法时，只需要进行5步相移，采集5幅双波长相移干涉图。

本发明中，所述步骤四中从采集到到的2N+1幅双波长相移干涉图中分离出消除了背景的两套单波长相移干涉信号图的具体过程如下：

将第1幅双波长相移干涉图与第i幅依次相减，得到2N幅消除了背景的双波长相移干涉信号图，如公式(5)所示：

其中j＝1，2…2N，N为自然数，按照公式(2)、(3)、(4)特定相移量，公式(5)中序列号为偶数的信号图构成波长λ₁的单波长相移干涉信号图，序列号为奇数的信号图构成波长λ₂的单波长相移干涉信号图，分别用公式(6)和公式(7)表示，

分离出的波长λ₁的单波长相移干涉信号图：

分离出的波长λ₂的单波长相移干涉信号图：

其中，公式(6)、(7)中，k＝1，2，…N，N为自然数。

本发明中，所述步骤五中对分离后的两套单波长相移干涉信号图进行归一化处理的具体过程如下：

对公式(6)和(7)进行归一化运算，使其幅度变为不随相移量变化的常数，归一化的单波长相移干涉信号图为：

和

其中， 符号||·||表示对干涉图的求模运算。

本发明中，所述步骤六中计算波长λ1、λ2下的单波长包裹相位Φ_λ1和Φ_λ2的具体过程如下：

从步骤五得到的、由公式(8)和(9)表示的单波长相移干涉信号图中分别计算出两个波长λ₁、λ₂下的单波长包裹相位Φ_λ1和Φ_λ2。

本发明用一个黑白CCD同时采集两个波长的干涉图，从这些相移干涉图中可以快速地分离出对应于两个波长下消除了背景的两套单波长干涉信号图，用相移算法分别计算出两个单波长包裹相位信息后，即可结合双波长位相解包裹技术得到合成波长的相位信息，继而计算出待测量物体的高度。

与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：

(1)本发明提出了一种用单个黑白CCD同时记录两个不同波长的干涉条纹图，不必两个波长分别进行相移，仅需同时对两个波长的干涉条纹图进行一次相移，就可以实现双波长干涉测量的方法。测量系统简单，能够大大减少测量和计算时间。

(2)本发明利用特殊相移步长，可以方便地通过相减运算实现单波长相移干涉图的分离和干涉图背景的消除，要求相移干涉条纹图数量少。

(3)本发明特别是在采用两步相移算法时，只需采集五幅特定相移量的双波长同时相移干涉条纹图，通过简单的相减运算，就可以得到两步相移算法条件的两套单波长相移干涉图，从中方便地计算出单波长包裹相位和合成波长相位。

(4)本发明可以根据两个波长的比值和精度要求，灵活地进行单波长相移干涉图的相移量选择，当两个波长的波长差比较小，即合成波长比较大时，该方法的优势更为显著。

(5)本发明用归一化方法解决了所分离出的单波长相移干涉条纹图幅度随相移量变化的问题。

(6)本发明采用同轴相移干涉测量光路系统，使得采集干涉条纹图时更容易满足采样条件。提高空间带宽积，从而较大地提高系统的分辨率。同时，该发明方法降低了双波长相移干涉系统的复杂性和测量难度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1为采用马赫曾德干涉光路实现本发明方法的相移双波长同轴测量系统示意图；

图2为实现本发明方法的具体步骤流程图；

图3a至图3e为本发明方法实施例一中采集的5幅特定相移量双波长同时相移干涉条纹图，其中，图3a是对532nm和632.8nm相移量均为0的干涉图；图3b和图3d分别是对波长532nm相移量为2π和4π的干涉图；图3c和图3e分别是对波长632.8nm相移量为2π和4π的干涉图；

图4a至图4d为本发明方法实施例一中通过图3a中的干涉图依次与其他干涉图相减分离出的归一化单波长相移干涉信号纹图，其中，图4a和图4b是通过图3a依次与图3c和图3e相减并归一化后得到的对于波长532nm的两幅相移干涉信号纹图；图4c和图4d是通过图3a依次与图3b、图3d相减并归一化后得到的对于波长632.8nm的两幅相移干涉信号纹图；

图5a和图5b为本发明方法实施例一中通过两步相移算法得到的两幅单波长包裹相位图，其中，图5a为用图4a和图4b计算出的532nm波长下的包裹相位Φ₅₃₂；图5b为用图4c和图4d计算出的632.8nm波长下的包裹相位Φ_632.8；

图6a为本发明方法实施例一中通过双波长位相解包裹从图5a和图5b中得到的合成波长相位ΦΛ的灰度分布图；图6b为对应合成波长相位Φ_Λ的三维图；

图7为本发明方法实施例二中螺旋相位板的三维形貌图；

图8a至图8e为本发明方法实施例二中的五幅特定相移量下的仿真相移双波长干涉条纹图，其中，图8a中的相移量在波长532nm、633nm下均为0；图8b和图8d在单波长532nm波长下的相移量分别为2π和4π；图8c和图8e在单波长633nm波长下的相移量分别为2π和4π；

图9a至图9d为本发明方法实施例二中所分离出的两套单波长相移干涉信号图，其中，图9a和图9b是图8a依次与图8c、图8e相减并归一化后得到的波长532nm下的两幅单波长相移干涉信号图；图9c和图9d是图8a依次与图8b、图8d相减并归一化后得到的波长633nm下的两幅单波长相移干涉信号图；

图10a至图10b为本发明方法实施例二中通过两步相移算法得到的两个单波长下的包裹相位图，其中，图10a用图9a和图9b计算出的532nm波长下的包裹相位Φ₅₃₂；图10b为用图9c和图9d计算出的633nm波长下的包裹相位Φ₆₃₃；

图11a至图11b为本发明方法实施例二中从图10a和图10b中得到的螺旋相位板的高度分布，其中，图11a为螺旋相位板的高度分布对应的灰度图；图11b为螺旋相位板的高度分布的三维图；

图12为本发明方法测量出的螺旋相位板高度分布与预设的螺旋相位板高度分布的截面对比图；图中虚线为由本发明方法所测量出的螺旋相位板高度分布的一个截面分布，实线为与测量结果相同截面位置预设螺旋相位板的高度分布。

具体实施方式

本发明中的共路同轴双波长干涉系统可以采用现有的干涉光路系统，也可以采用图1所示的改进马赫曾德干涉光路结构实施。为了使光路更容易满足单个黑白CCD的采样条件，提高系统的分辨率，将图1中的光路调整为双波长同时相移的同轴共路干涉光路，此光路系统能够用于透射型物体的三维形貌测量(反射式样品，可以采用迈克尔逊干涉光路结构的系统来测量)。如图1所示，将波长为532nm和632.8nm的两束线偏振激光完全重合地同时入射到干涉系统中，ND1和ND2用于调整两个波长激光的强度，分光棱镜BS1将两个波长的入射光束分为检测光束和参考光束。检测光为经过分光棱镜BS1后向反射镜M1传输的光束，检测光经反射镜M1反射、物体S调制后，再经过成像物镜IL在CCD表面成像形成物光，成像物镜IL可以根据物体的大小调整放大倍率。参考光为经过分光棱镜BS1后向偏振分光棱镜PBS传输的光束，参考光经偏振分光棱镜PBS反射后入射到带压电陶瓷微位移器(PZT)的反射镜M2上，经M2反射，再经扩束准直系统(BE)形成平行参考光，参考光路中的四分之一波片(λ/4)和二分之一波片(λ/2)用于调整参考光的偏振面。两个波长的物光与参考光经过分光棱镜BS2后叠加，在同一个黑白CCD表面(768×576像素，像元大小10μm×10μm)上形成共路同轴双波长干涉条纹图。相移通过计算机控制与反射镜M2连为一体的压电陶瓷微位移器(PZT)产生特定的位移量来实现。

该发明方法的理论依据如下：可以证明，一幅双波长同时干涉条纹图的光强实际上是两个单波长干涉图光强的非相干叠加。因此要从双波长同时相移干涉条纹图中提取出单波长下的干涉信号和相位，可以利用三角函数的周期性，通过在特殊相移量情况下相移滤波方法来实现。整个方法包括单波长干涉信号的分离和单波长包裹相位提取两个过程。首先通过相减运算从双波长同时相移干涉条纹图中分离出两个单波长干涉信号图，而且在单波长干涉信号图中的干涉图背景在相减的过程中得到了很好的消除；第二步是通过相移算法提取出单波长下的包裹相位信息；然后再结合双波长位相解包裹得到最终的合成双波长相位信息。具体分析如下。

在一幅双波长同时相移干涉条纹图中，任意单个像素点的光强值可以表示为：

其中：i代表相移干涉图的次序；x、y代表像素点的位置，为简明起见后面省略不写；A为两个波长共同产生的干涉背景项；B₁,B₂分别代表不同波长下的调制度，由于实际情况下难以保证两个激光器的光强完全匹配，一般二者不相等；和分别表示物体在波长λ₁，λ₂下的相位值；Δ_i表示PZT相移器进行单调位移时在空气中产生的距离变化；δ_1i,δ_2i分别表示相移器在波长λ₁，λ₂下的产生的相移量，他们之间的关系是δ_1,i·λ₁＝δ_2,i·λ₂,δ_1,0＝δ_2,0＝0。

在本发明的方法中，为了从双波长相移干涉图中分离出单波长干涉信号，并用N步相移算法提取出单波长包裹相位图，需要采集具有特殊相移量的2N+1幅双波长相移干涉图，即i＝0，1，2…2N+1。而第i+1幅干涉图与第一幅干涉图之间的光程变化Δ_i需要满足公式(2)的要求：

对应于波长λ₁的特定相移量δ_1,i为

对应于波长λ₂的特定相移量δ_2,i为

公式(2)、(3)、(4)中的p为非零正整数，其值根据波长λ₁与λ₂的比值及相移步长的要求选取。

从采集到的2N+1幅双波长相移干涉图中可分离出消除了背景的两套单波长相移干涉信号图。将第1幅双波长相移干涉图与第i幅依次相减，得到如公式(5)所示的2N幅消除了背景的双波长相移干涉信号图：

其中j＝1，2…2N。按照公式(2)、(3)、(4)特定相移量，公式(5)中序列号为偶数的信号图构成波长λ₁的单波长相移干涉信号图，序列号为奇数的信号图构成波长λ₂的单波长相移干涉信号图，分别用公式(6)和公式(7)表示。

分离出的波长λ₁的单波长相移干涉信号图：

分离出的波长λ₂的单波长相移干涉信号图：

公式(6)、(7)中，k＝1，2，…N。

公式(6)、(7)中的幅度是随相移量变化的，为了满足相移算法的要求，需要对单波长相移干涉信号图进行归一化处理，使其幅度变为不随相移量变化的常数。归一化的单波长相移干涉信号图为：

和

其中 分别为两个单波长干涉信号图的归一化幅度，当干涉条纹图中的条纹数大于一条时，二者均为不随相移量变化的常数。符号||·||表示对干涉图的求模运算。

单波长包裹相位图计算。采用两步相移算法或者多步相移算法(多步相移算法指的是三步以上的相移算法)，可以分别从公式(8)和(9)表示的单波长相移干涉信号图中分别计算出波长λ₁、λ₂下的单波长包裹相位Φ_λ1和Φ_λ2。

特别是在采用两步相移算法时，直接由公式(8)和公式(9)就可以进行计算，不需要进行消除背景的滤波处理。

合成波长相位的计算。将所得到波长λ₁和λ₂的单波长包裹相位Φ_λ1与Φ_λ2相减，得到合成波长(Λ＝λ₁λ₂/|λ₁-λ₂|)下的相位图Φ_Λ，进而计算出被测物体表面三维形貌信息。

图2是实施本发明方法的具体实施步骤流程图。

实施例一：

在实施例一中，采用图1所示的测量光路系统和图2所示的实施步骤流程进行实验测量。实施中以成像物镜IL形成的球面波作为物光，成像物镜IL为放大倍率为25倍、数值孔径NA＝0.40的显微物镜。测量中采用的是波长532nm和632.8nm两束激光，公式(2)、(3)、(4)中的p＝1。实施中采用两步相移算法计算单波长包裹相位，因此采集了五幅的同时相移双波长干涉条纹图。图3是采集到的五幅含特定相移量的同时相移双波长干涉条纹图，从左到右，它们对于532nm波长激光的相移量分别为δ_1,i＝0、2π、2.38π、4π、4.76π，而对于632.8nm波长激光的相移量分别为δ_2,i＝0、1.68π、2π、3.36π、4π。即：图3a在532nm和632.8nm两个波长下的相移量均为0，图3b和图3d中包含了在532nm波长下相对于图3a的相移量分别为2π和4π的干涉信号，同时也包含了在632.8nm波长下相对于图3a的相移量分别为1.68π和3.36π的干涉信号；图3c和图3e中包含了在632.8nm波长下相对于图3a的相移量分别为2π和4π的干涉信号，同时也包含了在532nm波长下相对于图3a的相移量分别为2.38π和4.76π的干涉信号。图4为通过相移滤波得到的两套每个单波长下各两幅单波长相移干涉信号图，其中图4a和图4b分别为用图3a分别与图3c和图3e相减并经过归一化运算后，所得到的滤掉了632.8nm波长下干涉信号和背景，只含532nm波长干涉信号的两幅单波长相移干涉信号图；同理，图4c和图4d是通过图3a分别于图3b和图3d相减并归一化后，得到滤掉了532nm波长下干涉信号和背景，只含632.8nm波长干涉信息的两幅单波长相移干涉信号图。图5是通过两步相移算法分别得到的532nm和632.8nm波长下的包裹相位图。其中，图5a是532nm波长下的包裹相位图，系用图4a和图4b通过两步相移算法计算所得；同理，用图4c和图4d经过两步相移算法计算得到图5b中632.8nm波长下的包裹相位图。图6是通过图5a与图5b相减得到的两个波长的合成波长相位图，其中图6a为合成波长相位的灰度表示图，图6b为合成波长相位的三维图。

通过所述的实施例一可以看出，本发明方法可以利用特定相移量下的5幅双波长同时相移干涉条纹图，通过相移滤波以及两步相位解调方法从双波长相移干涉条纹图中分别提取两个单波长相位信息，得到合成波长相位信息。

实施例二

为了进一步论证本发明方法的实用性，本实施例二模拟仿真了一个本发明方法用于螺旋相位板三维形貌测量的实验。图7即为本模拟实验要测量的螺旋相位板的高度分布，其中高度跃变部分的高度差为534nm。

图8a至图8e为模拟得到的含螺旋相位板调制信息的五幅特定相移量下的双波长同时相移干涉条纹图，其中图8a在532nm和633nm两个波长下的相移量均为0，图8b和图8d表示在532nm波长下相对于图8a的相移量分别为2π和4π。图8c和图8e表示在633nm波长下相对于图8a的相移量分别为2π和4π。图9为相移滤波后得到的四幅差分干涉图，其中通过图8a分别于图8c和图8e相减，并通过归一化操作，即可得到滤掉了633nm波长下干涉信息的只含532nm波长干涉信息的两幅相移差分干涉条纹图：图9a和图9b。同理，通过图8a分别于图8b和图8d相减，并通过归一化操作，即可得到滤掉了532nm波长下干涉信息的只含633nm波长干涉信息的两幅相移差分干涉条纹图：图9c和图9d。图10是通过两步相位解调算法得到的532nm和633nm波长下的包裹相位信息。其中，通过对图9a和图9b这两幅差分干涉图进行相位解调即可得到图10a。同理，通过对图9c和图9d这两幅差分干涉图进行相位解调即可得到图10b。图11是通过对图10a和图10b进行双波长位相解包裹得到的物体的合成波长下的相位信息后转换成的待测物体的高度信息。图11a为本发明方法测量得到的螺旋相位板的高度信息的二维分布图。图11b为本发明方法测量得到的螺旋相位板的高度信息的三维分布图，能够真实地反应出物体的三维形貌。为了更进一步说明本发明方法的准确性，我们取出了测量得到的螺旋相位板中的高度信息以及模拟预设的螺旋相位板的高度信息中的同一个截面进行对比，如图12所示。其中实现表示模拟预设螺旋相位板的截面高度信息，虚线表示本发明方法测量得到的螺旋相位板的同一截面高度信息。从图12中可以看出，虽然本发明方法在测量过程中存在一定的噪声，但是本发明方法测得的高度信息和模拟预设的待测高度信息能够很好地保持一致。

在以上实施例中，很好地验证了本发明方法所阐述的利用五幅特定相移量的双波长同时相移干涉条纹图，通过相移滤波的方法滤掉一个波长的信息，再结合两步相位解调算法依次提取单波长下的包裹相位信息、进而得到合成波长相位信息的可行性，从而实现对台阶、裂缝等跳变比较大的物体的三维形貌的准确测量，测量系统简单、测量量程大、精度高、测量实时高效快捷。

本发明不局限与上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，如也可以采样基于迈克尔逊干涉仪的双波长相移同轴干涉测量系统或者其他的干涉测量系统，均落在本发明的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种基于特定相移量的单黑白CCD相移双波长干涉测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：构造共路同轴双波长干涉系统，该干涉系统内设置了待测物体，将波长为λ₁和λ₂的两个波长的激光入射到干涉系统中，调整使两个波长的激光沿完全相同的路径形成干涉图；

步骤二：调整单个黑白CCD同时采集两个波长干涉图的参数，调整单个黑白CCD的具体方法为：通过两个衰减器分别调整两个波长入射激光的强度，使两个波长的入射激光被同一黑白CCD采集的灰度值相同，且在两个波长同时照明时，所采集的干涉图不出现饱和现象；

步骤三：采用单个黑白CCD采集两个波长同时产生的双波长相移干涉图，需要采集2N+1幅双波长相移干涉图，其中N为自然数，采集2N+1幅双波长相移干涉图是采用N步相移算法来实现的，所述N步相移算法的具体过程如下：

设照明波长为λ₁和λ₂，且λ₁<λ₂，将两个波长的干涉图同时照射到同一个黑白CCD上，通过PZT相移器的单调变化产生相移，每相移一步采集一幅干涉图，共需进行2N+1步相移，所采集的2N+1幅双波长相移干涉图由公式(1)表达为：

其中i＝0，1，2…2N+1，A为两个波长共同产生的干涉背景项，B₁,B₂分别代表波长λ₁，λ₂下的调制度，和分别表示物体在波长λ₁，λ₂下的相位值，第i+1幅干涉图与第一幅干涉图之间的光程变化Δ_i满足公式(2)的要求：

对应于波长λ₁的相移量δ_1,i为

对应于波长λ₂的相移量δ_2,i为

公式(2)、(3)、(4)中的p为非零正整数，其值根据波长λ₁与λ₂的比值及相移步长的要求选取；

步骤四：从采集到的2N+1幅双波长相移干涉图中分离出消除了背景的两套单波长相移干涉信号图，分别为波长为λ1的单波长相移干涉信号图和波长为λ2的单波长相移干涉信号图；

步骤五：对分离后的两套单波长相移干涉信号图进行归一化处理；

步骤六：计算波长λ1、λ2下的单波长包裹相位Φ_λ1和Φ_λ2；

步骤七：计算波长为λ1和λ2的合成波长相位，具体为将步骤六所得到波长λ₁和λ₂的单波长包裹相位图Φ_λ1与Φ_λ2相减，得到合成波长(Λ＝λ₁λ₂/|λ₁-λ₂|)下的相位图Φ_Λ，从而获得待测物体的表面三维形貌信息。

2.根据权利要求1所述的基于特定相移量的单黑白CCD相移双波长干涉测量方法，其特征在于：所述步骤四中从采集到到的2N+1幅双波长相移干涉图中分离出消除了背景的两套单波长相移干涉信号图的具体过程如下：

将第1幅双波长相移干涉图与第j幅依次相减，得到2N幅消除了背景的双波长相移干涉信号图，如公式(5)所示：

其中j＝1，2…2N，N为自然数，δ_{1, j},δ_{2, j}分别表示相移器在波长λ₁，λ₂下产生的相移量，B₁,B₂分别代表波长λ₁，λ₂下的调制度，和分别表示物体在波长λ₁，λ₂下的相位值，按照公式(2)、(3)、(4)特定相移量，公式(5)中序列号为偶数的信号图构成波长λ₁的单波长相移干涉信号图，序列号为奇数的信号图构成波长λ₂的单波长相移干涉信号图，分别用公式(6)和公式(7)表示，

分离出的波长λ₁的单波长相移干涉信号图：

分离出的波长λ₂的单波长相移干涉信号图：

其中，公式(6)、(7)中，k＝1，2，…N，N为自然数，p为非零正整数。

3.根据权利要求2所述的基于特定相移量的单黑白CCD相移双波长干涉测量方法，其特征在于：所述步骤五中对分离后的两套单波长相移干涉信号图进行归一化处理的具体过程如下：

对公式(6)和(7)进行归一化运算，使其幅度变为不随相移量变化的常数，归一化的单波长相移干涉信号图为：

和

其中

，，符号||·||表示对干

涉图的求模运算，B₁,B₂分别代表波长λ₁，λ₂下的调制度，和分别表示物体在波长λ₁，λ₂下的相位值。

4.根据权利要求3所述的基于特定相移量的单黑白CCD相移双波长干涉测量方法，其特征在于：所述步骤六中计算波长λ1、λ2下的单波长包裹相位图Φ_λ1和Φ_λ2的具体过程如下：

从步骤五得到的、由公式(8)和(9)表示的单波长相移干涉信号图中分别计算出两个波长λ₁、λ₂下的单波长包裹相位Φ_λ1和Φ_λ2。