CN108917641A - 基于激光器波数合成的样件内部轮廓检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光器波数合成的样件内部轮廓检测方法及系统。所述检测方法包括：获取多个可调谐单频激光器的波数；对多个所述波数在时间轴上依次进行线性调频，确定波数序列；根据所述波数序列确定时间序列干涉条纹图像信号；对所述时间序列干涉条纹图像信号沿时间轴进行希尔伯特变换，构造解析信号；利用傅里叶变换对所述解析信号进行相位补偿，确定补偿后的解析信号；根据所述补偿后的解析信号确定所述被测样件内部的各个界面层的轮廓。采用本发明所提供的检测方法及系统能够提高轴向分辨率以及计算效率。

Description

基于激光器波数合成的样件内部轮廓检测方法及系统

技术领域

本发明涉及激光波数调频干涉领域，特别是涉及一种基于激光器波数合成的样件内部轮廓检测方法及系统。

背景技术

样件的三维轮廓特征是样件重要特征之一。通过高精度检测样件的三维轮廓分布，可以实现对样件缺陷、模具三维特征检测等相关操作。随着工业的发展，现今对轮廓测量提出了以下两点要求：1)高精度，即测量精度应达到微纳米级别；2)透视性，即不仅可对样件表面进行测量，更能对样件内部结构进行测量。近几年来，人们提出了激光波数扫频干涉检测技术，它可以将被测样件内部各个界面层的轮廓结构编码为干涉频谱，通过求解干涉频谱的相位，从而重构出轮廓。由于该技术是以光的波长作为计量单位，同时建立了被测样件内部各个界面层轮廓与干涉频谱相位之间的一一映射关系，它可同时满足上述两点测量要求，具有广阔的应用前景。

目前，制约着激光波数扫频干涉检测技术应用的瓶颈问题是：轴向分辨率不高。该问题的产生主要是激光器波数扫频范围有限。当被测材料内部两界面层在深度方向上的位置较为接近时，干涉频谱将会发生严重的频谱混叠现象，导致无法分离该两界面层的干涉频谱。如何能在激光扫频范围有限条件下大幅度提升轴向分辨率，是目前激光波数扫频干涉检测技术迫切需要解决的技术问题之一。

通常情况下，采用盲分离信息处理技术解决轴向分辨率过低的问题。但是盲分离技术中的数学最优化是基于非线性最小二乘法计算得到的，因此，需要较为准确的数值迭代初始值，算法才能收敛；而在盲分离技术方案应用中，需要事先获取准确的被测材料结构先验知识，这在实际中往往较难实现，因此，现有的盲分离信息处理技术不能很好的解决轴向分辨率过低的问题；此外，这种数值迭代的方式计算效率极低。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光器波数合成的样件内部轮廓检测方法及系统，以解决现有技术中样件内部轮廓轴向分辨率过低以及计算效率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于激光器波数合成的样件内部轮廓检测方法，包括：

获取多个可调谐单频激光器的波数；多个所述可调谐单频激光器扫描被测样件内部；

对多个所述波数在时间轴上依次进行线性调频，确定波数序列；所述波数序列分别照射到反射镜和所述被测样件内部的各个界面层；

根据所述波数序列确定时间序列干涉条纹图像信号；

对所述时间序列干涉条纹图像信号沿时间轴进行希尔伯特变换，构造解析信号；

利用傅里叶变换对所述解析信号进行相位补偿，确定补偿后的解析信号；

根据所述补偿后的解析信号确定所述被测样件内部的各个界面层的轮廓。

可选的，所述对多个所述波数在时间轴上依次进行线性调频，确定波数序列，具体包括：

根据公式对多个所述波数在时间轴上依次进行线性调频，确定波数序列；

其中，t为时间轴；k_l为可调谐单频激光器l的波数，l＝1,2,…,L；k₀为可调谐单频激光器1的起始波数；Δk_l为可调谐单频激光器l的波数调频范围；Dk_l为可调谐单频激光器l与可调谐单频激光器l-1之间的波数间隔；区间[t_2l-1,t_2l]为可调谐单频激光器l调频的时间范围。

可选的，所述根据所述波数序列确定时间序列干涉条纹图像信号，具体包括：

将所述波数序列分别照射到反射镜和所述被测样件内部的各个界面层上；

获取所述反射镜反射的第一光强以及所述各个界面层反射的第二光强；

根据所述第一光强以及所述第二光强确定时间序列干涉条纹图像信号。

可选的，所述对所述时间序列干涉条纹图像信号沿时间轴进行希尔伯特变换，构造解析信号之前，还包括：

对所述时间序列干涉条纹图像信号进行滤波处理，滤除所述时间序列干涉条纹图像信号的直流分量以及低频分量。

可选的，所述对所述时间序列干涉条纹图像信号沿时间轴进行希尔伯特变换，构造解析信号，具体包括：

根据公式对所述时间序列干涉条纹图像信号沿时间轴进行希尔伯特变换，构造解析信号；

其中，(x,y)为空间坐标点；I为反射光强；p为所述被测样件内部的第p个界面层；q为所述被测样件内部的第q个界面层；R为反射镜；Λ为光程差；f_Rp(x,y)＝Λ_Rp(x,y)/π，f_Rp(x,y)为干涉频率； 为干涉相位。

可选的，所述利用傅里叶变换对所述解析信号进行相位补偿，确定补偿后的解析信号，具体包括：

根据公式

利用傅里叶变换对所述解析信号进行相位补偿，确定补偿后的解析信号；

其中，j为虚数单位；ξ_l对应第l个可调谐单频激光器与第l-1个可调谐单频激光器之间的相位补偿值，

可选的，所述根据所述补偿后的解析信号确定所述被测样件内部的各个界面层的轮廓，具体包括：

根据公式确定所述被测样件内部的各个界面层的轮廓；

其中，p＝1,2,…,M，符号“Im”表示对复数求虚部，“Re”表示对复数求实部；f_Rp为各个干涉峰值对应的傅里叶变换频率；ρ_Rp为折射率。

一种基于激光器波数合成的样件内部轮廓检测系统，包括：

波数获取模块，用于获取多个可调谐单频激光器的波数；多个所述可调谐单频激光器扫描被测样件内部；

波数序列确定模块，用于对多个所述波数在时间轴上依次进行线性调频，确定波数序列；所述波数序列分别照射到反射镜和所述被测样件内部的各个界面层；

时间序列干涉条纹图像信号确定模块，用于根据所述波数序列确定时间序列干涉条纹图像信号；

解析信号构造模块，用于对所述时间序列干涉条纹图像信号沿时间轴进行希尔伯特变换，构造解析信号；

相位补偿模块，用于利用傅里叶变换对所述解析信号进行相位补偿，确定补偿后的解析信号；

轮廓确定模块，用于根据所述补偿后的解析信号确定所述被测样件内部的各个界面层的轮廓。

可选的，所述波数序列确定模块具体包括：

波数序列确定单元，用于根据公式

对多个所述波数在时间轴上依次进行线性调频，确定波数序列；

其中，t为时间轴；k_l为可调谐单频激光器l的波数，l＝1,2,…,L；k₀为可调谐单频激光器1的起始波数；Δk_l为可调谐单频激光器l的波数调频范围；Dk_l为可调谐单频激光器l与可调谐单频激光器l-1之间的波数间隔；区间[t_2l-1,t_2l]为可调谐单频激光器l调频的时间范围。

可选的，所述时间序列干涉条纹图像信号确定模块具体包括：

照射单元，用于将所述波数序列分别照射到反射镜和所述被测样件内部的各个界面层上；

光强获取模块，用于获取所述反射镜反射的第一光强以及所述各个界面层反射的第二光强；

时间序列干涉条纹图像信号确定单元，用于根据所述第一光强以及所述第二光强确定时间序列干涉条纹图像信号。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种基于激光器波数合成的样件内部轮廓检测方法及系统，将多个可调谐单频激光器的波数序列合成一段较宽的波数输出，大幅度扩展激光的波数调频范围，从而提高了样件内部各个界面层的轮廓轴向分辨率的精度。

在此情况下，使用傅里叶变换计算的干涉频谱分辨率更高。本发明基于傅里叶变换对解析信号进行相位补偿，因此，不存在盲分离信息处理技术中的初始值问题，从而能够提高样件内部各个界面层的轮廓轴向分辨率的精度。

另外，傅里叶变换在计算机上可通过快速傅里叶变换实现，计算效率相比盲分离信息处理技术中的数值迭代优化得到显著提升，具备动态在线测量的应用前景，提高了计算效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的基于激光器波数合成的样件内部轮廓检测方法流程图；

图2为本发明所提供的可协调单频激光器1和可协调单频激光器2的波数序列图；

图3为本发明所提供的干涉条纹示意图；

图4为本发明所提供的干涉峰值图；

图5为本发明所提供的被测件内部一个界面层的轮廓场示意图；

图6为本发明所提供的被测件内部另一个界面层的轮廓场示意图；

图7为本发明所提供的基于激光器波数合成的样件内部轮廓检测系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于激光器波数合成的样件内部轮廓检测方法及系统，能够提高轮廓轴向分辨率的精度及计算精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的基于激光器波数合成的样件内部轮廓检测方法流程图，如图1所示，一种基于激光器波数合成的样件内部轮廓检测方法，包括：

步骤101：获取多个可调谐单频激光器的波数；多个所述可调谐单频激光器扫描被测样件内部。

步骤102：对多个所述波数在时间轴上依次进行线性调频，确定波数序列；所述波数序列分别照射到反射镜和所述被测样件内部的各个界面层。

设可调谐单频激光器1，可调谐单频激光器2，可调谐单频激光器3，…，可调谐单频激光器l的波数分别为k₁，k₂，…，k_L；它们在时间轴t上被依次线性调频如下：

式中，l＝1,2,…,L；k₀为可调谐单频激光器1的起始波数；Δk_l为可调谐单频激光器l的波数调频范围；Dk_l为可调谐单频激光器l与可调谐单频激光器l-1之间的波数间隔；区间[t_2l-1,t_2l]为可调谐单频激光器l调频的时间范围。

步骤103：根据所述波数序列确定时间序列干涉条纹图像信号。

波数序列k_l(t)分别照射到反射镜和被测材料内部的各个界面层上，反射镜反射的光强和被测材料内部各个界面层反射的光强相互叠加形成如图2所示的时间序列干涉条纹图像信号：

式中，第一项为时间序列干涉条纹图像的直流分量，第二项为时间序列干涉图像的低频分量，第三项为时间序列干涉图像的高频分量；由于第三项包含着被测材料内部各个界面层的轮廓场信息，其为待求解的信号；(x,y)为空间坐标点；I为反射光强，下标p,q,R分别为被测材料内部第p,q个界面层以及反射镜；Λ为光程差，即为待求解的轮廓场信息。

步骤104：对所述时间序列干涉条纹图像信号沿时间轴进行希尔伯特变换，构造解析信号。

滤除直流分量和低频分量后，对时间序列干涉条纹图像信号沿时间轴作希尔伯特变换，并构造解析信号如下：

式中，f_Rp(x,y)＝Λ_Rp(x,y)/π为干涉频率；为干涉相位。

步骤105：利用傅里叶变换对所述解析信号进行相位补偿，确定补偿后的解析信号。

当t∈[t_2l-1,t_2l]，l＝2,3,…,L时，解析信号s(x,y,t)的初始相位会因可调谐单频激光器之间的波数间隔产生相位偏置值：导致干涉频谱能量不集中，无法完成数据解调；为消除该相位偏置值从而实现波数序列k₁，k₂，…，k_L的合成，在傅里叶变换域中对解析信号作相位补偿如下：

上式中，j为虚数单位；ξ_l对应第l个可调谐单频激光器与第l-1个可调谐单频激光器之间的相位补偿值。

步骤106：根据所述补偿后的解析信号确定所述被测样件内部的各个界面层的轮廓。

被测材料内部各个界面层的轮廓信息被编码为频域上的各个干涉峰值，对干涉峰值处的频谱信息解码得到被测件内部各个界面层的轮廓信息：

上式中，符号“Im”表示对复数求虚部，“Re”表示对复数求实部；f_Rp为各个干涉峰值对应的傅里叶变换频率；ρ_Rp为折射率。

下面结合两个可调谐单频激光器构成的具体实施例说明本发明的技术方案。

1)如图2所示，可调谐单频激光器1、2的波数k₁、k₂在时间轴上被依次线性调频如下：

本实施例中，可调谐单频激光器1的起始波数为k₀＝7.30×10⁶m^-1，波数调频范围为Δk₁＝2.57×10³m^-1；可调谐单频激光器1、2之间的波数间隔为Dk₁＝9.88×10³m^-1；可调谐单频激光器2的波数调频范围为Δk₂＝4.54×10³m^-1；区间[t₁,t₂]离散化为1,2,…,456；区间[t₃,t₄]离散化为457,458,…,1257；

2)波数序列k_l(t)分别照射到反射镜和被测材料内部的各个界面层上(本实施例中，被测件内部的界面层为2个，M＝2；两个界面层相距148.19μm)，反射镜反射的光强和被测材料内部各个界面层反射的光强相互叠加形成如图2所示的时间序列干涉条纹图像信号：

式中，第一项为时间序列干涉条纹图像的直流分量，第二项为时间序列干涉图像的低频分量，第三项为时间序列干涉图像的高频分量；由于第三项包含着被测材料内部各个界面层的轮廓场信息，其为待求解的信号；(x,y)为空间坐标点；I为反射光强，下标p,q,R分别为被测材料内部第p,q个界面层以及反射镜；Λ为光程差，即为待求解的轮廓场信息；

3)滤除直流分量和低频分量后，对时间序列干涉条纹图像信号沿时间轴作希尔伯特变换，并构造解析信号如下：

式中，f_Rp(x,y)＝Λ_Rp(x,y)/π为干涉频率；为干涉相位；

4)当t∈[t₃,t₄]，l＝2,3,…,L时，解析信号s(x,y,t)的初始相位会因可调谐单频激光器之间的波数间隔产生相位偏置值：导致干涉频谱能量不集中，无法完成数据解调；为消除该相位偏置值从而实现波数序列k₁，k₂的合成，在傅里叶变换域中对解析信号作相位补偿如下：

ξ₁＝-2π·f·(Δk₁+Dk₁)；

上式中，j为虚数单位；ξ₁对应第2个可调谐单频激光器与第1个可调谐单频激光器之间的相位补偿值；

5)如图3所示，经步骤3)-4)后，被测材料内部2个界面层的轮廓信息被编码为频域上的2个干涉峰值；如图4所示，对干涉峰值处的频谱信息解码得到被测件内部2个界面层的轮廓信息：

图5为本发明所提供的被测件内部一个界面层的轮廓场示意图，图6为本发明所提供的被测件内部另一个界面层的轮廓场示意图，如图5-图6所示，本发明针对激光波数扫频干涉检测系统，采用相位补偿的方式，将多个可调谐单频激光器的波数序列合成一段较宽的波数输出，大幅度提升光源的波数扫频范围，使得轴向分辨率提高至微米级别。

图7为本发明所提供的基于激光器波数合成的样件内部轮廓检测系统结构图，如图7所示，一种基于激光器波数合成的样件内部轮廓检测系统，包括：

波数获取模块701，用于获取多个可调谐单频激光器的波数；多个所述可调谐单频激光器扫描被测样件内部。

波数序列确定模块702，用于对多个所述波数在时间轴上依次进行线性调频，确定波数序列；所述波数序列分别照射到反射镜和所述被测样件内部的各个界面层。

所述波数序列确定模块702具体包括：波数序列确定单元，用于根据公式对多个所述波数在时间轴上依次进行线性调频，确定波数序列；其中，t为时间轴；k_l为可调谐单频激光器l的波数，l＝1,2,…,L；k₀为可调谐单频激光器1的起始波数；Δk_l为可调谐单频激光器l的波数调频范围；Dk_l为可调谐单频激光器l与可调谐单频激光器l-1之间的波数间隔；区间[t_2l-1,t_2l]为可调谐单频激光器l调频的时间范围。

时间序列干涉条纹图像信号确定模块703，用于根据所述波数序列确定时间序列干涉条纹图像信号。

所述时间序列干涉条纹图像信号确定模块703具体包括：照射单元，用于将所述波数序列分别照射到反射镜和所述被测样件内部的各个界面层上；光强获取模块，用于获取所述反射镜反射的第一光强以及所述各个界面层反射的第二光强；时间序列干涉条纹图像信号确定单元，用于根据所述第一光强以及所述第二光强确定时间序列干涉条纹图像信号。

解析信号构造模块704，用于对所述时间序列干涉条纹图像信号沿时间轴进行希尔伯特变换，构造解析信号。

相位补偿模块705，用于利用傅里叶变换对所述解析信号进行相位补偿，确定补偿后的解析信号。

轮廓确定模块706，用于根据所述补偿后的解析信号确定所述被测样件内部的各个界面层的轮廓。

本发明所提供的样件内部轮廓检测方法及系统能够将多个可调谐单频激光器的波数序列合成一段较宽的波数输出，大幅度扩展激光的波数调频范围，从而提高了轴向分辨率精度；且采用傅里叶变换对所述解析信号进行相位补偿，不需要考虑数值迭代初始值的精度，从而提高了计算效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于激光器波数合成的样件内部轮廓检测方法，其特征在于，包括：

获取多个可调谐单频激光器的波数；多个所述可调谐单频激光器扫描被测样件内部；

对多个所述波数在时间轴上依次进行线性调频，确定波数序列；所述波数序列分别照射到反射镜和所述被测样件内部的各个界面层；

根据所述波数序列确定时间序列干涉条纹图像信号；

对所述时间序列干涉条纹图像信号沿时间轴进行希尔伯特变换，构造解析信号；

利用傅里叶变换对所述解析信号进行相位补偿，确定补偿后的解析信号；

根据所述补偿后的解析信号确定所述被测样件内部的各个界面层的轮廓。

2.根据权利要求1所述的样件内部轮廓检测方法，其特征在于，所述对多个所述波数在时间轴上依次进行线性调频，确定波数序列，具体包括：

根据公式对多个所述波数在时间轴上依次进行线性调频，确定波数序列；

其中，t为时间轴；k_l为可调谐单频激光器l的波数，l＝1,2,…,L；k₀为可调谐单频激光器1的起始波数；Δk_l为可调谐单频激光器l的波数调频范围；Dk_l为可调谐单频激光器l与可调谐单频激光器l-1之间的波数间隔；区间[t_2l-1,t_2l]为可调谐单频激光器l调频的时间范围。

3.根据权利要求2所述的样件内部轮廓检测方法，其特征在于，所述根据所述波数序列确定时间序列干涉条纹图像信号，具体包括：

将所述波数序列分别照射到反射镜和所述被测样件内部的各个界面层上；

获取所述反射镜反射的第一光强以及所述各个界面层反射的第二光强；

根据所述第一光强以及所述第二光强确定时间序列干涉条纹图像信号。

4.根据权利要求3所述的样件内部轮廓检测方法，其特征在于，所述对所述时间序列干涉条纹图像信号沿时间轴进行希尔伯特变换，构造解析信号之前，还包括：

对所述时间序列干涉条纹图像信号进行滤波处理，滤除所述时间序列干涉条纹图像信号的直流分量以及低频分量。

5.根据权利要求4所述的样件内部轮廓检测方法，其特征在于，所述对所述时间序列干涉条纹图像信号沿时间轴进行希尔伯特变换，构造解析信号，具体包括：

根据公式对所述时间序列干涉条纹图像信号沿时间轴进行希尔伯特变换，构造解析信号；

其中，(x,y)为空间坐标点；I为反射光强；p为所述被测样件内部的第p个界面层；q为所述被测样件内部的第q个界面层；R为反射镜；Λ为光程差；

f_Rp(x,y)＝Λ_Rp(x,y)/π，f_Rp(x,y)为干涉频率； 为干涉相位。

6.根据权利要求5所述的样件内部轮廓检测方法，其特征在于，所述利用傅里叶变换对所述解析信号进行相位补偿，确定补偿后的解析信号，具体包括：

根据公式利用傅里叶变换对所述解析信号进行相位补偿，确定补偿后的解析信号；

其中，j为虚数单位；ξ_l对应第l个可调谐单频激光器与第l-1个可调谐单频激光器之间的相位补偿值，

7.根据权利要求6所述的样件内部轮廓检测方法，其特征在于，所述根据所述补偿后的解析信号确定所述被测样件内部的各个界面层的轮廓，具体包括：

根据公式确定所述被测样件内部的各个界面层的轮廓；

其中，p＝1,2,…,M，符号“Im”表示对复数求虚部，“Re”表示对复数求实部；f_Rp为各个干涉峰值对应的傅里叶变换频率；ρ_Rp为折射率。

8.一种基于激光器波数合成的样件内部轮廓检测系统，其特征在于，包括：

波数获取模块，用于获取多个可调谐单频激光器的波数；多个所述可调谐单频激光器扫描被测样件内部；

波数序列确定模块，用于对多个所述波数在时间轴上依次进行线性调频，确定波数序列；所述波数序列分别照射到反射镜和所述被测样件内部的各个界面层；

时间序列干涉条纹图像信号确定模块，用于根据所述波数序列确定时间序列干涉条纹图像信号；

解析信号构造模块，用于对所述时间序列干涉条纹图像信号沿时间轴进行希尔伯特变换，构造解析信号；

相位补偿模块，用于利用傅里叶变换对所述解析信号进行相位补偿，确定补偿后的解析信号；

轮廓确定模块，用于根据补偿后的所述解析信号确定所述被测样件内部的各个界面层的轮廓。

9.根据权利要求8所述的样件内部轮廓检测系统，其特征在于，所述波数序列确定模块具体包括：

波数序列确定单元，用于根据公式对多个所述波数在时间轴上依次进行线性调频，确定波数序列；

其中，t为时间轴；k_l为可调谐单频激光器l的波数，l＝1,2,…,L；k₀为可调谐单频激光器1的起始波数；Δk_l为可调谐单频激光器l的波数调频范围；Dk_l为可调谐单频激光器l与可调谐单频激光器l-1之间的波数间隔；区间[t_2l-1,t_2l]为可调谐单频激光器l调频的时间范围。

10.根据权利要求9所述的样件内部轮廓检测系统，其特征在于，所述时间序列干涉条纹图像信号确定模块具体包括：

照射单元，用于将所述波数序列分别照射到反射镜和所述被测样件内部的各个界面层上；

光强获取模块，用于获取所述反射镜反射的第一光强以及所述各个界面层反射的第二光强；

时间序列干涉条纹图像信号确定单元，用于根据所述第一光强以及所述第二光强确定时间序列干涉条纹图像信号。