CN112880569B - 一种基于腔长校正的多表面测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于腔长校正的多表面测量方法，能够实现腔长值的预先校正和被测件表面的精确测量，主要操作步骤包括腔长预先校正过程和测量过程；依次为：将被测件放置在预估位置A；采集预估干涉图；多点平均进行FFT计算；反算腔长值，并且进行腔长位置的校正；导轨及夹具校正；将被测件通过导轨放置在测量位置B；采集测量所需干涉图；算法处理及输出各表面的初始相位；消倾斜和解包裹；各个表面的面形计算。在所述的导轨及夹具校正和测量时，需要使用导轨和夹具系统，该系统主要部分包括：一个夹具主体、一个旋钮单元、三个按压头单元、一个导轨单元。本发明方法对被测件的腔长位置进行准确测量，从而使用移相算法达到精确的测量的目标。

Description

一种基于腔长校正的多表面测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于腔长校正的多表面测量方法，尤其是预先腔长校正，对被测件的腔长位置进行准确测量从而使用移相算法达到精确的测量的方法，有利于在测量时指导算法的使用和测量方案的制定，应用于高精度多表面的光学测量领域。

背景技术

具有较高的表面质量的透明平行平板在光学系统中具有重要的作用。不同于传统的平板玻璃，高精度光学平行平板的表面分布多在波长级，也就是表面的最大变化在几百纳米左右。因此该种平板的精确测量对于综合评估和衡量其表面质量是具有重要意义的。该种平板测量的难点在于：因为平板是透明的，因此直接地采集干涉图所得到的信号是各个表面干涉信号的混叠条纹图，即参考镜与前表面、参考镜与后表面和前后表面之间的自干涉信号都会贡献各自的干涉条纹到总的干涉图中，因此直接对混叠的干涉图进行相位的解调制是十分困难的。

传统的表面测量方法多是采取硬件干涉仪对被测件进行多次测量，在非被测面上涂抹消光材料，然后对另一表面进行测量；而后对涂抹材料的表面进行清洗，旋转表面后再次测量该表面。这种测量方案的缺陷十分明显：

(1)在消光材料的涂抹和清洗过程中，容易对被测件的表面造成损伤，并且会增加测量的难度和成本；

(2)在涂抹完消光材料以后对被测件进行表面旋转时，旋转前后的被测件位置无法达到完全一致，因此会纳入测量误差；

(3)即使不对表面进行消光材料的涂抹，使用硬件移相干涉仪对平板进行测量时，因为所采取的移相方式是PZT移相去改变微观腔长值，各个信号的移相频率(即干涉频率)是相同的，因此所采集得到的干涉图的各表面信息无法全部进行求解；

(4)无法实现对被测件厚度的测量；

(5)在干涉腔长值的测量中，因为被测件和干涉仪中的参考镜都被夹具夹持，因此无法直接地对其距离进行测量，因此干涉腔长的测量也是不准确的。并且传统方法无法达到对被测件的各个表面进行同时测量的目的。

随着波长调谐技术的出现，基于波长调谐相移干涉技术的测量方式得到了较快发展。其特点在于：通过波长调谐控制器的设置实现激光器波长的改变，与此同时进行干涉图的采集。采用此种移相方式得到的干涉图，以不同帧数(即帧数本身)为变量，其各个表面干涉光强所组成的混叠的干涉图中各个表面的干涉条纹具有不同的干涉频率，这也为信号的同时分离和求解打下了基础。

目前在高精度光学测量所应用的算法主要有两种方案：

一种是使用最小二乘误差构造法和偏导数求解的初始相位求解算法，这种方法在信噪比较高的条件下能够准确的对被测件多表面的相位进行解调和计算。此外，该种算法的缺点在于：需要对干涉频率进行精确的求解和估计，并且该算法对于初始条件的设置也较为敏感，容易出现算法失效的情形。

另一种是基于离散反傅里叶变换的加权采样算法，该种算法是基于傅里叶级数的逼近进行各个信号的初始相位求解。即：任意信号均可被表示为不同频次的三角函数的和的形式。因此只需要提取相应频次的信号，即可求取该信号所对应的初始相位值，从而通过相位与面形分布之间的线性关系实现各个表面的高精度微观形貌的测量。这种方案的可操作性较高，实现过程较为简单，具有较低的计算成本。在此测量方案的实现过程中，一个重要的问题就是被测件的信号频次的确定，而该数值与被测件的光程是具有线性关系的。因此只要实现被测件的平均厚度和干涉腔长(即被测件前表面到达参考镜的距离)便可以实现各个信号频次的精确求解，同时这也是这个方案实现的难点之一。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于腔长校正的多表面测量方法。解决现有测量方法中的缺陷，特别是在使用加权采样算法中实现干涉腔长的精确测量。由于被测件的信号频次与被测件各个表面的光程是具有线性关系的，并且被测件的平均厚度可以通过螺旋测微器等工具实现测量，因此该种方法的难点就在于干涉腔长的精确测量。因为被测件和参考镜被夹持在夹具上，夹具本身也具有一定的体积，占用测量空间，直接对参考镜到达被测件的距离进行测量是十分困难的。具体而言，因为被测件的干涉腔是空气，其折射率为1，因此前表面的光程数值上等同于被测件到达参考镜后表面之间的实际距离；厚度变化信号是前表面和后表面之间的自干涉，其光程是被测件的平均厚度与被测件的材料折射率之间的乘积；后表面干涉信号的光程是前表面光程与被测件厚度变化信号光程的加和。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于腔长校正的多表面测量方法，操作程序如下：

(一)腔长预先校正过程，具体包括：

(1-1)将被测件放置在预估位置A；

(1-2)采集预估干涉图；

(1-3)多点平均进行FFT计算；

(1-4)反算腔长值，并且进行腔长位置的校正；

(1-5)导轨及夹具校正；

(二)、测量过程：

(2-1)将被测件通过导轨放置在测量位置B；

(2-2)采集测量所需干涉图；

(2-3)算法处理及输出各表面的初始相位；

(2-4)消倾斜和解包裹；

(2-5)各个表面的面形计算。

优选地，所述预估位置A应当设置为腔长系数在102～108之间，所述的腔长系数是：

被测件前表面到达参考镜后表面之间的距离/被测件的平均厚度与被测件材料折射率之积；通过被测件平均厚度的测量和对被测件当前在导轨上的刻度位置进行预估粗测量，而后计算当前预估的腔长系数，使之满足处于102～108之间；被测件平均厚度的测量使用螺旋测微器进行测量；被测件的材料折射率是已知的，通过查找手册方式进行确定，该数值与激光波长有关，在选定时应当选择对应波长在632.8nm的折射率。

优选地，所述步骤(1-2)采集预估干涉图的过程中，根据计算的被测件厚度d和材料折射率n₁进行预估的波长调谐量Δλ₁的计算，其中调谐系数N值选择为20，λ₀为初始波长值，具体计算过程如下：

总的采集帧数为100帧，使得被测件的干涉图处于采集到的图像的中心位置；

所述步骤(1-3)多点平均进行FFT计算的操作步骤如下：

选用干涉图正中心位置及其分布在四角的与中心相隔30个像素的位置的点，总共为5个点，分别对5个点进行快速傅里叶变换FFT，该快速傅里叶变换FFT过程可在计算机中进行计算；在快速傅里叶变换FFT计算时，分别选取上述5个点在不同帧数下的干涉图中的位置进行计算，设置采样频率为20，序列的点总数均为100点；以单点的FFT进行描述：

首先对该点在不同帧数下的光强值计算其平均值，将上述不同帧数下的光强值减去该平均值，以达到去均值的目的，同时消除一部分背景光强与噪声；而后计算FFT进而得到在不同的频率下的幅值，减少计算成本；只取单侧的频幅特性图进行分析；所得到的频幅特性分布图中，首先进行峰值的定位，根据上述的去均值操作已经对背景光强进行了去除，于是只对依频率递增的三个最大峰值进行选取，根据各信号干涉光强的关系分别对应地确定厚度变化信号频率、前表面信号频率和后表面信号频率；将所选取的5个点分别进行上述FFT计算，所得到的各信号的频率求取其5个点的平均值，从而确定各个信号的频率。

优选地，所述步骤(1-4)反算腔长值，并且进行腔长位置的校正，其具体过程为：

通过计算得到的各个信号的频率f_i，下式中i＝f,r,f-r分别代表前表面、后表面和厚度变化信号，L_i代表各个信号的光程值，i＝f,r,f-r分别代表被测件腔长、被测件腔长加被测件的厚度光程、被测件厚度光程三个值，所述被测件腔长加被测件的厚度光程为被测件平均厚度与折射率之积；于是通过计算各信号的频率计算上述腔长值，与当前预估的腔长值做差，并且将预估的腔长值减去该差值，进行数值上的腔长校正，按照如下公式进行计算：

优选地，在所述的导轨及夹具校正和测量时，使用导轨和夹具系统，其包括：一个夹具主体、一个旋钮单元、三个按压头单元、一个导轨单元；

其中，所述的夹具主体包括：一个上夹具架体、三个上夹具螺纹孔、两个上夹具凸出连接、一个下夹具架体、两个下夹具凸出连接、两个连接螺栓、一个旋钮架和两个磁铁放置槽；

所述的旋钮单元包括：一个旋钮套管、一个旋钮臂、一个旋钮头、一个旋钮弹簧、一个指示臂和一个指示头；

所述的按压头单元包括：一个按压杆、一个按压套管、一个按压头和两个按压弹簧；

所述的导轨单元包括：一个刻度板和一个导轨。

优选地，在所述夹具主体中的上夹具架体，其上半部分形制为一中空半圆，下半部分为一长方体中间空出一个半圆的形式；在上夹具架体的正上方、左下、右下方分别设置有上夹具螺纹孔，以方便与按压杆的带有外螺纹的一端进行螺纹连接；在上夹具架体的两侧分别有一个上夹具凸出连接，该突出连接部分与下夹具架体上的下夹具凸出连接形制相同，中间均开有螺纹孔，分别与一个连接螺栓及配套螺母进行螺纹连接以进行上下两部分的组合；上夹具架体的厚度不超过上夹具架体的内圆部分直径的1/6。

优选地，在夹具主体中，下夹具架体两侧分别有一个下夹具凸出连接，该突出连接部分与上夹具架体上的上夹具凸出连接形制相同，中间均开有螺纹孔，分别与一个连接螺栓及配套螺母进行螺纹连接以进行上下两部分的组合；在下夹具架体两侧还分别有一个磁铁放置槽，在导轨单元进行预先校正之后在该槽中部放置形制与该槽相同的磁铁，以施加磁力使得夹具主体与导轨单元连接更为紧密、防止滑动；下夹具架体下方的内侧分别有一个三角形的凸起，该凸起与导轨相应安装部位的凹槽进行连接，该凸起卡在凹槽中；在下夹具架体下方的中空部分的中间有一个旋钮架，该架体与下夹具架体进行焊接或以其他方式进行固连；旋钮架中部有孔，以方便旋钮臂穿过；下夹具架体的厚度不应超过上夹具架体的内圆部分直径的1/6。

优选地，在旋钮单元中，旋钮套管中空，一段外部有一圈环形凸起，该凸起的厚度为该套管长度的1/10，该凸起的环形部分与旋钮架的外部进行焊接；中空的内部放置旋钮臂，该旋钮臂的一侧有加工有内螺纹的孔，该端与指示臂一端凸起的的外螺纹进行螺纹连接；旋钮臂的另一端有加工有外螺纹的凸起，该端与旋钮头中间的内螺纹孔进行螺纹连接；指示臂中部为一圆柱，两侧均有带外螺纹的凸起，一端与指示臂一端凸起的的外螺纹进行螺纹连接，另一端与指示头上中部开的内螺纹孔进行螺纹连接；指示头为一长方体，两侧分别焊接有一个三角形的凸起，在该凸起的内端面部分粘贴有橡胶。

优选地，在按压头单元中按压杆主体为圆柱形，其一端为凸起部分，加工有外螺纹，与上夹具螺纹孔进行螺纹连接；另一端是按压头，顶端为一扁形圆柱，头部粘贴有半球形的橡胶材料，以增加对被测件夹持过程中的摩擦力且不损伤被测件外缘；旋钮臂中部为一环形凸起，其外径应小于按压套管中部的中空内径；按压套管的靠近上夹具架体部分为带弧形的外缘，该部分的曲率应与上夹具架体对应部分处的曲率相同，另一端带有一向内凸起的环形，该环形的内径应略大于按压杆对应部分的外径；两个按压弹簧分别放置在按压杆的两端，且均呈伸张状态。

优选导轨和刻度板的总长度应不低于500mm。

优选地，在导轨单元中的刻度板，左上与右上方有矩形内凹部分，与导轨对应部分的形制相同；刻度板的上端面带有精确到毫米的刻度，刻度板的整体安装在导轨的中空部分；导轨中空的部分与刻度板形制相同，并且两侧开有凹槽，将下夹具架体的下方内部三角形凸起插入该凹槽以实现连接。

在被测件夹持在夹具上以后，夹具安装在导轨上；经过校正后得到的校正值，即预估腔长值减去经过FFT计算得到的频率反算的腔长值后，对当前指示头所指示的刻度板上的刻度进行校正。优选地，校正后的实际测量过程中，所需要的腔长值可以直接由指示头的所指示的刻度板上的值进行读取。该指示头在使用时应当：在夹具的夹持过程中，首先将按压单元抬起留出足够空间，在夹具上安放好被测件以后将按压单元松开则实现被测件的夹紧，指示头应当旋转旋钮头使得指示头处于水平。在对被测件进行夹紧以后，再次旋转旋钮头使之竖直放置，此时指示头由于旋钮弹簧的作用，其一端贴紧被测件，另一端则指向刻度板，进行腔长值的读取。

优选地，在所述的干涉图采集的过程中，可以使用INF600-LP干涉仪进行采集。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明实现对于使用导轨测量腔长值的准确校正，通过精确的FFT计算，能够计算得到准确的实际腔长值，进一步提高测量的精度；

2.本发明只需要一次校正，后续的测量过程中直接对导轨上的腔长值进行读取便可以实现腔长值的精确获取，简化了测量过程，降低了测量成本；

3.本发明通过简单的加权相乘算法便可以得到各个表面的初始相位分布，大大减少算法的实现成本。

附图说明

图1是本发明的实现流程示意图。

图2是通过本发明算法求解的面形误差示意图。

图3是本发明的校正过程中的信号频率分布示意图。

图4是本发明的夹具架体示意图。

图5是本发明的旋钮单元示意图。

图6是本发明的指示头和指示臂示意图。

图7是本发明的导轨单元示意图。

图8是本发明的按压头单元示意图。

各部分序号分别代表：1.上夹具架体；2.上夹具螺纹孔；3.上夹具凸出连接；4.下夹具架体；5.下夹具凸出连接；6.连接螺栓；7.旋钮架；8.磁铁放置槽；9.旋钮套管；10.旋钮臂；11.旋钮头；12.旋钮弹簧；13.指示臂；14.指示头；15.按压杆；16.按压套管；17.按压头；18.按压弹簧；19.刻度板；20.导轨。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，一种基于腔长校正的多表面测量方法，操作程序如下：

(一)、腔长预先校正过程，具体包括：

(1-1)将被测件放置在预估位置A；

(1-2)采集预估干涉图；

(1-3)多点平均进行FFT计算；

(1-4)反算腔长值，并且进行腔长位置的校正；

(1-5)导轨及夹具校正；

(二)、测量过程：

(2-1)将被测件通过导轨放置在测量位置B；

(2-2)采集测量所需干涉图；

(2-3)算法处理及输出各表面的初始相位；

(2-4)消倾斜和解包裹；

(2-5)各个表面的面形计算。

本实施例方法进行预先腔长校正，对被测件的腔长位置进行准确测量，从而使用移相算法达到精确的测量，有利于在测量时指导算法的使用和测量方案的制定，应用于高精度多表面的光学测量领域。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，一种基于腔长校正的多表面测量方法包括两个过程：

(一)腔长预先校正过程，具体包括：

(1-1)将被测件放置在预估位置A；

(1-2)采集预估干涉图；

(1-3)多点平均进行FFT计算；

(1-4)反算腔长值，并且进行腔长位置的校正；

(1-5)导轨及夹具校正；

(二)测量过程包括：

(2-1)将被测件通过导轨放置在测量位置B；

(2-2)采集测量所需干涉图；

(2-3)算法处理及输出各表面的初始相位；

(2-4)消倾斜和解包裹；

(2-5)各个表面的面形计算。该过程如图1所示。

所述的预估位置A应当设置为腔长系数在102～108之间，所述的腔长系数是被测件的腔长值与其光学厚度的比值。被测件前表面到达参考镜后表面之间的距离，即腔长值；被测件的光学厚度，即被测件的平均厚度与被测件材料折射率之积。因此在这个过程中，通过被测件平均厚度的测量和对被测件当前在导轨上的刻度位置进行预估粗测量，而后计算当前预估的腔长系数，使之满足处于102～108之间。被测件平均厚度的测量可以使用螺旋测微器进行测量。被测件的材料折射率是已知的，可以通过查找手册方式进行确定，该数值与激光波长有关，在选定时应当选择对应波长在632.8nm的折射率。

所述的采集预估干涉图的过程中，根据计算的被测件厚度d和材料折射率n₁进行预估的波长调谐量Δλ₁的计算，其中调谐系数N值选择为20，λ₀为初始波长值，选定为632.8nm，具体计算过程如下：

总的采集帧数为100帧，应使得被测件的干涉图处于采集到的图像的中心位置。

所述的多点平均进行FFT的操作具体在于：

选用干涉图正中心位置及其分布在四角的与中心相隔30个像素的位置的点，总共为5个点，分别对5个点进行快速傅里叶变换该过程可以在计算机中进行计算。其中单点的FFT计算结果如图2所示，三个圈出的部分对应由左至右分别代表厚度变化信号、前表面信号和后表面信号的频率。在FFT计算时，分别选取上述5个点在不同帧数下的干涉图中为位置进行计算，设置采样频率为20，序列的点总数均为100点。以单点的FFT为例进行描述：首先对该点在不同帧数下的光强值计算其平均值，将上述不同帧数下的光强值减去该平均值，以达到去均值的目的，同时还可以消除一部分背景光强与噪声。而后计算FFT进而得到在不同的频率下的幅值，该步为减少计算成本，只取其单侧的频幅特性图进行分析。所得到的频幅特性分布图中，首先进行峰值的定位，因为上述的去均值操作已经对背景光强进行了去除，因此只需要对依频率递增的三个最大峰值进行选取，根据各信号干涉光强的关系便可以分别对应地确定厚度变化信号频率、前表面信号频率和后表面信号频率。将所选取的5个点分别进行上述FFT计算，所得到的各信号的频率求取其5个点的平均值，便可以确定各个信号的频率。

所述的反算腔长值，并且进行腔长位置的校正，其具体过程为：通过上面计算的各个信号的频率f_i，下式中i＝f,r,f-r分别代表前表面、后表面和厚度变化信号，L_i代表各个信号的光程值，i＝f,r,f-r分别代表被测件腔长、被测件腔长加被测件的厚度光程(被测件平均厚度与折射率之积)、被测件厚度光程三个值。因此能通过计算各信号的频率计算上述腔长值，与当前预估的腔长值做差，并且将预估的腔长值减去该差值，便实现数值上的腔长校正。

在所述的导轨及夹具校正和测量时，需要使用本发明设计的导轨和夹具系统，主要部分包括：一个夹具主体、一个旋钮单元、三个按压头单元、一个导轨单元。

其中所述的夹具主体包括：一个上夹具架体1、三个上夹具螺纹孔2、两个上夹具凸出连接3、一个下夹具架体4、两个下夹具凸出连接5、两个连接螺栓6、一个旋钮架7、两个磁铁放置槽8。

在夹具主体中的上夹具架体1，其上半部分形制为一中空半圆，下半部分为一长方体中间空出一个半圆的形式。在上夹具架体1的正上方、左下、右下方分别设置有上夹具螺纹孔2，以方便与按压杆15的带有外螺纹的一端进行螺纹连接。在上夹具架体的两侧分别有一个上夹具凸出连接3，该突出连接部分与下夹具架体4上的下夹具凸出连接5形制相同，中间均开有螺纹孔，分别与一个连接螺栓6及配套螺母进行螺纹连接以进行上下两部分的组合。上夹具架体1的厚度不应超过上夹具架体1的内圆部分直径的1/6。

从图4可以看出，在夹具主体中，下夹具架体4两侧分别有一个下夹具凸出连接5，该突出连接部分与上夹具架体1上的上夹具凸出连接3形制相同，中间均开有螺纹孔，分别与一个连接螺栓6及配套螺母进行螺纹连接以进行上下两部分的组合。在下夹具架体4两侧还分别有一个磁铁放置槽8，在导轨单元进行预先校正完成以后该槽中部放置形制与该槽相同的磁铁，以施加磁力使得夹具主体与导轨单元连接更为紧密、防止滑动。下夹具架体4下方的内侧分别有一个三角形的凸起，该凸起可以与导轨20相应安装部位的凹槽进行连接，该凸起卡在凹槽中，因此其形制类似。在下夹具架体4下方的中空部分的中间有一个旋钮架7，该架体与下夹具架体4进行焊接等方式的固连。旋钮架7中部有孔，以方便旋钮臂10穿过。下夹具架体4的厚度不应超过上夹具架体1的内圆部分直径的1/6。

其中所述的旋钮单元包括：一个旋钮套管9、一个旋钮臂10、一个旋钮头11、一个旋钮弹簧12、一个指示臂13、一个指示头14。

从图5可以看出，在旋钮单元中，旋钮套管9中空，一段外部有一圈环形凸起，该凸起的厚度为该套管长度的1/10，该凸起的环形部分与旋钮架7的外部进行焊接。中空的内部放置旋钮臂10，该旋钮臂10的一侧有加工有内螺纹的孔，该端与指示臂13一端凸起的的外螺纹进行螺纹连接；旋钮臂10的另一端有加工有外螺纹的凸起，该端与旋钮头11中间的内螺纹孔进行螺纹连接。从图6可以看出，指示臂13中部为一圆柱，两侧均有带外螺纹的凸起，一端与指示臂13一端凸起的外螺纹进行螺纹连接，另一端与指示头14上中部开的内螺纹孔进行螺纹连接。指示头14为一长方体，两侧分别焊接有一个三角形的凸起，在该凸起的内端面部分粘贴有橡胶。

其中所述的按压头单元包括：一个按压杆15、一个按压套管16、一个按压头17、两个按压弹簧18。

从图8可以看出，在按压头单元中按压杆15主体为圆柱形，其一端为凸起部分，加工有外螺纹，与上夹具螺纹孔2进行螺纹连接；另一端是按压头17，顶端为一扁形圆柱，头部粘贴有半球形的橡胶材料，以增加对被测件夹持过程中的摩擦力且不损伤被测件外缘；旋钮臂10中部为一环形凸起，其外径应略小于按压套管16中部的中空内径。按压套管16的靠近上夹具架体1部分为带弧形的外缘，该部分的曲率应与上夹具架体1对应部分处的曲率相同，另一端带有一向内凸起的环形，该环形的内径应略大于按压杆15对应部分的外径。两个按压弹簧18分别放置在按压杆15的两端，且均呈伸张状态。

其中所述的导轨单元包括：一个刻度板19、一个导轨20。

从图7可以看出，在导轨单元中的刻度板19，左上与右上方有矩形内凹部分，与导轨20对应部分的形制相同；刻度板19的上端面带有精确到毫米的刻度，刻度板19的整体安装在导轨20的中空部分。导轨20中空的部分与刻度板19形制相同，并且两侧开有凹槽，将下夹具架体4的下方内部三角形凸起插入该凹槽以实现连接。

在被测件夹持在本专利所设计的夹具上以后，夹具安装在导轨20上。经过校正后得到的校正值，即预估腔长值减去经过FFT计算得到的频率反算的腔长值后，对当前指示头14所指示的刻度板19上的刻度进行校正。如通过指示头14在刻度板19上进行预估时所指示的是25mm，经FFT计算频率进行腔长反算得到的实际腔长值为20mm，则保持夹具和指示头14不动，对刻度板19在导轨中进行移动，移动到当前实际腔长值20mm的位置，则完成校正过程，在以后使用时刻度板19在导轨20中的相对位置不应再进行改变。

校正后的实际测量过程中，所需要的腔长值可以直接由指示头14的指示对刻度板19上的值进行读取。该指示头14在使用时应当：在夹具的夹持过程中，首先将按压单元抬起留出足够空间，在夹具上安放好被测件以后将按压单元松开则可实现被测件的夹紧，在这个过程中指示头14应当旋转旋钮头11使得指示头14处于水平。在对被测件进行夹紧以后，再次旋转旋钮头11使之竖直放置，此时指示头由于旋钮弹簧12的作用，其一端贴紧被测件，另一端则指向刻度板19，便可以实现腔长值的读取。此时应当设置为当前腔长值在98～100之间。

在测量过程中，所需要采集的干涉图的帧数为60帧，波长调谐量Δλ₂由下式确定，其中d值应为当前被测件的平均厚度。

采集得到的干涉图进行下式的计算，便可以得到初始相位

i＝f,r,f-r分别代表前表面、后表面和厚度变化信号：

其中Z为总的采集帧数，此时为60，I(k)为采集到的干涉图的光强值，k为帧序数k＝1,2……60。a_i(k),b_i(k)，i＝f,r,f-r分别代表前表面、后表面和厚度变化信号的加权权值，由下式确定：

其中W(k)为窗函数，本专利为了获得更好的采样性能，因此采取一种汉宁窗和布莱克曼窗的组合，其形式如下：

在权值计算式中的n为前表面、后表面和厚度变化信号的信号频次，对于厚度信号，该值为1；对于前表面信号，信号频次为当前校正后的指示头14所指示的腔长值与被测件厚度光程的比值；对于后表面信号而言，该值为前表面信号频次加1。

在完成上述计算以后，经过消倾斜和解包裹的操作以后，便可以得到三个信号的实际初始相位，前表面、后表面、厚度变化信号分别对应的实际初始相位为θ_f,θ_r,θ_f-r，下式中其中h代表通过指示头14测得的校正后的腔长值，w_f，w_r，w_f-r分别代表被测件的前表面、后表面和厚度变化信号的微观面形分布，该三个参数计算完成以后即为重建的各表面微观形貌。

本实施例方法实现对于使用导轨测量腔长值的准确校正，通过精确的FFT计算，能够计算得到准确的实际腔长值，进一步提高测量的精度。本实施例方法只需要一次校正，后续的测量过程中直接对导轨上的腔长值进行读取便可以实现腔长值的精确获取，简化了测量过程，降低了测量成本。本发明方法通过简单的加权相乘算法便可以得到各个表面的初始相位分布，大大减少算法的实现成本。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于腔长校正的多表面测量方法，其特征在于，所设计的操作程序如下：

(一)腔长预先校正过程，具体包括：

(1-1)将被测件放置在预估位置A；

(1-2)采集预估干涉图；

(1-3)多点平均进行FFT计算；

(1-4)反算腔长值，并且进行腔长位置的校正；

(1-5)导轨及夹具校正；

(二)测量过程：

(2-1)将被测件通过导轨放置在测量位置B；

(2-2)采集测量所需干涉图；

(2-3)算法处理及输出各表面的初始相位；

(2-4)消倾斜和解包裹；

(2-5)各个表面的面形计算；

所述步骤(1-2)采集预估干涉图的过程中，根据计算的被测件厚度d和材料折射率n₁进行预估的波长调谐量Δλ₁的计算，其中调谐系数N值选择为20，λ₀为初始波长值，具体计算过程如下：

总的采集帧数为100帧，使得被测件的干涉图处于采集到的图像的中心位置；

所述步骤(1-3)多点平均进行FFT计算的操作步骤如下：

选用干涉图正中心位置及其分布在四角的与中心相隔30个像素的位置的点，总共为5个点，分别对这5个点进行快速傅里叶变换FFT，该快速傅里叶变换FFT过程可在计算机中进行计算；在快速傅里叶变换FFT计算时，分别选取上述5个点在不同帧数下的干涉图中的位置进行计算，设置采样频率为20，序列的点总数均为100点；以单点的FFT进行描述：

首先对该点在不同帧数下的光强值计算其平均值，将上述不同帧数下的光强值减去该平均值，以达到去均值的目的，同时消除一部分背景光强与噪声；而后计算FFT进而得到在不同的频率下的幅值，减少计算成本；只取单侧的频幅特性图进行分析；所得到的频幅特性分布图中，首先进行峰值的定位，根据上述的去均值操作已经对背景光强进行了去除，于是只对依频率递增的三个最大峰值进行选取，根据各信号干涉光强的关系分别对应地确定厚度变化信号频率、前表面信号频率和后表面信号频率；将所选取的5个点分别进行上述FFT计算，所得到的各信号的频率求取其5个点的平均值，从而确定各个信号的频率；

所述步骤(1-4)反算腔长值，并且进行腔长位置的校正，其具体过程为：

通过计算得到的各个信号的频率f_i，下式中i＝f,r,f-r分别代表前表面、后表面和厚度变化信号，L_i代表各个信号的光程值，i＝f,r,f-r分别代表被测件腔长、被测件腔长加被测件的厚度光程、被测件厚度光程三个值，所述被测件腔长加被测件的厚度光程为被测件平均厚度与折射率之积；于是通过计算各信号的频率计算上述腔长值，与当前预估的腔长值做差，并且将预估的腔长值减去该差值，进行数值上的腔长校正，按照如下公式进行计算：

2.根据权利要求1所述的基于腔长校正的多表面测量方法，其特征在于：所述预估位置A应当设置为腔长系数在102～108之间，所述的腔长系数是：

被测件前表面到达参考镜后表面之间的距离/被测件的平均厚度与被测件材料折射率之积；通过被测件平均厚度的测量和对被测件当前在导轨上的刻度位置进行预估粗测量，而后计算当前预估的腔长系数，使之满足处于102～108之间；被测件平均厚度的测量使用螺旋测微器进行测量；被测件的材料折射率是已知的，通过查找手册方式进行确定，该数值与激光波长有关，在选定时应当选择对应波长在632.8nm的折射率。

3.根据权利要求1所述的基于腔长校正的多表面测量方法，其特征在于：在所述的导轨及夹具校正和测量时，使用导轨和夹具系统，其包括：一个夹具主体、一个旋钮单元、三个按压头单元、一个导轨单元；

其中，所述的夹具主体包括：一个上夹具架体(1)、三个上夹具螺纹孔(2)、两个上夹具凸出连接(3)、一个下夹具架体(4)、两个下夹具凸出连接(5)、两个连接螺栓(6)、一个旋钮架(7)和两个磁铁放置槽(8)；

所述的旋钮单元包括：一个旋钮套管(9)、一个旋钮臂(10)、一个旋钮头(11)、一个旋钮弹簧(12)、一个指示臂(13)和一个指示头(14)；

所述的按压头单元包括：一个按压杆(15)、一个按压套管(16)、一个按压头(17)和两个按压弹簧(18)；

所述的导轨单元包括：一个刻度板(19)和一个导轨(20)。

4.根据权利要求3所述的基于腔长校正的多表面测量方法，其特征在于：在所述夹具主体中的上夹具架体(1)，其上半部分形制为一中空半圆，下半部分为一长方体中间空出一个半圆的形式；在上夹具架体(1)的正上方、左下、右下方分别设置有上夹具螺纹孔(2)，以方便与按压杆(15)的带有外螺纹的一端进行螺纹连接；在上夹具架体(1)的两侧分别有一个上夹具凸出连接(3)，凸出连接部分与下夹具架体(4)上的下夹具凸出连接(5)形制相同，中间均开有螺纹孔，分别与一个连接螺栓(6)及配套螺母进行螺纹连接以进行上下两部分的组合；上夹具架体(1)的厚度不超过上夹具架体(1)的内圆部分直径的1/6。

5.根据权利要求3所述的基于腔长校正的多表面测量方法，其特征在于：在夹具主体中，下夹具架体(4)两侧分别有一个下夹具凸出连接(5)，凸出连接部分与上夹具架体(1)上的上夹具凸出连接(3)形制相同，中间均开有螺纹孔，分别与一个连接螺栓(6)及配套螺母进行螺纹连接以进行上下两部分的组合；在下夹具架体(4)两侧还分别有一个磁铁放置槽(8)，在导轨单元进行预先校正完成以后该槽中部放置形制与该槽相同的磁铁，以施加磁力使得夹具主体与导轨单元连接更为紧密、防止滑动；下夹具架体(4)下方的内侧分别有一个三角形的凸起，该凸起与导轨(20)相应安装部位的凹槽进行连接，该凸起卡在凹槽中；在下夹具架体(4)下方的中空部分的中间有一个旋钮架(7)，该架体与下夹具架体(4)进行焊接或以其他方式进行固连；旋钮架(7)中部有孔，以方便旋钮臂(10)穿过；下夹具架体(4)的厚度不应超过上夹具架体(1)的内圆部分直径的1/6。

6.根据权利要求3所述的基于腔长校正的多表面测量方法，其特征在于：在旋钮单元中，旋钮套管(9)中空，旋钮套管(9)的一端外部有一圈环形凸起，该凸起的厚度为该套管长度的1/10，该凸起的环形部分与旋钮架(7)的外部进行焊接；中空的内部放置旋钮臂(10)，该旋钮臂(10)的一侧有加工有内螺纹的孔，该端与指示臂(13)一端凸起的外螺纹进行螺纹连接；旋钮臂(10)的另一端有加工有外螺纹的凸起，该端与旋钮头(11)中间的内螺纹孔进行螺纹连接；指示臂(13)中部为一圆柱，两侧均有带外螺纹的凸起，一端与指示臂(13)一端凸起的外螺纹进行螺纹连接，另一端与指示头(14)上中部开的内螺纹孔进行螺纹连接；指示头(14)为一长方体，两侧分别焊接有一个三角形的凸起，在该凸起的内端面部分粘贴有橡胶。

7.根据权利要求3所述的基于腔长校正的多表面测量方法，其特征在于：在按压头单元中按压杆(15)主体为圆柱形，其一端为凸起部分，加工有外螺纹，与上夹具螺纹孔(2)进行螺纹连接；另一端是按压头(17)，顶端为一扁形圆柱，头部粘贴有半球形的橡胶材料，以增加对被测件夹持过程中的摩擦力且不损伤被测件外缘；旋钮臂(10)中部为一环形凸起，其外径应小于按压套管(16)中部的中空内径；按压套管(16)的靠近上夹具架体(1)部分为带弧形的外缘，该部分的曲率应与上夹具架体(1)对应部分处的曲率相同，另一端带有一向内凸起的环形，该环形的内径应略大于按压杆(15)对应部分的外径；两个按压弹簧(18)分别放置在按压杆(15)的两端，且均呈伸张状态。

8.根据权利要求3所述的基于腔长校正的多表面测量方法，其特征在于：在导轨单元中的刻度板(19)，左上与右上方有矩形内凹部分，与导轨(20)对应部分的形制相同；刻度板(19)的上端面带有精确到毫米的刻度，刻度板(19)的整体安装在导轨(20)的中空部分；导轨(20)中空的部分与刻度板(19)形制相同，并且两侧开有凹槽，将下夹具架体(4)的下方内部三角形凸起插入该凹槽以实现连接；

在被测件夹持在夹具上以后，夹具安装在导轨(20)上；经过校正后得到的校正值，即预估腔长值减去经过快速傅里叶变换计算得到的频率反算的腔长值后，对当前指示头(14)所指示的刻度板(19)上的刻度进行校正。

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