CN113405489A - 一种抑制动态干涉仪中波片延迟误差干扰的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抑制动态干涉仪中波片延迟误差干扰的方法，其涉及光干涉计量技术领域，旨在解决软件归一化过程本身势必会干扰到正常相位的结果，造成测量结果不精确的问题，其技术方案要点是实验准备，将标准值内的二分之一波片和四分之一波片安装在动态干涉仪内部，放置待测件，调整动态干涉仪，使得相机采集的四幅干涉图呈密集条纹分布，灰度平均值计算，计算四幅图像灰度平均值的均方根值，并多次计算保证整体获得最佳值，调节测算，手动或者通过电机自动旋转调节二分之一波片，并实时计算图像灰度平均值的均方根值，当该值小于设定阈值时，停止调整二分之一波片。达到了多降低误差、多次测算取平均值和方便调节的效果。

Description

一种抑制动态干涉仪中波片延迟误差干扰的方法
技术领域
本发明涉及光干涉计量技术领域，尤其是涉及一种抑制动态干涉仪中波片延迟误差干扰的方法。
背景技术
动态干涉仪采用空间同步移相技术，可以实时采集四幅具有固定相位差的干涉图，因此具有抗振、抗气流扰动等优点，被广泛应用于大口径、高精度光学加工现场，在动态干涉仪中，位于微偏振阵列前的四分之一波片为仪器的关键光学元件，常见的波片种类有零级波片、真零级波片、多级波片、低级波片，其中真零级波片的性能优异，但是真零级波片往往非常的薄，在制造上具有较大的困难，零级波片、多级波片、低级波片，相对比较好加工，但是对入射角度、波长和温度敏感。
如图1所示，现有的动态干涉仪包括光源8和偏振相机9，所述光源8依次穿过准直镜81、偏振片82、二分之一波片83、第一四分之一波片84和测试光路镜头85衍射在待测镜86上，所述偏振相机9依次穿过无焦系统91、第二四分之一波片92和第三四分之一波片93衍射在参考镜94上，所述偏振相机9所得的图像通过微偏振阵列计算得到干涉图，整体为现有技术，所以不多做描述。
在现实应用中，受到加工工艺的限制，四分之一波片的延迟通常存在一定的误差，该误差将致使四幅干涉图的背景光强不一致，进而无法提取正确的相位信息，计算不到准确的测量结果，最直接的表现为在测量结果中出现波纹误差，目前有人通过软件的手段来抑制该误差，其利用最小二乘法对干涉图光强中的背景和调制度进行多项式拟合，以解出对应的系数，完成四幅干涉图的光强归一化，然后再进行相位和最终结果的求解。
上述中的现有技术方案存在以下缺陷：尽管软件归一化的过程能够抑制结果中的波纹误差，但是归一化过程本身势必会干扰到正常相位的结果，将造成测量结果的不精确，降低了整体的测量效果，从而增加了整体测量过程中产生的误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种增加测量精准度的抑制动态干涉仪中四分之一波片延迟误差对测量结果干扰的方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种抑制动态干涉仪中波片延迟误差干扰的方法，其步骤如下：
S1：实验准备，通过对二分之一波片和四分之一波片进行平面度和透光率的检测，保证二分之一波片和四分之一波片的数值在标准值内部，并将二分之一波片和四分之一波片安装在动态干涉仪内部；
S2：放置待测件，调整动态干涉仪，使得相机采集的四幅干涉图呈密集条纹分布；
S3：灰度平均值计算，手动选取或者自动识别干涉图中条纹区域，实时获取此区域像素点灰度平均值，并计算四幅图像灰度平均值的均方根值，并多次计算保证整体获得最佳值，所述灰度平均值计算包括以下两个步骤：
A1：多次取点取平均值，对干涉图中条纹区域进行多次选取，反复测量获得不同的数值，对多点取样的数据进行计算，计算出不同区域像素点灰度平均值；
A2：根据不同平均值计算均方根值，通过将多组平均值带入灰度平均值的均方根值计算公式中，得出最佳平均值的均方根；
S4：调节测算，手动或者通过电机自动单向旋转调节二分之一波片，并实时计算四幅图像灰度平均值的均方根值，当该值小于设定阈值时，停止调整二分之一波片。
通过采用上述技术方案，利用动态干涉仪本身的器件，降低了干涉面形重构计算的复杂性，方便快捷，降低了四分之一波片延迟量误差造成干涉图光强不一致的影响，提高了动态干涉测量的可靠性。
进一步的，所述二分之一波片包括安装架，所述安装架上端固定连接有安装板，所述安装板一端转动连接有蜗轮，所述安装板内部转动连接有用于安装蜗轮的安装环，所述蜗轮内部开设有通孔，所述蜗轮内部固定连接有波片本体，所述安装架一端固定连接有带动蜗轮旋转的调节机构。
通过采用上述技术方案，使调节机构带动蜗轮进行转动，从而方便整体带动安装环和波片本体进行转动，以便于整体对二分之一波片的角度进行调节，方便整体进行调节。
进一步地，所述安装板与安装环均为内部中空结构，所述安装板中空部分与安装环形状大小相适配，所述安装环中空部分与波片本体形状大小相适配。
通过采用上述技术方案，使用内部中空结构的安装板与安装环对整体进行透光，从而保证整体内部光路的通透，保证整体良好的成像效果。
进一步地，所述安装环靠近蜗轮的一面开设有固定螺孔，所述蜗轮内部螺纹配合有固定螺钉，所述固定螺钉穿过蜗轮与固定螺孔相互卡合。
通过采用上述技术方案，使用固定螺钉穿过蜗轮与固定螺孔进行螺纹连接可以对蜗轮进行安装和拆卸，从而方便对二分之一波片进行拆装和清洁。
进一步地，所述固定螺孔与固定螺钉对应分布，所述固定螺钉位于波片本体外侧。
通过采用上述技术方案，使用固定螺孔与固定螺钉进行卡合，保证蜗轮与安装环进行稳定的安装，从而保证整体可以充分带动波片本体进行旋转。
进一步地，所述调节机构内部包括有固定在安装架外侧的定位板，所述定位板上端固定连接有驱动电机，所述驱动电机输出端固定连接有带动蜗轮转动的主动轮。
通过采用上述技术方案，驱动电机带动主动轮进行旋转，且主动轮转动的过程中带动蜗轮进行转动，保证整体良好的转动调节效果。
进一步地，所述主动轮与蜗轮相互啮合，所述主动轮与蜗轮相适配，所述蜗轮与波片本体的圆心线重叠。
通过采用上述技术方案，主动轮转动的过程中带动蜗轮进行转动，从而方便整体对蜗轮内部的波片本体进行角度的调节，方便整体进行调节，增加了整体的实用性。
进一步地，所述安装架一端固定连接有用于安装的固定板，所述固定板内部螺纹配合有安装螺钉，所述安装螺钉穿过固定板延伸至固定板下端，所述安装螺钉关于固定板水平中心线对称分布。
通过采用上述技术方案，安装螺钉穿过固定板与安装件进行固定，从而保证整体可以对安装架进行充分的固定，增加了整体的固定效果。
综上所述，本发明的有益技术效果为：
1、采用了二分之一波片进行旋转调节，降低了干涉面形重构计算的复杂性，方便快捷，降低了四分之一波片延迟量误差造成干涉图光强不一致的影响，提高了动态干涉测量的可靠性，产生降低误差的效果；
2、灰度平均值计算和多次取点取平均值，对整体产生的数据进行多次采集，从而方便整体多次获取数据进行计算，产生多次测算取平均值的效果；
3、采用了调节机构和蜗轮，方便整体带动蜗轮和波片本体进行转动，从而方便整体对波片的角度进行调节，产生方便调节的效果。
附图说明
图1为本发明光路结构示意图；
图2为本发明二分之一波片立体结构示意图一；
图3为本发明二分之一波片立体结构示意图二；
图4为本发明二分之一波片拆分结构示意图；
图5为本发明实施例二立体结构示意图；
图6为本发明实施例三立体结构示意图。
图中，1、安装架；2、安装板；3、蜗轮；4、安装环；5、通孔；6、波片本体；7、调节机构；8、光源；9、偏振相机；11、固定板；12、安装螺钉；31、固定螺钉；41、固定螺孔；71、定位板；72、驱动电机；73、主动轮；74、安装框体；75、蜗杆；76、手控杆；77、电动机；81、准直镜；82、偏振片；83、二分之一波片；84、第一四分之一波片；85、测试光路镜头；86、待测镜；91、无焦系统；92、第二四分之一波片；93、第三四分之一波片；94、参考镜。
具体实施方式
以下对本发明方法作进一步详细说明。
一种抑制动态干涉仪中波片延迟误差干扰的方法，其步骤如下：
S1：实验准备，通过对二分之一波片83和四分之一波片进行平面度和透光率的检测，保证二分之一波片83和四分之一波片的数值在标准值内部，并将二分之一波片83和四分之一波片安装在动态干涉仪内部，动态干涉仪同时采集四幅具有固定相位差的干涉图，利用四步移相算法提取相位分布，进而重构待测件的面形，所采集的四幅干涉图的光强分别为I1，I2，I3，I4，四幅图之间的相位差为π/2，若不存在波片相位延迟误差，光强表达式见下式：
Figure 418791DEST_PATH_IMAGE001
；
由上式可得待测件面形的相位分布为：
Figure 878984DEST_PATH_IMAGE002
然而实际情况下，由于加工精度因素，四分之一波片必然会存在一定的相位延迟 偏差，假设延迟量叠加偏差后为
Figure 2798DEST_PATH_IMAGE003
，四幅干涉图的光强分布表达式变为：
Figure 834619DEST_PATH_IMAGE004
此时经过传统相位求解方法得到的结果为：
Figure 309463DEST_PATH_IMAGE005
显然，通过
Figure 9566DEST_PATH_IMAGE006
将无法得到正确 的相位分布；
S2：放置待测件，调整动态干涉仪，使得相机采集的四幅干涉图呈密集条纹分布；
S3：灰度平均值计算，手动选取或者自动识别干涉图中条纹区域，实时获取此区域像素点灰度平均值，并计算四幅图像灰度平均值的均方根值，并多次计算保证整体获得最佳值，灰度平均值计算包括以下两个步骤：
A1：多次取点取平均值，对干涉图中条纹区域进行多次选取，反复测量获得不同的数值，对多点取样的数据进行计算，计算出不同区域像素点灰度平均值；
A2：根据不同平均值计算均方根值，通过将多组平均值带入灰度平均值的均方根值计算公式中，得出最佳平均值的均方根；
S4：调节测算，手动或者通过电机自动单向旋转调节二分之一波片83，并实时计算四幅图像灰度平均值的均方根值，当该值小于设定阈值时，停止调整二分之一波片83，
四幅干涉图的光强分布修正为：
Figure 473039DEST_PATH_IMAGE007
此时待测件面形的相位分布可以修正为：
Figure 803657DEST_PATH_IMAGE008
正常加工精度下的Δδ对公式
Figure 500218DEST_PATH_IMAGE008
造成的影响可以忽略不 计。
下面结合一个实例对本发明作进一步阐述，
实施例：利用一个动态干涉仪实现对四分之一波片延迟量误差的抑制；
步骤一：搭建图1所示的光路，调节动态干涉仪的位置，获取干涉条纹图，条纹呈密集分布；
步骤二：选中干涉条纹所在的圆形区域，获取四幅图此区域的灰度平均值，并计算四个灰度平均值的均方根值，四幅干涉图的灰度平均值分别为62.3178,70.0997,63.9684,53.8701，四个灰度值的均方根值为5.7966。
步骤三：设定阈值为1,电机启动旋转二分之一波片83，当均方根值小于1时，电机停止，得到四幅干涉条纹图，灰度平均值分别为66.7999,66.6066,65.9841,64.324，均方根值为0.9743，此时带有待测件面形的相位信息可以用公式表示：
Figure 613799DEST_PATH_IMAGE009
。
参照图3和图4，二分之一波片83包括有安装架1，安装架1上端固定连接有安装板2，安装板2一端转动连接有蜗轮3，安装板2内部转动连接有用于安装蜗轮3的安装环4，蜗轮3内部开设有通孔5，蜗轮3内部固定连接有波片本体6，安装架1一端固定连接有带动蜗轮3旋转的调节机构7，调节机构7可以带动蜗轮3进行转动，从而保证整体良好的调节效果，安装板2与安装环4均为内部中空结构，安装板2中空部分与安装环4形状大小相适配，安装环4中空部分与波片本体6形状大小相适配，安装板2与安装环4中空部分可以保证光路进行通过，从而保证整体内部良好的光线通过效果，安装环4靠近蜗轮3的一面开设有固定螺孔41，蜗轮3内部螺纹配合有固定螺钉31，固定螺钉31穿过蜗轮3与固定螺孔41相互卡合，固定螺孔41与固定螺钉31对应分布，固定螺钉31位于波片本体6外侧，保证整体稳定连接的同时，防止固定螺钉31对波片本体6造成影响，安装架1一端固定连接有用于安装的固定板11，固定板11内部螺纹配合有安装螺钉12，安装螺钉12穿过固定板11延伸至固定板11下端，安装螺钉12关于固定板11水平中心线对称分布，对称分布的安装螺钉12可以对整体进行稳定的安装，保证整体的固定效果。
实施例一
参照图2，调节机构7内部包括有固定在安装架1外侧的定位板71，定位板71上端固定连接有驱动电机72，驱动电机72输出端固定连接有带动蜗轮3转动的主动轮73。
主动轮73与蜗轮3相互啮合，主动轮73与蜗轮3相适配，蜗轮3与波片本体6的圆心线重叠，通过驱动电机72带动主动轮73进行旋转，从而方便主动轮73带动蜗轮3和波片本体6进行转动，方便整体进行调节。
实施例二
参照图5，调节机构7内部包括有固定在安装板2外侧的安装框体74，安装框体74内部转动连接有带动蜗轮3转动的蜗杆75，蜗杆75上端固定连接有手控杆76，手控杆76穿过安装框体74内侧延伸至安装框体74上端，通过转动手控杆76对蜗杆75进行旋转，且蜗杆75旋转的过程中带动蜗轮3和波片本体6进行转动，从而保证整体方便对波片本体6的角度进行调节。
实施例三
参照图6，调节机构7内部包括有固定在安装板2外侧的安装框体74，安装框体74内部转动连接有带动蜗轮3转动的蜗杆75，安装框体74上端固定连接有电动机77，电动机77输出端穿过安装框体74上端与蜗杆75固定连接，通过电动机77带动蜗杆75进行旋转，且蜗杆75旋转的过程中带动蜗轮3和波片本体6进行转动，从而保证整体方便对波片本体6的角度进行调节。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种抑制动态干涉仪中波片延迟误差干扰的方法，其特征在于：其步骤如下：
S1：实验准备，通过对二分之一波片（83）和四分之一波片进行平面度和透光率的检测，保证二分之一波片（83）和四分之一波片的数值在标准值内部，并将二分之一波片（83）和四分之一波片安装在动态干涉仪内部；
S2：放置待测件，调整动态干涉仪，使得相机采集的四幅干涉图呈密集条纹分布；
S3：灰度平均值计算，手动选取或者自动识别干涉图中条纹区域，实时获取此区域像素点灰度平均值，并计算四幅图像灰度平均值的均方根值，并多次计算保证整体获得最佳值，所述灰度平均值计算包括以下两个步骤：
A1：多次取点取平均值，对干涉图中条纹区域进行多次选取，反复测量获得不同的数值，对多点取样的数据进行计算，计算出不同区域像素点灰度平均值；
A2：根据不同平均值计算均方根值，通过将多组平均值带入灰度平均值的均方根值计算公式中，得出最佳平均值的均方根；
S4：调节测算，手动或者通过电机自动单向旋转调节二分之一波片（83），并实时计算四幅图像灰度平均值的均方根值，当该值小于设定阈值时，停止调整二分之一波片（83）。
2.根据权利要求1所述的抑制动态干涉仪中波片延迟误差干扰的方法，其特征在于：所述二分之一波片（83）包括有安装架（1），所述安装架（1）上端固定连接有安装板（2），所述安装板（2）一端转动连接有蜗轮（3），所述安装板（2）内部转动连接有用于安装蜗轮（3）的安装环（4），所述蜗轮（3）内部开设有通孔（5），所述蜗轮（3）内部固定连接有波片本体（6），所述安装架（1）一端固定连接有带动蜗轮（3）旋转的调节机构（7）。
3.根据权利要求2所述的抑制动态干涉仪中波片延迟误差干扰的方法，其特征在于：所述安装板（2）与安装环（4）均为内部中空结构，所述安装板（2）中空部分与安装环（4）形状大小相适配，所述安装环（4）中空部分与波片本体（6）形状大小相适配。
4.根据权利要求2所述的抑制动态干涉仪中波片延迟误差干扰的方法，其特征在于：所述安装环（4）靠近蜗轮（3）的一面开设有固定螺孔（41），所述蜗轮（3）内部螺纹配合有固定螺钉（31），所述固定螺钉（31）穿过蜗轮（3）与固定螺孔（41）相互卡合。
5.根据权利要求4所述的抑制动态干涉仪中波片延迟误差干扰的方法，其特征在于：所述固定螺孔（41）与固定螺钉（31）对应分布，所述固定螺钉（31）位于波片本体（6）外侧。
6.根据权利要求2所述的抑制动态干涉仪中波片延迟误差干扰的方法，其特征在于：所述调节机构（7）内部包括有固定在安装架（1）外侧的定位板（71），所述定位板（71）上端固定连接有驱动电机（72），所述驱动电机（72）输出端固定连接有带动蜗轮（3）转动的主动轮（73）。
7.根据权利要求6所述的抑制动态干涉仪中波片延迟误差干扰的方法，其特征在于：所述主动轮（73）与蜗轮（3）相互啮合，所述主动轮（73）与蜗轮（3）相适配，所述蜗轮（3）与波片本体（6）的圆心线重叠。
8.根据权利要求2所述的抑制动态干涉仪中波片延迟误差干扰的方法，其特征在于：所述安装架（1）一端固定连接有用于安装的固定板（11），所述固定板（11）内部螺纹配合有安装螺钉（12），所述安装螺钉（12）穿过固定板（11）延伸至固定板（11）下端，所述安装螺钉（12）关于固定板（11）水平中心线对称分布。
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