CN114526691A - 面向液晶空间光调制器的栅式双像元相位解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面向液晶空间光调制器的栅式双像元相位解调方法，包括步骤：S1：栅式双像元相位调制步骤，通过液晶空间光调制器来实现波前相位在垂直方向上的栅式相位调制和水平方向上的双像元波前相位调制；S2：相位插值复原步骤，利用采样灰度信息的噪声滤除、平滑处理和样条插值拟合实现光强图像的全域和准确复原；S3：梯度投影相位解调步骤，利用梯度投影算法去除干涉图像背景光强，并通过反正切运算实现相位提取，实现待测元件波前相位信息重构。本发明的一种面向液晶空间光调制器的栅式双像元相位解调方法，可实现液晶空间光调制器相位调制误差的有效控制，获取准确的相位分布信息，可基于液晶空间光调制器实现准确的空间相位提取。

Description

面向液晶空间光调制器的栅式双像元相位解调方法

技术领域

本发明涉及激光干涉检测技术领域，尤其涉及一种面向液晶空间光调制器的栅式双像元相位解调方法。

背景技术

相移干涉测量技术(PSI)，通过一帧或多帧干涉图像序列波前耦合相位信息的解调，实现光学元件等表面形貌三维信息测量、重构。经过近四十年研究发展，因全像场、非接触、高精度及灵敏度、无损伤等优势，相移干涉逐渐取代传统机械接触式检测技术，成为光学元件面形检测领域重要手段之一，并被广泛应用。

根据干涉原理，相干光束在传播时，波前相位随时间、空间可产生周期性变化。按照相位变化原理，PSI的实现类型被分为时间移相(T-PSI)和空间移相(S-PSI)。T-PSI原理简单，易于实现，应用广泛，但其需要采集多帧干涉图像，相移次数多，检测周期长，导致其检测过程受外界环境振动、周围空气扰动等因素影响严重。而空间移相(S-PSI)技术，通过空间位置各像元相移量调控，仅采集一帧干涉图像即可实现波前相位信息的提取。相较于T-PSI，S-PSI技术具备采集图像数量少、采样周期大幅度缩短，使得其抗振动、抗干扰能力强，误差累量小，具有更广阔的发展空间和工业应用前景。目前，S-PSI已成为干涉检领域的主要研究方向。

液晶空间光调制器(LC-SLM)，基于晶体的电控双折射效应，可以实现波前振幅及相位调制，其操作灵活，鲁棒性强，调制分辨率高，是目前一种新兴的S-PSI技术。然而，受到调制模式限制，S-PSI往往需要高精度的相位调制及配准，否则将导致其图像采集质量较低、误差大。目前，2*2像素调制是传统S-PSI的常用相位调制方法，其四个像素相位制量为π/2，各像元以0，π/2，π，3π/2为相移量交替，同时，各调制单元以2*2像素为单位，规则排列分布。然而，与其它S-PSI技术不同的是，LC-SLM内部存在沟道阱，其相邻像元相位变化及位置分布存在过渡误差、配准误差，且误差值与调制像元数量满足负相关关系；因此，利用现有的2*2调制模式，LC-SLM无法实现以π/2为调制量的精确相移。

综上分析，LC-SLM作为一种新兴的S-PSI相移器件，具备很好的应用前景，但其目前的2*2模式相位调制方法复杂，且对像元调制精度及配准精度要求高，致使其各像元采集光强及位置分布误差较大。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种面向液晶空间光调制器的栅式双像元相位解调方法，能够基于液晶空间光调制器实现准确的空间相位提取。

为了实现上述目的，本发明提供一种面向液晶空间光调制器的栅式双像元相位解调方法，包括步骤：

S1：栅式双像元相位调制步骤，通过液晶空间光调制器来实现波前相位在垂直方向上的栅式相位调制和水平方向上的双像元波前相位调制；

S2：相位插值复原步骤，利用采样灰度信息的噪声滤除、平滑处理和样条插值拟合的方法实现光强图像的全域和准确复原；

S3：梯度投影相位解调步骤，利用梯度投影算法去除干涉图像背景光强，并通过反正切运算实现相位提取，实现待测元件波前相位信息重构。

优选地，所述S1步骤进一步包括步骤：

S11：启动干涉仪，进行系统校正；

S12：利用所述液晶空间光调制器，实现垂直方向上的栅式相位调制和水平方向上的双像元波前相位调制，相位调制量为π/2，并获取相应的干涉图像I。

优选地，所述S2步骤进一步包括步骤：

S21：利用所获得的所述干涉图像I，将环境干扰作为信息噪声，进行拟合运算和平滑处理，实现干扰误差修正和噪声滤除；

S22：对干扰误差修正和噪声滤除后的所述干涉图像I进行干涉图像元素分离后样条差值和拟合，实现间隔像元光强的计算，得到移前干涉图像I₁和移后干涉图像I₂。

优选地，所述S3步骤进一步包括步骤：

S31：对所述移前干涉图像I₁和所述移后干涉图像I₂，选择投影方向，计算合成图像内各像元坐标以及像元坐梯度投影值，计算所述移前干涉图像I₁和所述移后干涉图像I₂各像元背景光强项；以合成图像矩阵行为单元，计算和去除所述移前干涉图像I₁和所述移后干涉图像I₂的背景光强；

S32：对去除背景光的所述移前干涉图像I₁和所述移后干涉图像I₂，利用反正切法，计算行内各像元相位，并推广至图像内所有行，获得所有元素的波前相位信息。

优选地，所述S1步骤中：

将所述液晶空间光调制器作为参考光的反射镜，通过所述液晶空间光调制器的逐点相位调制，实现参考光波前相位在垂直方向上栅式和水平方向上双像元的调制，从而保证基于所述液晶空间光调制器的参考光相位的精准调制，并获取所述干涉条纹图像I。

优选地，所述S2步骤中：

根据所获得的所述干涉条纹图像I，将环境干扰作为信息噪声，首先通过拟合运算和平滑处理，实现干扰误差修正和噪声滤除；随后基于所获得的所述干涉条纹图像I，采用样条差值和拟合技术，实现间隔像元光强的准确填充和计算，进而获得相移量为π/2的所述移前干涉图像I₁和所述移后干涉图像I₂。

优选地，所述S3步骤中：

利用所获得的所述移前干涉图像I₁和所述移后干涉图像I₂，采用两步移相技术，实现图像序列背景光强信息的提取和消除，并利用反正切算法完成相位提取，进而完成波前相位信息解调。

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

本发明提出了栅式双像元相位调制步骤、相位插值复原步骤、以及梯度投影相位解调步骤，最终基于LC-SLM实现了准确的波前相位信息的调制，及波前相位信息解调。具体可概括为：1)本发明所提出的栅式双像元相位调制步骤采用垂直方向栅式和水平方向双像元调制方法，有效提高了LC-SLM相位调制精度；2)相位插值复原步骤通过干扰误差修正、噪声滤除、样条差值、拟合技术，实现了像元光强的准确计算，完成了光强信息的准确还原；3)梯度投影相位解调步骤，采用梯度投影及反正切运算去除合成图像背景光强，最终精准地实现相位信息解调。

特别是本发明提出的栅式双像元相位调制步骤、相位插值复原步骤、以及梯度投影相位解调步骤，有助于基于LC-SLM，实现单帧干涉图像实现精确的波前相位信息提取。本发明对于LC-SLM作为光学干涉相位调制元件，实现检测精度的提高，乃至提高LC-SLM干涉仪的抗干扰、抗振动能力具有重要的实际意义和价值，这对于LC-SLM的推广应用至关重要。

附图说明

图1为本发明实施例的面向液晶空间光调制器的栅式双像元相位解调方法的流程图；

图2为本发明实施例的LC-SLM移相干涉系统的结构示意图；

其中，光学平台1，计算机2，LC-SLM控制器3，CCD相机4，衰减片5，激光器6，第一偏振片7，中性滤光片8，调焦镜头9，半反半透镜10，液晶空间光调制器(LC-SLM)11，第二偏振片12，待测元件13。

具体实施方式

下面根据附图图1和图2，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

请参阅图1和图2，本发明实施例的一种面向液晶空间光调制器的栅式双像元相位解调方法，包括步骤：

S1：栅式双像元相位调制步骤，通过液晶空间光调制器11来实现波前相位在垂直方向上的栅式相位调制和水平方向上的双像元波前相位调制；

S2：相位插值复原步骤，利用采样灰度信息的噪声滤除、平滑处理和样条插值拟合的方法实现光强图像的全域和准确复原；

S3：梯度投影相位解调步骤，利用梯度投影算法去除干涉图像背景光强，并通过反正切运算实现相位提取，实现待测元件13波前相位信息重构。

S1步骤进一步包括步骤：

S11：启动干涉仪，进行系统校正；

S12：利用液晶空间光调制器11，实现垂直方向上的栅式相位调制和水平方向上的双像元波前相位调制，相位调制量为π/2，并获取相应的干涉图像I。

S2步骤进一步包括步骤：

S21：利用所获得的干涉图像I，将环境干扰作为信息噪声，进行拟合运算和平滑处理，实现干扰误差修正和噪声滤除；

S22：对干扰误差修正和噪声滤除后的干涉图像I进行干涉图像元素分离后样条差值和拟合，实现间隔像元光强的计算，得到移前干涉图像I₁和移后干涉图像I₂。

S3步骤进一步包括步骤：

S31：对移前干涉图像I₁和移后干涉图像I₂，选择投影方向，计算合成图像内各像元坐标以及像元坐梯度投影值，计算移前干涉图像I₁和移后干涉图像I₂各像元背景光强项；以合成图像矩阵行为单元，计算和去除移前干涉图像I₁和移后干涉图像I₂的背景光强；

S32：对去除背景光的移前干涉图像I₁和移后干涉图像I₂，利用反正切法，计算行内各像元相位，并推广至图像内所有行，获得所有元素的波前相位信息。

S1步骤中：将液晶空间光调制器11作为参考光的反射镜，通过液晶空间光调制器11的逐点相位调制，实现参考光波前相位在垂直方向上栅式和水平方向上双像元的调制，从而保证基于液晶空间光调制器11的参考光相位的精准调制，并获取干涉条纹图像I。

S2步骤中：根据所获得的干涉条纹图像I，将环境干扰作为信息噪声，首先通过拟合运算和平滑处理，实现干扰误差修正和噪声滤除；随后基于所获得的干涉条纹图像I，采用样条差值和拟合技术，实现间隔像元光强的准确填充和计算，进而获得相移量为π/2的移前干涉图像I₁和移后干涉图像I₂。

S3步骤中：利用所获得的移前干涉图像I₁和移后干涉图像I₂，采用两步移相技术，实现图像序列背景光强信息的提取和消除，并利用反正切算法完成相位提取，进而完成波前相位信息解调。

本发明实施例一的一种面向液晶空间光调制器的栅式双像元相位解调方法，包括栅式双像元相位调制步骤、相位插值复原步骤、以及梯度投影相位解调步骤；其中，栅式双像元相位调制步骤，通过液晶空间光调制器11(LC-SLM)来实现波前相位在垂直方向上的栅式、水平方向上的双像元波前相位调制；相位插值复原步骤，基于采样灰度信息的噪声滤除、平滑处理和样条拟合等方法实现光强图像的全域、准确复原；灰度投影相位解调步骤，通过梯度投影算法去除干涉图像背景光强，并通过反正切运算实现相位提取，实现待测元件13波前相位信息重构。液晶空间光调制器的相位解调方法通过栅式双像元相位调制步骤实现液晶空间光调制器11相位调制误差的有效控制，通过相位插值复原步骤和梯度投影相位解调步骤获取准确的相位分布信息，从而基于液晶空间光调制器11实现准确的波前相位信息的提取。

栅式双像元相位调制步骤，采用了在垂直方向上的栅式、水平方向上的双像元波前相位调制方式，来保证LC-SLM相位调制精度的实现，其基本原理如下：设ξ为LC-SLM相位调制误差，可表示为：ξ＝ξ_dem+ξ_int+ξ_map，其中，ξ_dem，ξ_int，ξ_map分别表示LC-SLM相位调制过程中的相移误差、间隔误差、配准误差。对于相移误差ξ_dem，其一方面受限于器件调制特性及分辨精度，在各调制单元内，误差大小与同步相移像元的数量呈正比。另一方面，LC-SLM存在调制阈值，当同相移像元数量低于调制阈值时，空域图像内全像元相移量一致，误差值趋于无穷大。若以ξ_dem表示相移误差，其表达式为：

其中，n表示一个调制单元内同相移像元数量(间隔像元数)，N表示调制阈值；

分别表示水平方向、竖直方向相移误差；k，ε，η分别表示比例系数，比例常数，误差波动量。针对间隔误差ξ_int而言，基于空域图内像元分布特性，同相移像元间隔排列，间隔数量受制于调制方法，间隔像元光强基于相邻像元插值计算。选取间隔区间端点为插值原点，实现间隔内各像元光强计算，插值误差表示为：

其中，i表示间隔内像元坐标。针对间隔误差ξ_map而言，其主要来自于LS-SLM与CCD靶面像元匹配不准确，且其误差值与间隔像元数呈反比约束关系。即，若以ξ_map表示间隔误差，则其计算式表示为：

其中，n表示间隔内像素数量，k'表示反比例系数，Δ表示配准误差相对相移误差及间隔误差的修正系数，η'表示反比例常数。综上，相位调制误差ξ可记为：

因此，在像元配准无亚像素区域的前提下，n值的选取以ξ最小为依据。此外，由于LS-SLM具有较小调制迟滞性及蠕变性，故k₁，k₂趋近于0。间隔误差为各像点插值误差的累积值，其随n单调递增。光路配准精度为像素级，相较间隔误差，n对配准误差的影响可被忽略，即Δ趋近于-k'。因此，

相位调制误差ξ可修正为：

其中，c表示误差常量之和。基于ξ表达式，在竖直方向，本发明以栅式结构为相位调制模式，各像元相移量一致，间隔像元数等于图像矩阵行数，高于调制阈值；在水平方向，间隔误差随间隔像元数递增，又因调制阈值为1pixel，故间隔像元数n取2；这也就说明，基于栅式、双像元的相位调制模式，保证检测视场内各像元有效调制，可使得相位调制误差最小。

相位插值复原步骤，将环境干扰作为源信息噪声，通过拟合运算、插值运算，实现干扰误差修正，噪声滤除。基于插值及样条拟合的加权计算，可以在保留源信息的条件下，滤除部分环境误差，修正计算结果。样条拟合基于误差最小化原则，计算拟合曲线内各项系数，其表达式为：

其中，p为拟合系数，j为源点序列，N为源点总数，k为误差系数，y为源点计算值，f(x)表示源点真实值，λ(t)表示粗糙度系数。其中，拟合系数p是控制噪声滤除效果的关键参量，其取值范围在0-1之间。随着拟合系数增加，数据更贴近插值结果，保留信息更充分，但是，噪声滤除效果降低，当p＝1时，拟合结果与插值结果一致。在保留数据信息的条件下，为实现噪声滤除，复原像元光强值应为插值结果与拟合结果的加权和值。针对拟合权重，其值应由拟合系数确定，并在微小范围内波动，避免拟合奇点误差。以G_i表示拟合结果，ρ表示拟合系数，δ表示波动范围，则复原像元光强为:

其中，k_p，k_g分别表示插值系数，拟合系数。

灰度投影相位解调步骤，利用插值所获得的相移为π/2的光强干涉图像，图像为：

沿

方向(条纹法线方向)对

进行灰度投影后为：

背景光强项为：

消除背景光强信息后，图像光强可记为：

故有：

通过反正切运算计算可得：

对

项梯度投影得：

则合成图像矩阵像元

梯度投影值

计算过程转化

计算过程。取x轴方向i为投影方向，图像内坐标(ζ,η)的

项结果可表示为：

式中，ζ＝1,2,…,m，η＝1,2,…,n，ΔIζ表示矩阵相邻元素光强差值，Δζ表示对应坐标差值。若干涉条纹波列极大值点坐标为x_max，极小值点坐标为x_min，位置坐标距离ρ(x)表式为:ρ(x)＝x_max-x_min，故有：

则合成图像内坐标为(ζ,η)像元梯度投影值

表示为：

像元(ζ,η)背景光强项a(ζ,η)为：

式中，k为投影方向。推广至η行所有元素，以各像素点梯度投影均值为该行背景光强值，即：

当干涉条纹竖直分布时，矩阵内任意行包含多个完整干涉波列，图像矩阵以行为单元独立计算并去除背景光强。η行内各像元解调相位正切值可表示为：

推广至矩阵内任意行，则波前解调相位可表示为：

本发明实施例二的一种面向液晶空间光调制器的栅式双像元相位解调方法，包括以下步骤：(1)启动干涉仪，进行系统校正；(2)利用LC-SLM，实现垂直方向上的栅式、水平方向上的双像元波前相位调制，相位调制量为π/2，并获取相应的干涉图像；(3)利用所获得的干涉图像，将环境干扰作为信息噪声，进行拟合运算、平滑处理，实现干扰误差修正、噪声滤除；(4)基于步骤(3)，进行干涉图像元素分离后的样条差值、拟合技术，实现间隔像元光强的准确计算，得到移前、后两个干涉图像；(5)基于步骤(4)所获得的合成干涉图像，选择投影方向，计算合成图像内各像元坐标以及像元坐梯度投影值，计算干涉图像各像元背景光强项；以合成图像矩阵行为单元，独立计算并去除其背景光强；(6)基于步骤(5)所获得的去除背景光前后的干涉图像，利用反正切法，计算行内各像元相位，并推广至图像内所有行，进而获得所有元素的波前相位信息；(7)结束。

本发明在实施过程中，所涉及的移相干涉仪，可采用下列器材：

(1)光学平台1：精密防振光学平台，600*900*800mm，平面度：<0.05mm/m²，表面粗糙度：<0.8μm，固有频率；x方向：3.5Hz～6Hz，y方向：3.5Hz～6Hz，振幅：<5μm，荷载能力：800kg/m²，重复定位精度：±0.05mm；

(2)计算机2：型号为研华IPC-610L-701VG，处理器inter i5-2400，支持JPEG硬件编解码，内存为4G bits DDR3。支持RGB 24Bit接口及TVOUT视频输出。显示器：型号三星C27F390FHC，分辨率1920*1080。

(3)LC-SLM控制器3：与液晶空间光调制器11(LC-SLM)匹配，可实现液晶空间光调制器11的控制电压的输出；

(4)CCD相机4：采用巴斯勒acA2400-50gm面阵CCD，2048*1536像素，成像区域大小为3626μm x 2709μm，像素大小为1.75μm x 1.75μm，最高速度可达50帧每秒；

(5)衰减片5：型号GT-060101，旋转式调节，可调衰减器，光密度OD:0-3.0；

(6)激光器6：波长532nm，200mw固体激光器，单纵模；

(7)第一偏振片7：大恒GCL-0510系列线性薄膜偏振片，直径：25.4mm(+00/-0.lmm)，通光孔径：中10mm，厚度：5+0.1mm，波前畸变：</4@633nm，光洁度：I级，工作温度：-20～+120℃；

(8)中性滤光片8：中性密度滤光片，直径D＝25mm，光密度值＝4.0，灰色玻璃OD值2，D＝25mm，有效孔径：90％；

(9)调焦镜头9：富士HF25XA-1 1:1.6/25mm工业300万象素镜头，规格Format：2/3"；接口方式：C；焦距(mm)：12-36(可变)；光圈(F)：2.8-16C；视场角(水平HOR)°：41.0-13.6；最近物像距离(M)：0.2；有效口径：前

后

前置滤光镜螺纹

外形尺寸

(10)半反半透镜10：品牌大恒，GCC-4011系列宽带分光棱镜，透射率/反射率：50/50；材料K9；外形尺寸：25.4mm*25.4mm*25.4mm；

(11)液晶空间光调制器11(LC-SLM)：分辨率1920x1152，光能利用效率88％，液晶响应速度833Hz，可选波长范围400nm-1650nm，有效消除相位纹波，液晶响应速度快，相位调制量至可达6π，损伤阈值高，可实现纯相位调制，纯振幅调制，相位振幅混合调制；

(12)第二偏振片12：大恒GCL-0510系列线性薄膜偏振片，直径：25.4mm(+00/-0.lmm)，通光孔径：中10mm，厚度：5+0.1mm，波前畸变：</4@633nm，光洁度：I级，工作温度：-20～+120℃；

(13)待测元件13：根据实际情况选择。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种面向液晶空间光调制器的栅式双像元相位解调方法，包括步骤：

S1：栅式双像元相位调制步骤，通过液晶空间光调制器来实现波前相位在垂直方向上的栅式相位调制和水平方向上的双像元波前相位调制；

S2：相位插值复原步骤，利用采样灰度信息的噪声滤除、平滑处理和样条插值拟合的方法实现光强图像的全域和准确复原；

S3：梯度投影相位解调步骤，利用梯度投影算法去除干涉图像背景光强，并通过反正切运算实现相位提取，实现待测元件波前相位信息重构。

2.根据权利要求1所述的面向液晶空间光调制器的栅式双像元相位解调方法，其特征在于，所述S1步骤进一步包括步骤：

S11：启动干涉仪，进行系统校正；

S12：利用所述液晶空间光调制器，实现垂直方向上的栅式相位调制和水平方向上的双像元波前相位调制，相位调制量为π/2，并获取相应的干涉图像I。

3.根据权利要求2所述的面向液晶空间光调制器的栅式双像元相位解调方法，其特征在于，所述S2步骤进一步包括步骤：

S21：利用所获得的所述干涉图像I，将环境干扰作为信息噪声，进行拟合运算和平滑处理，实现干扰误差修正和噪声滤除；

S22：对干扰误差修正和噪声滤除后的所述干涉图像I进行干涉图像元素分离后样条差值和拟合，实现间隔像元光强的计算，得到移前干涉图像I₁和移后干涉图像I₂。

4.根据权利要求3所述的面向液晶空间光调制器的栅式双像元相位解调方法，其特征在于，所述S3步骤进一步包括步骤：

S31：对所述移前干涉图像I₁和所述移后干涉图像I₂，选择投影方向，计算合成图像内各像元坐标以及像元坐梯度投影值，计算所述移前干涉图像I₁和所述移后干涉图像I₂各像元背景光强项；以合成图像矩阵行为单元，计算和去除所述移前干涉图像I₁和所述移后干涉图像I₂的背景光强；

S32：对去除背景光的所述移前干涉图像I₁和所述移后干涉图像I₂，利用反正切法，计算行内各像元相位，并推广至图像内所有行，获得所有元素的波前相位信息。

5.根据权利要求4所述的面向液晶空间光调制器的栅式双像元相位解调方法，其特征在于，所述S1步骤中：

将所述液晶空间光调制器作为参考光的反射镜，通过所述液晶空间光调制器的逐点相位调制，实现参考光波前相位在垂直方向上栅式和水平方向上双像元的调制，从而保证基于所述液晶空间光调制器的参考光相位的精准调制，并获取所述干涉条纹图像I。

6.根据权利要求5所述的面向液晶空间光调制器的栅式双像元相位解调方法，其特征在于，所述S2步骤中：

根据所获得的所述干涉条纹图像I，将环境干扰作为信息噪声，首先通过拟合运算和平滑处理，实现干扰误差修正和噪声滤除；随后基于所获得的所述干涉条纹图像I，采用样条差值和拟合技术，实现间隔像元光强的准确填充和计算，进而获得相移量为π/2的所述移前干涉图像I₁和所述移后干涉图像I₂。

7.根据权利要求6所述的面向液晶空间光调制器的栅式双像元相位解调方法，其特征在于，所述S3步骤中：

利用所获得的所述移前干涉图像I₁和所述移后干涉图像I₂，采用两步移相技术，实现图像序列背景光强信息的提取和消除，并利用反正切算法完成相位提取，进而完成波前相位信息解调。

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