CN114688963A - 多波长点衍射干涉仪用光路合束质量检测校准方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波长点衍射干涉仪用光路合束质量检测校准方法及系统，用彩色CCD采集各个通道的光斑，计算光斑的轮廓、质心等参数，分析合束光的合束效果、空间传播状态及误差来源，将其误差作为反馈信号控制相关驱动元件，构成闭环的反馈控制系统，精确调整多波长光路。本发明结构简单，功能全面，可对合束光的空间传播状态、光强及分布、光路的焦点和倾斜状态进行检测与校准，适用于多波长干涉测量领域。

Description

多波长点衍射干涉仪用光路合束质量检测校准方法及系统

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，具体涉及一种多波长点衍射干涉仪用光路合束质量检测校准方法及系统。

背景技术

非球面元件是面形由多项高次方程决定、且在面形上各点的曲率半径均不同的光学元件，其校正球差、彗差等像差的能力使其在光学仪器中得到广泛应用。非球面的面形质量对光学仪器的性能有重要影响，因此关于非球面的测量，特别是大口径、高次的非球面面形检测技术，是光学精密测量领域的重点研究对象。

干涉法是以光的干涉原理为基础，根据干涉图中的相位信息实现对待测镜的面形检测，是光学测量中的一种常用测量方法，也是非球面面形检测的主要技术之一，传统的干涉检测法有菲索型干涉和泰曼格林型干涉，已经实现了商业化，著名的Zygo、4DTechnology等厂商基本都是以上两种类型。

请参阅图1，点衍射干涉利用小孔衍射原理，当光束经过衍射小孔后产生衍射波前，分为检测波前和参考波前两路，检测波前传导至待测元件后经过待测件的反射至衍射孔板处，经过孔板反射后与参考波前发生干涉，最终被CCD接收得到具有待测件面形信息的干涉图，经过移相、相位信息提取和解包裹后，得到干涉图的相位信息，完成对待测件的面形检测。

多波长点衍射干涉法采用红(λ₁＝633nm)、绿(λ₂＝532nm)、蓝(λ₃＝457nm)三种波长，将来自三个激光发射器的三种激光经过偏振、扩束和反射后汇聚至同一光路形成合束光，合束光通过衍射小孔产生衍射波前，同时进行衍射干涉，被CCD接收后可同时获得红、绿、蓝三个通道下的干涉图，基于中国余数定理(CRT)实现对干涉图相位信息的单帧提取，无需移相，摆脱了大口径元件移相困难的问题，防振性能良好。

在点衍射干涉测量中，光的传播是影响测量精度的重要因素，若光束的空间传播不佳、光路倾斜等，会导致由光束衍射产生的衍射波前传播倾斜，所采集的干涉图会有偏离、条纹歪曲等现象，无法准确提取干涉图中的相位信息，造成测量精度降低等问题。

请参阅图2，在多波长干涉测量中，三个不同波长的光波同时进行衍射干涉，得到三个通道下的干涉图以实现单帧的相位信息提取，若某个通道下的光斑有光强分布不均、光强过强或过弱等问题，会导致该通道下的干涉图相位信息难以提取，影响多波长干涉测量精度。

请参阅图3，多波长干涉测量光路中，合束是关键的一环，不仅要对合束光的空间传播、光路倾斜程度进行检测，还需要对红、绿、蓝三个通道的光强分布等进行检测与调整。波长合束的检测方法主要有自准直法、激光干涉法等，国内外已经广泛采用CCD、CMOS等光电探测器，结合机电系统实现合束光的检测，具有自动化程度高、检测准确的优点。国内的研究主要集中于中科院长春光机所、西安电子科技大学等少数几所院校，但相关的研究主要在激光发射领域，需要搭建较为复杂的辅助光路，检测重点在于光束的传播角度，不能完全满足多波长干涉测量对合束光各通道的光强分布进行检测的要求。不仅仅是在检测领域，在光路的调整上也是普遍依靠人工进行调节，受个人主观影响因素较大，难以进行误差补偿。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种多波长点衍射干涉仪用光路合束质量检测校准方法及系统，采用由三种不同波长组成的合束光进行干涉衍射，实现对待测镜面形的单帧测量。

本发明采用以下技术方案：

多波长点衍射干涉仪用光路合束质量检测校准方法，包括以下步骤：

S1、搭建多波长合束质量检测光路；

S2、利用步骤S1搭建的检测光路检测合束光经显微物镜聚焦后的焦平面位置；

S3、步骤S2确定检测焦平面位置后，根据光斑图像状态微调节显微物镜离焦，根据光斑曝光灰度值调节衰减片，对光强进行衰减，前后调节可调显微物镜，采集前端点和后端点处的图像，对采集的图像进行预处理，提取图像中的感兴趣区域；

S4、对步骤S3前端点处图像感兴趣区域的RGB三通道和均值灰度图的光强及分布进行检测，采用灰度区域面积法求解灰度图像的灰度容量和质心，用于表征光斑的光强大小和分布状况；

S5、对步骤S3前端点和后端点处图像感兴趣区域的RGB三通道和均值灰度图进行轮廓拟合，利用合束光的空间传播状态检测判断光束在X、Y方向上的倾斜，确定光斑在CCD靶面上的椭圆投影；

S6、根据步骤S5投影在CCD靶面上的光斑长轴与短轴之比确定光路的倾斜程度；

S7、根据步骤S4确定的光强大小及分布状态，步骤S5确定的光斑在CCD靶面上的椭圆投影，以及步骤S6确定的光路倾斜程度对多波长光路GB通道反射镜和合束部分中显微物镜的偏转角进行调整，完成光路合束校准。

具体的，步骤S1中，多波长合束质量检测光路包括基础部分和检测部分；基础部分由三个激光器发射三种不同波长的激光，三种不同波长的激光各自经过偏振片后由线偏振光调整为圆偏振光，再扩束后产生光斑，蓝光和绿光经反射镜反射后在中间光路与红光汇合形成合束光；检测部分包括可调显微物镜和彩色CCD，合束光经过显微物镜聚焦后投射至CCD靶面，通过前后调节显微物镜，采集相位位置不同的光斑图像。

具体的，步骤S2中，根据图像中的光斑大小确定汇聚光路的焦点位置，当可调显微物镜调节至前后可调范围的中间位置时，对应位置下光路的焦点即为理论彩色CCD的检测焦平面位置；可调显微物镜前后调节的极限位置处作为端点；通过微调显微物镜的焦距，在CCD固定的情况下确定实际检测焦平面位置，采集相对位置不同的光斑图像。

进一步的，当合束光斑的直径达到最小值时，作为焦点光斑图像。

具体的，步骤S3中，提取图像中的感兴趣区域具体为：

对相对位置不同的图像进行裁剪，裁剪的起始坐标和窗口大小应完全相同，裁剪完成后，对图像进行高斯滤波和均值滤波，对滤波后的彩色图像进行通道分离，得到R、G、B三个通道下的光斑图像，用R、G、B三个图像求解彩色图像的均值灰度图，采用均值灰度法实现对彩色图像的灰度转换。

具体的，步骤S4中，当各质心之间的最大间距L≤70像素时，光强分布均匀；当最大灰度区域面积area_max与最小灰度区域面积area_min的比值≤1.05时，光斑各通道中光强大小相同。

具体的，步骤S5中，当两端点之间轮廓中心的最大偏差L₂≤70像素，各通道半径的最大偏差Δr_max≤40像素时，根据椭圆轮廓进行进一步判断；若两端点之间轮廓中心的最大偏差L₂不满足时，调节光路中的可调显微物镜。

具体的，步骤S6中，当长轴Ra与短轴Rb之比Ra/Rb≤1.05，判定光路的倾斜在可接受范围内；当Ra/Rb＞1.05，调节显微物镜。

具体的，步骤S7中，当各质心之间的最大间距L＞70像素时，根据θ_x＝k(ΔL_xi)和θ_y＝k(ΔL_yi)调节反射镜偏转角度，完成质心调节，其中，i＝g，b，θ_x，θ_y分别为二维镜片调节架在X和Y方向上的调整角度，ΔL_xi和ΔL_yi分别为i通道下的质心坐标与红色通道下质心坐标在X和Y上的偏差，k为调整角度与偏差之间的换算值；

可调显微物镜的调整架由压电螺钉进行驱动，对X方向和Y方向上的偏角进行调节，在空间传播的调整中，对X和Y两个方向上的倾角θ_2x、θ_2x进行调整，调整后重新进行轮廓检测，直至满足两端点之间轮廓中心的最大偏差L₂≤70像素且Ra/Rb≤1.05为止。

第二方面，本发明实施例提供了一种多波长点衍射干涉仪用光路合束质量检测校准系统，包括：

光路模块，搭建多波长合束质量检测光路；

位置模块，利用光路模块搭建的检测光路检测合束光经显微物镜聚焦后的焦平面位置；

提取模块，位置模块确定检测焦平面位置后，根据光斑图像状态微调节显微物镜离焦，根据光斑曝光灰度值调节衰减片，对光强进行衰减，前后调节可调显微物镜，采集前端点和后端点处的图像，对采集的图像进行预处理，提取图像中的感兴趣区域；

表征模块，对提取模块得到的前端点处图像感兴趣区域的RGB三通道和均值灰度图的光强及分布进行检测，采用灰度区域面积法求解灰度图像的灰度容量和质心，用于表征光斑的光强大小和分布状况；

检测模块，对提取模块得到的前端点和后端点处图像感兴趣区域的RGB三通道和均值灰度图进行轮廓拟合，利用合束光的空间传播状态检测判断光束在X、Y方向上的倾斜，确定光斑在CCD靶面上的椭圆投影；

倾斜模块，根据检测模块投影在CCD靶面上的光斑长轴与短轴之比确定光路的倾斜程度；

校准模块，根据表征模块确定的光强大小及分布状态，检测模块确定的光斑在CCD靶面上的椭圆投影，以及倾斜模块确定的光路倾斜程度对多波长光路GB通道反射镜和合束部分中显微物镜的偏转角进行调整，完成光路合束校准。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明多波长点衍射干涉仪用光路合束质量检测校准方法，在多波长光路的基础上用彩色CCD和可调显微物镜对相对位置不同的光斑图像进行采集，用质心、灰度区域面积表示图像中各个通道的光斑光强及分布；并对相对位置不同的前后端点图像进行轮廓拟合，根据轮廓中心的偏差和椭圆度表达光路的倾斜状况；将检测结果和标准值进行对比，并作为反馈信号控制压电螺钉和二维镜片调整架，实现对光路的自动化调整，结构简单并满足多波长合束质量检测的功能要求。

进一步的，多波长合束质量检测光路分为基础部分和检测部分，基础部分本身就是多波长点衍射干涉测量光路的一部分，由三束激光经过反射偏转后于显微物镜前合为一束；检测部分则利用彩色CCD同时接收三个通道的图像并进行检测，并根据检测结果采用压电螺钉等设备对光路进行调整，以得到光强分布均匀、空间传播状态较好的合束光。调整完成后撤去CCD即可进行后续的光路搭建。

进一步的，在光束传播过程中，当光路出现倾斜时，随着光束的传播，光斑位置会出现偏差。根据这一现象，通过可调显微物镜采集前后两端点的图像，根据图像中光斑轮廓中心的偏差来反映光路的倾斜并做出调整。

进一步的，根据透镜聚焦的原理，达到焦点位置时光线汇聚成一点，因此在光斑的直径达到最小值时可基本确定光路的焦平面位置。以该位置作为CCD的固定位置，可使得在前后端点处的光斑大小和光强分布基本相同。

进一步的，图像预处理是图像处理中重要的一部分，多波长点衍射干涉是由红、绿、蓝三个波长作为光源，因此对图像进行处理时需要将三通道分离出来各自进行检测；而对图像进行裁剪以提取感兴趣区域，可有效减少所需处理的像素数目，提高检测效率。

进一步的，光强的大小和分布会影响干涉图中的条纹对比度，而多波长干涉测量需要提取对RGB三通道图中的干涉图相位进行提取，若各通道之间的光强或光强分布差异过大，会导致相位提取不准确，继而影响测量精度。灰度区域面积法中，灰度区域面积可用于表征光斑的光强大小，质心可用于表征光强的分布，当各通道的质心坐标相近时表明各通道光强分布相近，光斑合束状况好。

进一步的，显微物镜的偏差是导致光路倾斜的主要原因，光路的倾斜则会导致光束在传播过程中产生偏差，通过采集相对位置不同的光斑图像并轮廓拟合后计算其轮廓中心之间的最大偏差以反映光路倾斜程度，当偏差越小时，证明光路的倾斜就越小。光斑的半径则表示光斑大小，当各通道光斑半径偏差在标准范围内时可认定光斑大小基本相同。

进一步的，光路倾斜的另一种表现形式是光斑在CCD靶面上的投影，若倾斜程度较大，则投影的椭圆度更大，采用长轴Ra与短轴Rb之比是对光路倾斜程度的另一种衡量。

进一步的，光路中GB两通道是通过反射镜反射来实现与R通道的合束，因此调节GB通道中的反射镜即可调节RGB的合束情况，而各通道的质心偏差则是对合束状况的衡量指标；而光路的倾斜是由显微物镜的倾斜引起的，采用压电螺钉等元件对反射镜和显微物镜的偏转角度进行调节，可以有效改善RGB光束的合束并校准光路，以得到高质量的多波长合束光。

综上所述，本发明结构简单，功能全面，可对合束光的空间传播状态、光强及分布、光路的焦点和倾斜状态进行检测与校准，适用于多波长干涉测量领域。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为干涉法检测流程示意图；

图2为干涉图，其中，(a)为倾斜条纹，(b)为光强分布不均，(c)为理想干涉图；

图3为多波长干涉测量光路示意图；

图4为本发明流程示意图；

图5为本发明多波长合束质量检测光路示意图；

图6为本发明中点及端点处的图像采集示意图；

图7为本发明光斑图，其中，(a)为衰减后光斑图，(b)为未衰减光斑图；

图8为本发明图像裁剪示意图；

图9为本发明图像预处理前示意图；

图10为本发明图像预处理后示意图，(a)为红色分量，(b)为绿色分量，(c)为蓝色分量，(d)为均值灰度图；

图11为本发明的光强分布示意图，其中，(a)为分布不均匀，(b)为分布均匀；

图12为本发明空间传播示意图；

图13为拟合过程示意图；

图14为第一组图像处理示意图，其中，(a)为端点1计算结果，(b)为端点2计算结果；

图15为调整后端点1各通道处理结果示意图，其中，(a)为调整后端点1计算结果，(b)为均值灰度图，(c)为红色通道，(d)为绿色通道，(e)为蓝色通道；

图16为调整后端点2各通道处理结果示意图，其中，(a)为调整后端点2计算结果，(b)为均值灰度图，(c)为红色通道，(d)为绿色通道，(e)为蓝色通道。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种多波长点衍射干涉仪用光路合束质量检测校准方法，在多波长干涉测量光路的基础上搭建简易光路，用彩色CCD接收相对位置不同的合束光斑图像，由于所采用的是彩色CCD，因此可以对图像中红、绿、蓝三个通道下的光斑进行分离与处理，分析三束光的合束质量、光强分布和光路的倾斜状态，根据计算结果对多波长光路进行调整，以得到合束质量较好的合束光，为后续获得高质量衍射波前及干涉图的精确相位提取奠定基础。

请参阅图4，本发明一种多波长点衍射干涉仪用光路合束质量检测校准方法，包括以下步骤：

S1、检测光路搭建；

多波长合束质量检测光路按功能划分可分为基础部分和检测部分，基础部分是多波长干涉测量的基本光路，由三个激光器发射的三种不同波长的激光，各自经过偏振片后由线偏振光调整为圆偏振光，再扩束后产生光斑，蓝光和绿光经反射镜反射后在中间光路与红光汇合形成合束光；检测部分由可调显微物镜和彩色CCD组成，合束光经过显微物镜聚焦后投射至CCD靶面，前后调节显微物镜，采集相位位置不同的光斑图像。

请参阅图5，光路中的衰减片、显微物镜、反射镜等均安装在可调元件上并与计算机相连，其中，可调显微物镜用于汇聚光束并调节光束的空间传播状态；反射镜片则安装在二维镜片调整架上，用于调整光束的传播角度；用压电螺钉代替调整架上的普通螺钉，可根据CCD的图像检测结果对光路进行实时调整，最终得到空间传播状态好、光强分布均匀的高质量合束光。

光路在搭建时，激光的初步合束是由人眼进行识别，在可调显微物镜前放置遮光板，距离为1.5～2.0m，以中间红色波长为参照物，调整蓝、绿通道，当三束光斑基本重叠后即完成了初步的合束，之后则根据上述流程进行精确的校准。

S2、检测焦平面位置；

根据透镜的聚光原理可知，经过可调显微物镜后的光斑在物镜的焦点位置处面积最小，所以可根据图像中的光斑大小确定汇聚光路的焦点位置。

材料对不同波长的光波的折射率不同，在一般情况下，焦距与折射率的关系如下：

其中，r为透镜的曲率半径，n为折射率，f为焦距。因此不同波长的光斑焦点位置会略有不同。多波长干涉测量系统中，透镜对红、绿、蓝三种波长的折射率分别为1.674、1.685、1.693。

本发明中，寻找焦点位置的目的是在获取可调显微物镜前后两端点处的光斑图像大小相近，在焦点处所采集的图像并不进行处理，因此对焦点位置的判断允许有一定的误差范围，且各个波长的折射率相近，焦距相差极小，所以在寻找焦点位置时可忽略波长带来的影响，直接检测合束光斑的大小而无需对所有波长的焦点位置进行判定。

请参阅图6，当可调显微物镜调节至其前后可调范围的中间位置(即中点时)，该位置下光路的焦点即为理论彩色CCD的检测焦平面位置；可调显微物镜前后调节的极限位置处则称为端点。通过微调显微物镜的焦距，便可在CCD固定的情况下确定实际检测焦平面位置，采集相对位置不同的光斑图像。

当合束光斑的直径达到最小值时(本发明中D＝160像素，成像分辨率为0.0236mm/pixel)可认定为焦点光斑图像。

S3、图像采集及预处理

确定检测焦平面位置后，根据光斑图像状态微调节显微物镜离焦。为避免经过汇聚的光斑光强过大导致CCD曝光饱和，根据光斑曝光灰度值调节衰减片，对光强进行衰减，前后调节可调显微物镜，采集前后两端点处的图像。

请参阅图7，图像预处理是图像处理中的重要环节，本发明中要提取图像中的感兴趣区域(ROI)，即图像裁剪，以减少后续所需处理的像素。

请参阅图8，对相对位置不同的图像进行裁剪时，其裁剪的起始坐标和窗口大小应完全相同。

裁剪完成后，对图像进行高斯滤波和均值滤波，以减小图像中的噪声，对滤波后的彩色图像进行通道分离，得到R(红)、G(绿)、B(蓝)三个通道下的光斑图像，用这三个图像求解彩色图像的均值灰度图。

在理想的多波长测量中，红、绿、蓝三种波长的光强和光强分布是相同的，而传统的彩色图转换为灰度的公式为：

GRAY＝0.299*R+0.587*G+0.114*B (2)

其中，R是红色通道的灰度值，G是绿色通道的灰度值，B是蓝色通道的灰度值，GRAY是彩色图像转换后的灰度值，该公式与理想状态的多波长测量条件不符，因此采用均值灰度法实现对彩色图像的灰度转换。

GRAY＝(R+G+B)/3 (3)

请参阅图9，所得的图像是由RGB三通道组成的光斑图像，且有很多冗余的像素，在实现彩色图像的通道分离、灰度转换和区域提取后，即完成了对图像的预处理。

请参阅图10，得到了RGB三通道并计算了均值灰度图，裁剪了图像减少了所需处理的图像像素。

S4、光强及分布

对RGB三通道和均值灰度图的光强及分布进行检测。在图像处理中，灰度幅值的大小和光斑面积可用于表示光强的强弱，因此本发明采用灰度区域面积法，求解灰度图像的灰度容量，用于表征光斑的光强。

灰度质心法又称为灰度重心法，可以看成以灰度为权值的加权形心法，公式如下：

其中，G[i,j]表示第i行第j列的灰度值。

轮廓中心可以视为一个特殊的灰度质心，在所求区域内的权值均相同，因此当光斑的分布完全均匀，即该区域内各像素点灰度值相等时，质心与轮廓中心重合。而当各通道的光斑光强分布越相近时，其质心越相近，因此各通道质心之间的间距可以表征光束的合束质量。

(x_r，y_r)、(x_g，y_g)、(x_b，y_b)、(x_gray，y_gray)分别为R、G、B三通道和均值灰度图的光斑质心坐标，L为各质心之间的最大间距：

其中，i≠j为，i＝r，g，b，gray，j＝r，g，b，gray。

当L≤70像素(0.0236mm/pixel)时，即可认为光强分布均匀，各通道的光斑合束效果较好。

请参阅图11，圆点表示各个通道的质心以及均值灰度图的质心，圆形轮廓为光斑的轮廓。当光强过大或分布不均匀时，可调整各通道中的衰减片；若某一通道的光束传播空间偏移过大，可调节该通道光路的反射镜偏转角度，以提高光斑的合束质量。

在调整过程中，RGB三通道的灰度区域面积应尽量相近，可根据最大灰度区域面积area_max与最小灰度区域面积area_min的比值进行判定。当area_max/area_min≤1.05时，则可认为光斑各通道中光强大小相近。

S5、空间传播

合束光的空间传播状态检测主要用于判断光束在X、Y方向上的倾斜。当倾斜严重时，光斑会因为投影现象变成椭圆；且两端点处的R、G、B通道和均值灰度图的光斑轮廓中心坐标会发生严重偏移。

请参阅图12，轮廓拟合采用最小二乘法，用一系列坐标点拟合轮廓边缘，使得误差的平方和最小化的一种方法。

设(a，b)为光斑中心坐标点，r是光斑的半径，(x_i，y_i)为边界坐标，i∈E，E表示光斑的边界集合。

圆的方程写为：

(x-a)²+(y-b)²＝r² (6)

残差的平方和为：

f＝∑_i∈E[(x_i-a)²+(y_i-b)²-r²]² (7)

请参阅图13，通过对两个端点图像的R、G、B三通道以及均值灰度图进行轮廓拟合，求取其轮廓中心和半径，根据之间的偏差可初步判断合束光的传播状况。(a_1r，b_1r)、(a_1g，b_1g)、(a_1b，b_1b)、(a_1gray，b_1gray)分别为端点1处所采集的图像各通道和均值灰度图的轮廓中心，r_1r、r_1g、r_1b、r_1gray为其轮廓的半径。(a_2r，b_2r)、(a_2g，b_2g)、(a_2b，b_2b)、(a_2gray，b_2gray)和r_2r、r_2g、r_2b、r_2gray，设L₂为两端点之间轮廓中心的最大偏差，其公式如下：

其中，i＝r，g，b，gray。

各通道光斑的大小偏差也是合束质量检测的重要参数，设Δr_max为各通道半径的最大偏差：

Δr_max＝max|r_1i-r_1j| (9)

其中，i≠j，i＝r，g，b，gray，j＝r，g，b，gray。

当L₂≤70像素，Δr_max≤40像素时(0.0236mm/pixel)，初步认定空间传播良好，后续根据其椭圆轮廓进行进一步判断。

若L₂不满足时，可调节光路中的可调显微物镜，改善光路的传播；各通道光斑的半径则由该通道下的光阑决定。

S6、椭圆拟合

根据投影原理，由图12可知，当光束传播倾斜严重时，投影在CCD靶面上的光斑会变成椭圆，椭圆的长轴Ra与短轴Rb之比可用于反映光路的倾斜程度。

本发明中，若长轴Ra与短轴Rb之比Ra/Rb≤1.05，则判定光路的倾斜在可接受范围内。若Ra/Rb＞1.05，则需要调节显微物镜，改善光路的倾斜状况。

S7、光路调整

除了检测部分以外，光路的调整和控制系统也是重要的一部分，CCD与控制器(计算机)、压电螺钉等驱动元件构成了一个反馈调节系统。要注意的是，多波长光路的调整需要在图像采集并处理后才能根据检测结果进行校准。

S701、质心调节

各通道及均值灰度图之间的质心偏差可以反映出光斑的光强分布偏差及合束质量。在调整过程中，以中间直线传播的红色通道光斑为基准，调节其余通道的反射镜偏转角度来完成对质心的调整，因为激光器发射的光斑都是是高斯光束，横向光强分布相近，因此合束光斑各通道的质心主要由几何传播决定。控制反射镜片的二维调节架的两轴间具有共同的轴心，每轴角度及方向的调节由压电螺钉的直线推拉驱动而完成，计算机可直接以角度作为控制量。

当L＞70像素(0.0236mm/pixel)时，按照以下公式调节反射镜偏转角度：

θ_x＝k(ΔL_xi)，θ_y＝k(ΔL_yi) (10)

其中，i＝g，b，θ_x，θ_y分别为二维镜片调节架在X和Y方向上的调整角度，ΔL_xi和ΔL_yi则分别为i通道下的质心坐标与红色通道下质心坐标在X和Y上的偏差，以像素为单位，k为调整角度与偏差之间的换算值，单位为°/pixel，具体数值则由多次实验计算平均值得到。均值灰度图是根据RGB三通道的图像求出，不能单独进行调整。

关于误差问题，当前的调节架分辨率达到了0.7μrad，而且经过调节后需要再次求解L，构成闭环系统，直到满足L≤70像素的条件为止。

S702、空间传播调节

光路的倾斜在检测过程中有两个表现方式，一种是前后两端点的图像中光斑轮廓中心的偏差；另一种是椭圆轮廓的长轴Ra与短轴Rb之比。二者的产生原因是相同的，都是由于显微物镜的倾斜，因此调整方式也相同。

可调显微物镜的调整架同样由压电螺钉进行驱动，只需对X方向和Y方向上的偏角进行调节即可，其公式与质心调整公式相似：

θ_2x＝k₂max(ΔL_2xi)，θ_2y＝k₂max(ΔL_2yi) (11)

其中，i＝r，g，b，ΔΔL_2xi和ΔΔL_2yi分别为各通道中端点1和端点2图像轮廓中心在X和Y方向上的偏差，k₂与k相同，是调整角度与偏差之间的换算值，单位为°/pixel，具体数值则由多次实验计算平均值得到。

在空间传播的调整中，只需要对X和Y两个方向上的倾角θ_2x、θ_2x进行调整即可，与质心的调整不同，可调显微物镜的调整是对RGB所有通道同时进行，以其中偏差最大的通道作为反馈信号，调整后需要重新进行轮廓检测，直至满足L₂≤70像素且Ra/Rb≤1.05为止。

除了反射镜角度和可调显微物镜以外，其余的如光阑和衰减片，只需要将各通道中的光阑和衰减片调节到相同位置和大小即可，无需反馈控制。

当以上条件全部满足时，撤走CCD即可进行后续操作，所调整后的器件将会得到保留。

本发明再一个实施例中，提供一种多波长点衍射干涉仪用光路合束质量检测校准系统，该系统能够用于实现上述多波长点衍射干涉仪用光路合束质量检测校准方法，具体的，该多波长点衍射干涉仪用光路合束质量检测校准系统包括光路模块、位置模块、提取模块、表征模块、检测模块、倾斜模块以及校准模块。

其中，光路模块，搭建多波长合束质量检测光路；

位置模块，利用光路模块搭建的检测光路检测合束光经显微物镜聚焦后的焦平面位置；

提取模块，位置模块确定检测焦平面位置后，根据光斑图像状态微调节显微物镜离焦，根据光斑曝光灰度值调节衰减片，对光强进行衰减，前后调节可调显微物镜，采集前端点和后端点处的图像，对采集的图像进行预处理，提取图像中的感兴趣区域；

表征模块，对提取模块得到的前端点处图像感兴趣区域的RGB三通道和均值灰度图的光强及分布进行检测，采用灰度区域面积法求解灰度图像的灰度容量和质心，用于表征光斑的光强大小和分布状况；

检测模块，对提取模块得到的前端点和后端点处图像感兴趣区域的RGB三通道和均值灰度图进行轮廓拟合，利用合束光的空间传播状态检测判断光束在X、Y方向上的倾斜，确定光斑在CCD靶面上的椭圆投影；

倾斜模块，根据检测模块投影在CCD靶面上的光斑长轴Ra与短轴Rb之比确定光路的倾斜程度；

校准模块，根据表征模块确定的光强大小及分布状态，检测模块确定的光斑在CCD靶面上的椭圆投影，以及倾斜模块确定的光路倾斜程度对多波长光路GB通道反射镜和合束部分中显微物镜的偏转角进行调整，完成光路合束校准。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

进行实际的图像采集和光路调整

找寻焦点位置后，前后调节可调显微物镜，经衰减后，采集两个端点处的图像，称为端点1和端点2。

请参阅图14，对端点1的图像进行预处理后，计算其质心、灰度区域面积，并对轮廓中心进行拟合；对端点2的图像进行轮廓拟合即可，用于分析光路的倾斜状态。(本发明中，彩色CCD的分辨率：0.0236mm/pixel)计算结果如下：

第一组图像中各通道中，area_max/area_min＝1.05，质心最大间距L＞70像素，R与B通道光斑合束效果最差，而端点1和端点2的图像中，各通道中轮廓中心之间的最大间距L₂超过了500像素(0.0236mm/pixel)，证明目前光路的严重倾斜，远远不能满足要求。

请参阅图15，可见光路的合束效果和空间传播不满足要求，按照上述方式进行调整。

请参阅图16，根据计算结果可初步判断第二组图像满足L≤70像素且L₂≤70像素(0.0236mm/pixel)的要求，再对端点1的图像进行椭圆拟合，经过计算可得，其均值灰度图和RGB三通道的Ra/Rb分别为1.0189、1.036、1.012、1.017，全部满足要求，证明光路已调节至目标状态，撤去光路中的CCD后可进行后续的搭建。

根据实际的采集和调整结果说明，本发明可对多波长干涉光路的光强及分布、合束光的空间传播、光路的焦点和倾斜状态进行检测，并能根据计算进行结果有效调节，光路简单且效果良好，满足了对多波长干涉测量中合束光的质量分析要求。

综上所述，本发明一种多波长点衍射干涉仪用光路合束质量检测校准方法及系统，适用于多波长点衍射光路的搭建，能够对多波长中的RGB三束光斑的大小和合束状况、各通道的光强和分布状态、光路的倾斜状况进行精确的检测与校正，相对于传统的检测方式来说，增加了对彩色图像中光强及其分布的检测，更为全面且结构简单，适用于多波长干涉检测领域，为多波长点衍射测量中高质量衍射波前的获取奠定了基础。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.多波长点衍射干涉仪用光路合束质量检测校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、搭建多波长合束质量检测光路；

S2、利用步骤S1搭建的检测光路检测合束光经显微物镜聚焦后的焦平面位置；

S3、步骤S2确定检测焦平面位置后，根据光斑图像状态微调节显微物镜离焦，根据光斑曝光灰度值调节衰减片，对光强进行衰减，前后调节可调显微物镜，采集前端点和后端点处的图像，对采集的图像进行预处理，提取图像中的感兴趣区域；

S4、对步骤S3前端点处图像感兴趣区域的RGB三通道和均值灰度图的光强及分布进行检测，采用灰度区域面积法求解灰度图像的灰度容量和质心，用于表征光斑的光强大小和分布状况；

S5、对步骤S3前端点和后端点处图像感兴趣区域的RGB三通道和均值灰度图进行轮廓拟合，利用合束光的空间传播状态检测判断光束在X、Y方向上的倾斜，确定光斑在CCD靶面上的椭圆投影；

S6、根据步骤S5投影在CCD靶面上的光斑长轴与短轴之比确定光路的倾斜程度；

S7、根据步骤S4确定的光强大小及分布状态，步骤S5确定的光斑在CCD靶面上的椭圆投影，以及步骤S6确定的光路倾斜程度对多波长光路GB通道反射镜和合束部分中显微物镜的偏转角进行调整，完成光路合束校准。

2.根据权利要求1所述的多波长点衍射干涉仪用光路合束质量检测校准方法，其特征在于，步骤S1中，多波长合束质量检测光路包括基础部分和检测部分；基础部分由三个激光器发射三种不同波长的激光，三种不同波长的激光各自经过偏振片后由线偏振光调整为圆偏振光，再扩束后产生光斑，蓝光和绿光经反射镜反射后在中间光路与红光汇合形成合束光；检测部分包括可调显微物镜和彩色CCD，合束光经过显微物镜聚焦后投射至CCD靶面，通过前后调节显微物镜，采集相位位置不同的光斑图像。

3.根据权利要求1所述的多波长点衍射干涉仪用光路合束质量检测校准方法，其特征在于，步骤S2中，根据图像中的光斑大小确定汇聚光路的焦点位置，当可调显微物镜调节至前后可调范围的中间位置时，对应位置下光路的焦点即为理论彩色CCD的检测焦平面位置；可调显微物镜前后调节的极限位置处作为端点；通过微调显微物镜的焦距，在CCD固定的情况下确定实际检测焦平面位置，采集相对位置不同的光斑图像。

4.根据权利要求3所述的多波长点衍射干涉仪用光路合束质量检测校准方法，其特征在于，当合束光斑的直径达到最小值时，作为焦点光斑图像。

5.根据权利要求1所述的多波长点衍射干涉仪用光路合束质量检测校准方法，其特征在于，步骤S3中，提取图像中的感兴趣区域具体为：

对相对位置不同的图像进行裁剪，裁剪的起始坐标和窗口大小应完全相同，裁剪完成后，对图像进行高斯滤波和均值滤波，对滤波后的彩色图像进行通道分离，得到R、G、B三个通道下的光斑图像，用R、G、B三个图像求解彩色图像的均值灰度图，采用均值灰度法实现对彩色图像的灰度转换。

6.根据权利要求1所述的多波长点衍射干涉仪用光路合束质量检测校准方法，其特征在于，步骤S4中，当各质心之间的最大间距L≤70像素时，光强分布均匀；当最大灰度区域面积area_max与最小灰度区域面积area_min的比值≤1.05时，光斑各通道中光强大小相同。

7.根据权利要求1所述的多波长点衍射干涉仪用光路合束质量检测校准方法，其特征在于，步骤S5中，当两端点之间轮廓中心的最大偏差L₂≤70像素，各通道半径的最大偏差Δr_max≤40像素时，根据椭圆轮廓进行进一步判断；若两端点之间轮廓中心的最大偏差L₂不满足时，调节光路中的可调显微物镜。

8.根据权利要求1所述的多波长点衍射干涉仪用光路合束质量检测校准方法，其特征在于，步骤S6中，当长轴Ra与短轴Rb之比Ra/Rb≤1.05，判定光路的倾斜在可接受范围内；当Ra/Rb＞1.05，调节显微物镜。

9.根据权利要求1所述的多波长点衍射干涉仪用光路合束质量检测校准方法，其特征在于，步骤S7中，当各质心之间的最大间距L>70像素时，根据θ_x＝k(ΔL_xi)和θ_y＝k(ΔL_yi)调节反射镜偏转角度，完成质心调节，其中，i＝g,b，θ_x，θ_y分别为二维镜片调节架在X和Y方向上的调整角度，ΔL_xi和ΔL_yi分别为i通道下的质心坐标与红色通道下质心坐标在X和Y上的偏差，k为调整角度与偏差之间的换算值；

可调显微物镜的调整架由压电螺钉进行驱动，对X方向和Y方向上的偏角进行调节，在空间传播的调整中，对X和Y两个方向上的倾角θ_2x、θ_2x进行调整，调整后重新进行轮廓检测，直至满足两端点之间轮廓中心的最大偏差L₂≤70像素且Ra/Rb≤1.05为止。

10.一种多波长点衍射干涉仪用光路合束质量检测校准系统，其特征在于，包括：

光路模块，搭建多波长合束质量检测光路；

位置模块，利用光路模块搭建的检测光路检测合束光经显微物镜聚焦后的焦平面位置；

提取模块，位置模块确定检测焦平面位置后，根据光斑图像状态微调节显微物镜离焦，根据光斑曝光灰度值调节衰减片，对光强进行衰减，前后调节可调显微物镜，采集前端点和后端点处的图像，对采集的图像进行预处理，提取图像中的感兴趣区域；

表征模块，对提取模块得到的前端点处图像感兴趣区域的RGB三通道和均值灰度图的光强及分布进行检测，采用灰度区域面积法求解灰度图像的灰度容量和质心，用于表征光斑的光强大小和分布状况；

检测模块，对提取模块得到的前端点和后端点处图像感兴趣区域的RGB三通道和均值灰度图进行轮廓拟合，利用合束光的空间传播状态检测判断光束在X、Y方向上的倾斜，确定光斑在CCD靶面上的椭圆投影；

倾斜模块，根据检测模块投影在CCD靶面上的光斑长轴与短轴之比确定光路的倾斜程度；

校准模块，根据表征模块确定的光强大小及分布状态，检测模块确定的光斑在CCD靶面上的椭圆投影，以及倾斜模块确定的光路倾斜程度对多波长光路GB通道反射镜和合束部分中显微物镜的偏转角进行调整，完成光路合束校准。

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