CN114812432A - 一种应用于激光干涉形貌检测的快速相位获取系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于激光干涉形貌检测的快速相位获取系统及方法，所述系统包括激光光源单元、相位调制单元、图像采集单元以及计算机控制端，所述激光光源单元包括固体激光器、旋转偏振镜、准直扩束镜及非偏振分束器；所述相位调制单元包括液晶空间光调制器；所述图像采集单元包括成像透镜和CCD图像采集装置，在测量过程中，通过液晶空间光调制器实现参考光束相位调制，并与通过检测试件的测试光束产生干涉图像序列，进而解析出相位信息，获得检测试件的表面形貌。本发明的系统鲁棒性强、相位调制响应迅速、系统整体检测灵敏度高，并且系统光路搭建简单，检测过程准确便捷。

Description

一种应用于激光干涉形貌检测的快速相位获取系统及方法

技术领域

本发明涉及相移干涉测量技术领域，具体地，涉及一种应用于激光干涉形貌检测的快速相位获取系统及方法。

背景技术

随着科学技术的发展与生产制造水平的提高，超精密光学检测仪器具有极高的整体系统集成，并且被广泛应用于各领域检测环节，直接推动干涉度量学进入发展的黄金时期。相移干涉测量技术(PSI)是该领域中极具代表性的技术手段，这种方法通过使用不同的光学元件搭建各类型光路系统，达到获取待测试件与参考镜间波前相位信息的目的，并基于获取相位值求解拟合试件表面真实形貌，是一种波长量级的超高精度的检测手段。

目前的干涉检测装置移相器通常应用压电陶瓷装置(PZT)，其主要依据机械能与电能的转化过程进行信息传递，虽然这种技术手段发展较为成熟且应用广泛，但是该装置依靠机械器件对电信号响应进行移相，因此，相位调制的响应速度较慢、调制时间较长，进而导致整体系统对干涉图像有效相位提取时间较长，测试过程可能出现新的环境扰动问题；此外，其波前相位求解过程使用近似代换的手段引入步进相移量，确定调制相位具有一定不准确性；同时，PZT移相过程中，由于机械运动导致的微小震动对整个系统检测过程的影响不可忽略。

另一项PSI技术手段为空间域移相，这种方法依赖于微偏振阵列制造技术的发展，虽然现有的微偏振阵列调制精度已经达到像素级别，但是其制造过程复杂缓慢，制造成本极高，难于被广泛应用；同时，此类器件制作完成后，阵列内各工作单元偏振方向确定，这种不可变化的特性导致其应用灵活性极差，假如少部分区域的偏振单元受损，就会导致整个微偏振阵列无法使用；最后，基于微偏振阵列所搭建的相位提取装置，其光路通常在迈克尔逊干涉仪或泰曼-格林干涉仪的基础上进行改进，为保证干涉图像具有较好的调制度，在光路前端通常需要装配多个偏振片进行光路修正，因此，以微偏振阵列为相位提取核心组件的干涉检测装置的配适性较差。

现有的干涉测量设备，其系统光路均需设置光学参考镜，用以产生相干光束并被CCD记录。但是，参考镜并非绝对平整，该元件的引入本身就存在一定误差，同时，也使光路搭建具有一定复杂性。因此，设计无参考镜干涉系统，减少相位调制时间，增强系统测量响应灵敏度，实现相位信息快速提取对高精度干涉检测装置至关重要，目前还没有理想的干涉检测装置可以满足上述要求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种应用于激光干涉形貌检测的快速相位获取系统及方法，本发明系统及方法在相位信息提取阶段，具有相位提取响应迅速、检测系统鲁棒性强且灵敏度高、提取结果准确、测量过程简单便捷的优点。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种应用于激光干涉形貌检测的快速相位获取系统，所述系统包括激光光源单元、相位调制单元、图像采集单元以及计算机控制端，所述激光光源单元包括固体激光器、旋转偏振镜、准直扩束镜及非偏振分束器；所述相位调制单元包括液晶空间光调制器；所述图像采集单元包括成像透镜和CCD图像采集装置，在测量过程中，通过液晶空间光调制器实现参考光束相位调制，并与通过检测试件的测试光束产生的干涉图像序列，解析出相位信息，从而获得检测试件的表面形貌。

可选地，在测量过程中，固体激光器输出的激光子列经旋转偏振片调整及准直扩束镜修正后，通过非偏振分束器分别向检测试件及液晶空间光调制器投射，测试路光束通过检测试件后沿原路返回，参考路光束通过液晶空间光调制器，基于调制器电控效应，入射激光子列波前相位被调制并与测试路光束干涉，CCD图像采集装置记录相应干涉图像，通过求解被采集的干涉图像确定测件表面真实形貌。

可选地，所述液晶空间光调制器前端设置带通滤光片，用于消除测试环境中自然光对检测结果的影响，所述带通滤光片峰值波长的选择与光源系统投射波长一致，入射激光子列在滤除外界杂光影响后相位才可被调制。

可选地，所述检测试件前端设置光学衰减片，用于控制测试路的进光能量。

可选地，通过调节入射激光的偏振方向与液晶空间光调制器的液晶分子长轴方向一致，保证液晶空间光调制器始终处于纯相位调制模式。

可选地，所述图像采集单元在检测前对液晶空间光调制器进行标定，利用标准的参考件，获取液晶空间光调制器加载0阶灰度图像后的干涉相位信息。

可选地，所述系统采集的相干光束波前相位差是被有效分离的，耦合相位差被分为提取相位、调制相位、误差相位三部分，所述调制相位为已知可调参量，所述误差相位利用标定矩阵消除，所述提取相位仅包含检测试件表面形貌信息。

进一步地，本发明还提供一种应用于激光干涉形貌检测的快速相位获取方法，所述方法包括以下步骤：

将检测试件安装于检测位置，绘制相位调制灰度图，调整光学衰减片及带通滤光片控制入射光束能量；

开启激光光源及CCD图像采集装置，调整可旋转偏转镜，使入射光束偏振方向与液晶分子长轴方向一致；

标定液晶空间光调制器误差相位，使液晶空间光调制器加载0阶灰度图像获取干涉图I0，确定标定误差相位矩阵；

液晶空间光调制器加载四幅不同灰度值的图像，CCD图像采集装置采集四帧不同相位调制量的干涉图像I1、I2、I3、I4；

综合考量参考区域干涉图像判定测量结果准确性，结合液晶空间光调制器相位调制量，通过四帧干涉图像I1、I2、I3、I4与未调制干涉图像I0的相位差值提取有效相位信息。

可选地，所述通过四帧干涉图像I1、I2、I3、I4与未调制干涉图像I0的相位差值提取有效相位信息的步骤具体包括：使四帧干涉图像I1、I2、I3、I4分别与标定值做差并分别用I′₁，I′₂，I′₃，I′₄表示，通过公式

计算相位信息，其中γ₀为液晶空间光调制器加载0阶灰度图像调控后的干涉相位。

与现有技术相比，本发明应用于激光干涉形貌检测的快速相位获取系统相位调制时间短，检测灵敏度高，受外界影响较小，在相位计算阶段才有耦合相位分离的方式，避免了近似计算带来的误差，并且本发明系统光路设计简单，检测过程方便快捷，所使用相位调制器件使用灵活性强，调制精度达到像素量级。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例提供的应用于激光干涉形貌检测的快速相位获取系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的应用于激光干涉形貌检测的快速相位获取方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。

具体地，图1为本发明实施例提供的一种应用于激光干涉形貌检测的快速相位获取系统结构示意图，如图1所示，所述系统包括激光光源单元、相位调制单元、图像采集单元以及计算机控制端11。所述激光光源单元包括固体激光器1、可旋转偏振镜2、准直扩束镜3以及非偏振分束器4。所述相位调制单元包括带通滤光片7和液晶空间光调制器(LC-SLM)8；所述图像采集单元包括成像透镜9和CCD图像采集装置10。另外，整体系统还包括光学衰减片5、检测试件6，以及相应的光学元件支架等。

所述激光光源单元由固体激光器1投射平行激光子列，通过可旋转偏振镜2后，其偏振方向与液晶分子长轴方向一致，经准直扩束镜3扩束准直后投射至非偏振分束器4，光束分成两路分别向检测试件6及液晶空间光调制器8投射，其中，测试路光束先经过光学衰减片5确定入射光强后再经检测试件6后沿原路返回；参考路光束通过带通滤光片7后照射至液晶空间光调制器8并沿原路放回；两路返回光束发生干涉并经过成像透镜9后被图像采集装置10记录。通过对图像采集单元采集的四帧干涉图像计算，可提取出被测试件相位信息值。

所述固体激光器1与液晶空间光调制器8具有良好的作业适配性，固体激光器1的工作波长必须与液晶空间光调制器8的调制光束波长一致，同时，须保证固体激光器功率选择适中，功率过大容易造成CCD阵列及调制器损坏，功率过低导致干涉图像条纹调制不足，不利于计算。

基于光路与液晶空间光调制器8工作适配性，所述入射激光子列偏振方向是在光路前端被调制，且整个检测过程中，投射光束偏振方向仅被调制一次。调制器内部由向列相液晶分子组成，波长为λ的线偏振光穿过这种单轴双折射材料后出现双折射效应，产生的非常光(e光)与寻常光(o光)之间的等效折射率n_e(θ)及相位延迟δ为：

其中：ne为液晶分子长轴非常光折射率；no为短轴方向寻常光折射率；θ为未加电场时液晶分子长轴与外加电场时液晶分子长轴的夹角。在随时间变化的电驱动信号控制下，液晶分子倾角θ会相应改变，θ与驱动电压V转化关系如式(3)，与e光等效折射率n_e(θ)之间的关系如式(4)所示：

同时，入射光束波前琼斯矩阵可表示为式(5)：

式(5)中，

表示入射光线偏振方向与液晶光轴方向的夹角。出射光束透过率T及相位延迟量δ可表示为式(6)、(7)：

式(7)中，β表示双折射系数，

表示偏振器件相对液晶光轴方向夹角。

这种电光特性可实现对入射光束波前相位、光强(振幅)、偏振方向的有效调制。当入射光束偏振方向平行于液晶分子长轴方向时，强度反射率与相位延迟量分别为：

T＝1δ＝2πd(n_e(θ)-n_o)/λ (8)

式(8)表明，该条件下LC-SLM不对光束强度(振幅)进行调制，为纯相位调制工作模式。同时，基于LC-SLM对入射光束偏振方向的敏感性，为保证测量过程中其偏振方向始终与液晶分子长轴方向平行，系统光路仅设置唯一偏振调制器件，即可旋转偏振镜，入射光束偏振方向在光路前端被确定后用以完成全部检测过程，系统内不再另设其他起偏及检偏器件。

另外，所述液晶空间光调制器8的前端设置带通滤光片7，为消除测试环境中自然光对检测结果的影响，所述带通滤光片7峰值波长的选择与光源系统投射波长一致，入射激光子列在滤除外界杂光影响后相位才可被调制；同时，所述检测试件6的前端放置光学衰减片5，控制测试路进光能量。测试路激光束投射至检测试镜前经过光强调制后，其能量值与参考路光束基本相同，保证干涉条纹具有较好对比度。

图2所示为应用于激光干涉形貌检测的快速相位获取方法的流程框图，如图2所示，所述相位信息提取包括以下步骤：

S1：将检测试件安装于检测位置，绘制相位调制灰度图，调整光学衰减片及带通滤光片控制入射光束能量；

S2：开启激光光源及CCD图像采集装置，调整可旋转偏转镜，使入射光束偏振方向与液晶分子长轴方向一致；

S3：标定液晶空间光调制器误差相位，使液晶空间光调制器加载0阶灰度图像获取干涉图I0，确定标定误差相位矩阵；

S4：液晶空间光调制器加载四幅不同灰度值的图像，CCD图像采集装置采集四帧不同相位调制量的干涉图像I1、I2、I3、I4；

S5：综合考量参考区域干涉图像判定测量结果准确性，结合液晶空间光调制器相位调制量，通过四帧干涉图像I1、I2、I3、I4与未调制干涉图像I0的相位差值提取有效相位信息。

具体地，所述相位信息提取过程，是利用不同阶数灰度图实现对LC-SLM的电控效应，分别利用0阶、64阶、128阶、192阶灰度图像实现对波前相位差0，

π，

的调制，经调制后的4帧干涉图像被CCD阵列采集后用于相位提取计算(相干光强分别用I1，I2，I3，I4表示)；同时，灰度图像在左上方设置长宽均为100px的0阶灰度区域，实现对相位提取确切性的验证；此外，测试前CCD采集一帧不对LC-SLM加载任何灰度图的干涉图像(通过I0表示)，对反射镜面误差相位进行补偿。

通常，干涉装置中参考波前和被测波前的关系式为：

式(9)，(10)中，a_r(x，y)和a_t(x，y)为波前振幅，

和

为波前相位，δ(t)为调制相移量。发生干涉后，相干光波前光强表达式为：

其中；I′(x，y)＝a_r ²(x，y)+a_t ²(x，y)表示平均光强，I″(x，y)＝2a_r(x，y)a_t(x，y)表示条纹或光强调制度。同时，相干光束波前的耦合相位差实现有效分离，分为提取相位、调制相位、误差相位三部分，其表达式为：

所述图像采集系统在检测前，对LC-SLM进行标定，采用标准参考件，获取LC-SLM加载0阶灰度图像调控后的干涉相位γ₀，其表达式为：

I₀(x，y，t)＝I'(x,y)+I″(x,y)cosγ₀ (13)

加载不同灰度图像调制后，四帧干涉图像表达式分别为：

令

则四帧干涉干涉图像表达式变为：

通过求解四帧修正干涉图，可提取相位信息：

与现有技术相比，本发明应用于激光干涉形貌检测的快速相位获取系统相位调制时间短，检测灵敏度高，受外界影响较小，在相位计算阶段才有耦合相位分离的方式，避免了近似计算带来的误差，并且本发明系统光路设计简单，检测过程方便快捷，所使用相位调制器件使用灵活性强，调制精度达到像素量级。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种应用于激光干涉形貌检测的快速相位获取系统，其特征在于，所述系统包括激光光源单元、相位调制单元、图像采集单元以及计算机控制端，所述激光光源单元包括固体激光器、旋转偏振镜、准直扩束镜及非偏振分束器；所述相位调制单元包括液晶空间光调制器；所述图像采集单元包括成像透镜和CCD图像采集装置，在测量过程中，通过液晶空间光调制器实现参考光束相位调制，并与通过检测试件的测试光束产生干涉图像序列，进而解析出相位信息，获得检测试件的表面形貌。

2.根据权利要求1所述的应用于激光干涉形貌检测的快速相位获取系统，其特征在于，在测量过程中，固体激光器输出的激光子列经旋转偏振片调整及准直扩束镜修正后，通过非偏振分束器分别向检测试件及液晶空间光调制器投射，测试路光束通过检测试件后沿原路返回，参考路光束通过液晶空间光调制器，基于调制器电控效应，入射激光子列波前相位被调制并与测试路光束干涉，CCD图像采集装置记录相应干涉图像，通过求解被采集的干涉图像确定测件表面真实形貌。

3.根据权利要求2所述的应用于激光干涉形貌检测的快速相位获取系统，其特征在于，所述液晶空间光调制器前端设置带通滤光片，用于消除测试环境中自然光对检测结果的影响，所述带通滤光片峰值波长的选择与光源系统投射波长一致，入射激光子列在滤除外界杂光影响后相位才可被调制。

4.根据权利要求2所述的应用于激光干涉形貌检测的快速相位获取系统，其特征在于，所述检测试件前端设置光学衰减片，用于控制测试路的进光能量。

5.根据权利要求2所述的应用于激光干涉形貌检测的快速相位获取系统，其特征在于，通过调节入射激光的偏振方向与液晶空间光调制器的液晶分子长轴方向一致，保证液晶空间光调制器始终处于纯相位调制模式。

6.根据权利要求1所述的应用于激光干涉形貌检测的快速相位获取系统，其特征在于，所述图像采集单元在检测前对液晶空间光调制器进行标定，利用标准的参考件，获取液晶空间光调制器加载0阶灰度图像调控后的干涉相位矩阵。

7.根据权利要求1所述的应用于激光干涉形貌检测的快速相位获取系统，其特征在于，所述系统采集的相干光束波前相位差是被有效分离的，耦合相位差被分为提取相位、调制相位、误差相位三部分，所述调制相位为已知参量，所述误差相位利用标定矩阵消除，所述提取相位仅包含检测试件表面形貌信息。

8.一种应用于激光干涉形貌检测的快速相位获取方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将检测试件安装于检测位置，绘制相位调制灰度图，调整光学衰减片及带通滤光片控制入射光束能量；

开启激光光源及CCD图像采集装置，调整可旋转偏转镜，使入射光束偏振方向与液晶分子长轴方向一致；

标定液晶空间光调制器误差相位，使液晶空间光调制器加载0阶灰度图像获取干涉图I0，确定标定误差相位矩阵；

液晶空间光调制器加载四幅不同灰度值的图像，CCD图像采集装置采集四帧不同相位调制量的干涉图像I1、I2、I3、I4；

综合考量参考区域干涉图像判定测量结果准确性，结合液晶空间光调制器相位调制量，通过四帧干涉图像I1、I2、I3、I4与未调制干涉图像I0的相位差值提取有效相位信息。

9.根据权利要求8所述的应用于激光干涉形貌检测的快速相位获取方法，其特征在于，所述通过四帧干涉图像I1、I2、I3、I4与未调制干涉图像I0的相位差值提取有效相位信息的步骤具体包括：使四帧干涉图像I1、I2、I3、I4分别与标定值做差并分别用I′₁，I′₂，I′₃，I′₄表示，通过公式

计算相位信息，其中γ₀为液晶空间光调制器加载0阶灰度图像调控后的干涉相位。

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