基于选择采样的高效迭代相位提取算法

在光学精密测量中,相移干涉法应用广泛。常用的相移器件容易出现相移误差,采用等步距相位提取算法会产生测量误差。基于最小二乘的迭代相位提取算法可以有效消除该类相位提取误差,提高测量精度,但是其迭代过程运行时间长,效率低。提出了一种基于选择采样的迭代相位提取算法,先对干涉图像进行等间隔抽样,降低计算量;再根据对比度滤除干涉图像中低质量像素点,防止误差增大,进行最小二乘迭代求解相位。仿真实验对算法进行了分析和验证,在抽样间隔为2时的选择采样方法与所有像素点全部代入计算相比,运行时间从6.687 s降为0.725 s,均方根误差仅为0.032 9。实验结果证明:选择采样的迭代相位提取算法运算时间短、误差小,非常适合高速相移干涉测量应用。     

任意相移阴影叠栅相位解调技术的研究

结合时域和频域干涉图分析方法,提出一种任意相移阴影叠栅条纹图相位解调技术,降低了干涉图在采样过程中对相移量的严格标定要求,补偿了相移阴影叠栅技术固有的相移不匀误差。使用空域技术确定采样干涉图的正交信号,进而得到了采样干涉图的相移量,然后运用任意相移相位提取算法搜索测量相位信息。实验证明此方法简单方便、求解迅速,且优于典型的相移算法,其测量误差的标准差不超过3×10-3 mm,该方法为提高相移阴影叠栅技术的测量精度提供了有效手段。     

相位测量轮廓术中随机相移误差的校正算法

在相位测量轮廓术(PMP)中．随机相移误差足导致测量误差的重要因素,提出一种新的随机相移误差的校正算法,在五步相移的基础上不需要求解相位分布．通过近似处理可以直接求解相移过程中存在的随机相移误差,在保证精度的情况下,能大大减少迭代次数和计算量。推导了新算法的计算公式,详细说明了随机相移误差的求解过程。计算机模拟和实验证实了新的算法的有效性。与In-bok Kong的算法相比较,新算法能大大减少迭代次数和计算量。该新算法也同样适用于相移干涉计量。     

基于自调谐相移干涉算法的相移误差分析

相移干涉技术由于其测量精度高的特点被广泛应用于波面检测干涉仪中。相移误差为测量过程中主要误差来源。基于一种自调谐相移干涉算法,研究在标定误差和随机相移误差下,算法的波前相位还原精度。对于标定误差,算法能精确地求解出实际相移步长,从而极大地提高了相位还原精度。与经典五步Hariharan算法对比,仿真结果表明,该算法的相位还原PV(峰谷)、RMS(均方根)误差响应更低,其PV误差响应远低于10^-3λ(λ为光源中心波长),而Hariharan算法在10^-3λ量级。基于自调谐算法在标定误差时的相位求解过程,扩展该算法以更适用于随机相移误差。在相同20%随机相移误差范围内,与Hariharan算法计算结果偏差的绝对值接近10^-9λ,能达到较高还原精度。将该自调谐算法运用在干涉仪测量光学元件表面形貌实验中,实验结果表明,与Hariharan算法相比,自调谐算法在仅存在标定误差时,能较明显地抑制纹波误差,两者计算面形PV存在偏差。在较小振动环境下,两种算法计算得到的相位面形分布高度一致。     

基于低通滤波的相位掩模干涉图相位解调方法

 传统的四步相移算法在分析相位掩模干涉图时存在相移值误差、分辨力降低和相干噪声等不足,从而影响了动态干涉仪的性能。为了提高相位掩模干涉图的分析精度,提出了一种基于低通滤波的相位解调方法。该方法根据相位掩模引入相位的空间频率远大于被测相位空间频率的最大值,采用低通滤波的方法提取相位信息。数值分析结果表明,该方法的精度高于传统四步相移算法。分析干涉图的信噪比,合理选择低通滤波器,可进一步提高相位解调的精度。     

抑制高阶谐波误差的随机相移条纹分析算法

高阶谐波和随机相移误差是影响条纹分析精度的主要因素。为了同时解决这两个问题,提出了基于频域滤波的迭代相移算法。该算法采用巴特沃斯低通滤波器,从频域上滤除条纹的高阶谐波分量,再运用最小二乘迭代方法从三帧随机相移条纹图像中提取相位信息。数值模拟和实验结果表明,该算法可有效地抑制由高阶谐波和随机相移引入的波纹误差,误差PV值和RMS值分别为0.368 8 rad和0.025 3 rad,其精度高于传统的三步相移算法和Wang算法。该方法适合于高精度干涉测量和三维物体表面轮廓测量。     

基于最小二乘迭代的多光束相移算法

高阶谐波和随机相移误差是影响干涉测量精度的主要因素.为了同时解决这两问题,提出了基于最小二乘迭代的多光束干涉条纹分析方法.该方法利用傅里叶级数将多光束干涉条纹展开为基波和各阶谐波之和.它只需要5帧随机相移的多光束干涉条纹,即可通过最小二乘迭代准确地求得相移值和相位分布.模拟计算结果表明,当测试面反射系数小于0.6、随机相移误差的均方根小于1时,只需10次迭代运算即可将误差控制在0.005 (PV)和0.003(RMS)rad之下,精度比传统的五步算法精度高.实验结果进一步验证了该算法的有效性,并表明该算法比双光束相移算法优越.     

基于液晶空间光调制器的相移数字全息显微测量系统精度分析

液晶空间光调制器的空间不均匀性和边缘场效应导致调制后相位存在畸变,为提高基于液晶空间光调制器的相移数字全息显微系统的测量精度,提出了二次相位标定相移数字全息的测量方法。首先,基于斐索干涉系统,以反射式液晶空间光调制器为被测对象,对其灰度与相移量的关系进行一次标定,并测量畸变波前相位;然后,利用二维图像插值算法及灰度化算法,设计出与液晶空间光调制器分辨率相等的畸变相位共轭灰度图;最后,将共轭灰度图加载在液晶空间光调制器上,获得理想调制相位,达到二次相位标定的目的。构建基于液晶空间光调制器的相移数字全息显微测量系统,对微透镜阵列进行测量实验,结果表明：二次标定前后微透镜阵列纵向矢高的相对测量误差由3.08%减少到1.15%,证明该方法能够有效提高相移数字全息的测量精度。     

MEMS微变形镜测试技术及算法研究

介绍了基于计算机控制的频闪显微干涉测量技术,实现了对MEMS微变形镜的表面形貌、离面变形、静态电压-位移曲线和谐振频率的测量。采用频闪成像、计算机微视觉技术以及基于最小二乘曲面拟合法的亚像素定位技术实现了对平面内微位移的测量;利用频闪成像以及5步相移干涉技术实现了对干涉相位的提取,建立了适合于MEMS微变形镜特性测试的相位解缠算法,恢复了代表被测物体表面形貌的真实相位,实现了微变形镜静动态特性的测试。测试结果表明:频闪显微相移干涉测量技术具有测量速度快、精度高、易实现自动控制等特点。     

双步相移光栅投影测量轮廓术

双三步相移算法证明可以较大地减少数字光栅投影测量轮廓术的测量误差,基于理论分析与实验验证,针对常用的四步、五步相移算法,提出了相应的双四步、双五步相移算法。通过两次传统相移算法得到两幅主值相位图,直接融合两幅主值相位图即可获得测量所需的相位信息,与已有的针对两幅展开相位进行相位融合方法相比,此方法实现简单且更加有效。相较于双三步相移算法,双四步和双五步相移算法实现简单且能够极大地减少测量误差,仅需通过投影2倍数目传统相移算法所需的投影光栅,且可保持常用三步、四步及五步相移算法固有的优点。     

阴影叠栅相移非线性误差补偿算法研究

相移阴影叠栅干涉场的相位(高度)存在非线性关系,而传统的相移阴影叠栅技术往往忽略了相位与高度的非线性关系,从而在测量系统中引入测量误差。对此提出了一种基于迭代相位解调自调算法相移阴影叠栅技术,该方法利用最小二乘技术获得相移量估算值,利用该估算值通过迭代算法消除相移阴影叠栅的全场相位误差,从而得到正确的相位分布。模拟计算表明该方法可以有效解决相移不均产生的相位测量误差问题,且可实现光栅移动量的精确估算,其误差不超过3.4%。对比实验进一步说明了所提出方法的正确性和优越性。     

Ronchi相移剪切干涉仪及其相位提取误差分析

在分析Ronchi相移剪切干涉仪典型系统参数的基础上,系统研究了该干涉仪相位提取精度的主要影响因素。结合传统的五步相移算法,采用所提出的八步与十步相移算法,对Ronchi相移剪切干涉仪的相位提取误差进行理论分析和仿真计算。仿真结果说明,八步和十步相移算法可以有效地消除多级衍射光寄生干涉对相位提取精度的影响,且十步相移算法比八步相移算法具有更高的相位提取精度;为了提高测量精度,要求相移误差优于2%;探测器位数大于10位;光栅周期误差小于1%;光源空间相干性低于0.1。通过采用不同的相移算法、剪切率和光源空间相干性的三组对比实验,对理论分析的正确性进行了验证。     

基于四步相移光栅投影的三维形貌测量系统

为了实现对具有明显跳变面物体的轮廓测量,建立了四步相移光栅投影的三维形貌测量系统,并对所采用的四步相移测量算法进行研究。在介绍四步相移原理的基础上以有明显跳变面的三棱锥橡皮块为例,建立针对明显跳变面的测量算法。通过对4幅相移图算术求和并除以4得到平均灰度图;将平均灰度图二值化处理定位明显跳变面或阴影部分;将二值化图像与包裹相位图卷积,而后对包裹相位图进行解包裹,从而得到正确的连续相位,最终获取物体三维形貌。根据上述算法测量三棱锥的三维形貌并计算其体积,测量实验表明:被测物的体积平均相对精度为0.47%。     

相移干涉计量中相移器的同光路自动标定

基于相移干涉计量的基本原理，提出用相移ＥＳＰＩ光场的空间平均方法计算相位，不仅可实现相移干涉计量中相移器的同光路自动标定，而且还可以得到测量光场及所用相移器的计量特性．最后，将该标定方法所得相位值与等间距条纹相位标定值进行了比较，得到两者相对误差在可用电压区域内小于３％．     

基于快速最小二乘法的两步随机相移算法研究

在相移干涉测量中,为了在较短时间内实现较高的精度,提出了一系列基于快速最小二乘法的两步随机相移算法。以双滤波和差归一化算法、单滤波和差归一化算法和格兰-施密特正交化算法计算出来的相位作为迭代初始值,利用没有滤波的两幅相移干涉图进行最小二乘法运算以获取最终的相位,为了节省时间,只选取有限数量的像素来参与迭代运算。通过比较发现,基于单滤波和差归一化算法和快速最小二乘法的两步相移算法的综合性能最好,该算法在较短时间内能获得较高的准确度。     

基于光强迭代的单幅干涉图相位提取方法

提出了一种基于光强迭代的单幅干涉图相位提取方法,实现了对单幅干涉条纹图的高精度相位提取。首先通过对原始干涉图进行预处理得到初始相位;将初始相位引入到干涉条纹图的强度表达式中,利用最小二乘法初步得到背景光和调制光;再将初步估计的背景光和调制光代入最初干涉图的强度表达式中以求解待测相位,比较得到的待测相位和初始相位,若不满足迭代精度要求,则重复上述相位求解过程并实现迭代,若求解的相位与初始相位的均方根差值满足收敛条件,则停止迭代。进行仿真和实验研究,得到的Φ100 mm口径平面元件的测量提取结果与实际相位一致。结果表明,该方法在具有较高检测精度的同时能够有效地保证算法的稳定性。     

基于主元分析的随机相移算法

将统计理论中的主元分析应用到干涉条纹分析中,提出一种基于主元分析的随机相移算法。该算法先将多帧条纹数据分解成不相关的主元成分,然后从主元成分中提取2维相位信息。数值模拟结果表明:该算法不需要迭代运算就能从4帧完全随机相移干涉图中有效提取相位信息,运算时间少,精度高。实验结果表明主元分析相移算法比现有迭代相移算法更适合于随机相移干涉图分析。     

相移阴影莫尔条纹正交化解调技术

提出一种基于克莱姆正则化分析法的三帧自标定相移阴影莫尔三维轮廓技术.该技术首先采用移动光栅的方法获得相移条纹图,然后通过不同帧相移条纹图相减去除条纹图背景,进而结合克莱姆正交化法和最小二乘法,发展了一种相位解调方法,提取了测量相位.以五步Harlharan算法为参考,用不同算法对同一物体表面进行测量.结果表明,相对于典型的三步相移法和主量分析方法,提出的方法测量得到的相位误差最小(0.5rad),且简化了测量过程.     

倾斜相移闭合干涉图的非迭代相位提取方法

针对带倾斜相移误差的闭合干涉图,提出一种非迭代的高精度相位提取方法.该方法用傅里叶变换估计闭合条纹的相位,并用图像分割校正相位的符号,然后利用Zernike多项式拟合确定倾斜相移量,最后用最小二乘拟舍得到高精度相位.数值模拟结果表明:该方法的相位提取误差随着干涉图中条纹根数的增多而减小;当干涉图中条纹根数为4.5时,倾斜相移的估计误差为0.37％.实验结果表明该方法的残余误差均方根值为0.121 7rad.该方法精度高,且无需迭代计算,可应用于相移干涉测量.     

相移阴影莫尔基于迭代LSM拟合

相移阴影莫尔技术相位高度存在着非线性关系,无法在全场获得均匀相移,因而致使经典的相移算法不能得到精确解.对此,提出了一种基于最小方差迭代的相移阴影莫尔技术,该技术通过垂直光栅面等间距移动光栅来产生相移,但光栅移动距离可不采用固定值,所以相移过程灵活|使用在高度解调过程中确定的逐点相移增量来抽取精确的测量相位,实现了相移阴影莫尔技术中固有的相位高度非线性误差补偿.结果表明,该方法可通过干涉图计算光栅的移动量,具有相移器的自标定特性.