基于统计分析方法的同步移相干涉图位置配准

使用同步移相干涉仪重建波前相位时,需要对移相干涉图进行准确的位置配准和目标区域确定以保证重建精度和相位解缠绕算法的成功实施。提出一种基于统计分析方法的圆形域同步移相干涉图位置配准技术,对一组包含不同相位分布的干涉图按照对应像素位置进行方差分布函数计算;利用最大组间方差法完成阈值分割,从而分离出干涉图像的背景与目标区域,通过梯度运算检测出目标区域的轮廓;利用改进Hough变换算法估计出各个轮廓的绝对位置和半径参数。数值仿真结果表明,当轮廓半径大于64pixel时,该方法的配准精度可以达到0.5pixel。通过建立自参考同步移相干涉仪对该方法的可靠性与实用性进行实验验证。     

一种一步π移相相位快速提取算法

提出可实现动态测量的一步π移相相位提取算法。该算法是将具有π移相的两幅干涉图进行重新排列组合,构造出一幅含有时域-空域信息的时空条纹图,通过提取时空条纹图中的信号谱来快速求解相位。在时空条纹图的频谱中,时间频率的引入使得信号频谱能够与背景干扰频谱有效分离,因此在不需要高载频的情况下依然能够对信号谱进行有效提取。将其应用在移相干涉测量中,与传统移相法进行对比发现,此算法不仅能够有效地消除移相误差,而且能够有效地消除高频噪声。另外,分析了此法在不同频率以及不同移相误差值下对测量精度的影响,在归一化空间频率大于0.03、移相误差值在±30°范围内,其面形恢复偏差均方根值能够控制在1.358×10-3λ以内。     

基于二维光栅分光的同步移相干涉测量技术

为了干涉测量的抗振目的,提出了一种新的同步移相干涉测量方案并搭建了实验装置。整个测量系统在迈克耳孙偏振移相干涉仪的基础上,利用一个正交的二维光栅产生对称分光,选取对于理想光栅衍射效率一致的(±1,±1)级衍射光作为测量分光路,使之分别通过偏振方向依次相差45°的一个偏振片组,从而分别形成0°、90°、180°和270°相移的四幅移相干涉图,按照传统的四步移相算法,对被测波面进行了复原。分析了光强畸变和移相误差对系统的测量误差的影响。利用该系统测量一球面系统,结果与在ZYGO干涉仪上相比较,球面系统的均方根误差相差0.012λ,峰谷值相差0.051λ。     

长干涉腔波长移相计算的自适应相位筛选法

波长移相干涉仪可用于大口径光学元件的测试。其移相量需经过标定方可采用定步长移相算法计算相位分布。在长腔长测试条件下,由于激光器的波长调谐驱动源的精度有限,采用定步长移相算法求解相位分布的精度不高。在分析干涉腔长和波面计算误差的基础上,提出了一种自适应相位筛选计算方法。根据电压-相位标定曲线采集多组周期干涉图,对干涉图中的光强值进行均匀分布抽样后,对其进行随机移相计算,求取每帧干涉图精确的步进移相量,从中筛选出移相量为π/2的四帧干涉图,利用四步移相计算公式求得精确的相位分布。实验结果表明,在波长移相干涉仪中运用该方法,可以很好地解决长腔长测试条件下的相位计算问题,与未进行筛选的计算结果比较,其测试精度得到了显著提高。     

基于π/4相移平均的多光束干涉相位提取算法

菲佐干涉仪中如存在多光束干涉现象,干涉光强将不再是严格的余弦分布形式.在导出菲佐干涉仪中多光束干涉光强公式的基础上,给出了将其近似为理想多光束干涉光强公式的条件.推导了对多光束相移干涉图用四幅算法求解的相位计算误差,并据此提出了基于π/4相移平均的多光束干涉相位提取算法:通过采集相移间隔π/4的两组干涉图序列,将两次计...     

从一幅载频全息图中实现相位重构的新算法

为了实现对单幅载频下涉图进行相位重构.提出了一种避免相位"解包裹"的简易算法.该算法从载频干涉图中解出所求相位的两个偏导数,然后对两个偏导数积分从而得到所求的相位.利用该算法分别对计算机模拟的干涉图和实验所得干涉图进行相位重构,重构结果均表明该算法能够很好地从载频干涉图样中实现相化重构.并且由于避免了相位"解包裹"的过程,从而简化了相位重构的流程,同时也避免了由相位解包带来的错误或误差.此外,该方法在重构相位时,对干涉图中强度分布的不均匀性不敏感.     

基于SURF和RANSAC算法的同步相移干涉图位置配准方法

同步相移干涉技术通过同时获取多幅相移干涉图,实现动态波面的相移干涉测量。为了保证测量精度,在实施相移算法前,需要对相移干涉图进行准确的位置配准。提出了一种结合加速稳健特征(SURF)提取算法和随机采样一致性(RANSAC)算法的多步干涉图位置配准方法,通过配准具有一定特征的干涉背景图,获得图像之间的变换关系并作用于相移干涉图,实现同步相移干涉图位置配准。仿真分析表明,该方法在光强不均的情况下对平移和旋转变换均具有较好的校准效果;在含有高斯白噪声的情况下,仍能进行配准获得变换矩阵,完成相位恢复。将此方法应用于四步同步相移显微干涉测量仪对标准平面进行测量,得到测量结果峰谷值为23.2520nm,均方根值为2.3149nm。     

基于二维傅里叶变换的单帧干涉图相位提取方法

针对大口径光学元件干涉测试过程中,测试装置和干涉腔长较大,气流扰动和环境振动对移相测试过程产生影响等问题,采用一种基于二维傅里叶变换的单帧干涉图处理方法,只需要对一幅空间载频干涉条纹图进行处理即可获得待测相位,具有抗振测试的优点。对该方法的基本原理和算法过程进行分析,并对近红外大口径移相平面干涉仪中600 mm口径的光学平晶进行了面形测试。实验结果表明:采用该方法所得波面峰谷值(PV)为0.112,波面均方根值(RMS)为0.014,与移相算法所得波面数据相比,波面峰谷值偏差不到(1/500);波面均方根值(RMS) 偏差几乎为零。     

基于波长移相剪切干涉的准直波前重构技术

为了实现干涉仪出射准直波前的重构,提出了基于波长调谐移相的横向剪切干涉技术。干涉仪出射波前分别经楔板的前后表面反射,通过角锥棱镜返回后在干涉仪CCD上形成剪切干涉条纹。采用波长移相方法提取剪切干涉条纹的相位信息从而实现准直波前重构。分析相对剪切比对波面重构精度的影响,推导相对剪切比和其影响因素间的关系公式,给出波长移相中光程差常数分量的估算方法。测量干涉仪的三组出射波前,波前的峰谷值分别为3.22λ、2.10λ、0.83λ。该方法简化了传统测量干涉仪准直波前的横向剪切干涉装置,提高了测量精度,特别适合于测量波长移相干涉仪的出射波前。     

基于圆载频干涉图相位解调技术的点衍射干涉术

为测量光学系统出射波前以及动态波前,提出一种基于圆载频干涉图相位解调技术的点衍射干涉术。在传统点衍射干涉仪中调整点衍射板轴向离焦量引入圆载频,通过二阶极坐标变换可以将圆载频干涉图转换为具有准线性载频特征的干涉图,从而在频域中将连续频谱转换为准离散谱,采用傅里叶变换法即可提取相位。仿真波面为利用36项Zernike多项式随机生成,在离焦17λ条件下相位恢复误差的均方根值为0.002λ。实验测量了F/10标准镜头岀射波面,测量结果与SID-4波前探测器一致;实验还实现了有机玻璃材料吸收特性的动态检测。因此采用该技术能够实现光学系统的检测以及动态波面实时测量。     

基于分段边缘拟合的测风多普勒差分干涉仪成像热漂移监测方法

多普勒差分干涉仪是近年来发展起来的一种适用于中高层大气风场星载测量的干涉仪,它依靠对干涉图相位的精确反演计算气辉谱线的多普勒频移得到大气风速.环境温度的变化导致干涉仪光机组件发生热变形,造成成像面在干涉方向上的热漂移,改变相位的像元分布,直接引入相位误差从而影响风速反演.为了减小这种成像热漂移对多普勒差分干涉仪相位反演的影响,本文用分段拟合的方法检测光栅的标尺刻槽在干涉图中成像图案的边缘,定位刻槽图案的亚像元位置并依此监测成像热漂移.在近红外多普勒差分干涉仪样机的热稳定实验中,像面热漂移检测结果与环境温度在高频振荡变化趋势上表现出较高一致性,二者相关系数经去基线后可达0.86,而干涉图相位漂移经成像热漂移校正后其高频振荡也得到大幅抑制,证明了该算法的有效性.为了进一步验证该算法精度,计算了数据信噪比以及拟合所用各项数据分布特征参数误差对边缘检测的影响,结果表明,边缘检测精度主要受数据信噪比和条纹频率参数准确性的制约,当拟合用条纹频率参数误差小于0.5%而其他数据分布特征参数误差在1%以内,数据信噪比在约35倍以上时,本文算法可以实现高于0.05像元的检测精度.     

干涉仪移相器相位移π/2标定方法的研究

干涉仪移相器的相位标定在很大程度上决定了移相干涉仪的测量精度。本文是用傅里叶变换的原理,测量出推动移相器移动的压电陶瓷堆(PZT)的微位移量,并在此基础上提出了一种用空域滤波法得到干涉因光强分布,并判断其移相误差从而校正移相器步进π/2的方法。本文组建了一套数字平面干涉仪,对干涉仪移相器进行实验,在5步法情况下其移相误差在0.5%以下。     

干涉测量波面重构DCT算法研究

采用一种空间移相干涉仪测量凹形非球面反射镜光学表面,使用偏振元件和多幅图像同步采集实现移相,并对测量得到的干涉条纹采用基于离散余弦变换的相位解包裹算法,对不连续相位分布采用非加权的最小二乘法进行优化目标函数,最终重构出被测光学表面的面形.这种结构形式的干涉仪具有一定的抗振能力,同时在数字图像处理上优化了算法,能够快速稳定地得到被测面形,而且对硬件要求不高.结果表明:这种算法能够适用于非实验室条件下的光学测量,在一定干扰条件下可以达到较高的测量精度.     

移相干涉测量术及其应用

为了对移相式数字干涉仪在光学元件测量中的应用有全面了解，介绍了移相干涉术的基本原理。结合激光数字波面干涉仪，阐述移相干涉术的四步重叠平均算法、压电晶体移相器(PZT)的结构、3 PZT的组合方法、移相器的标定误差和非线性误差的校正方法、波面相位解包的自适应种子算法、波面相位的评价指标等内容。结合移相数字波面干涉仪，叙述了移相干涉测量技术在普通光学元件、红外光学元件、大口径光学元件、非球面光学元件等测量中的应用并指出了应用过程中的注意事项。最后明确指出光干涉技术正沿着高相位分辨率、高空间分辨率、宽波段和瞬态高速测量的方向发展，并将会在瞬态波前测量、微机械的微结构动态分析等方面有着越来越广泛的应用。     

干涉仪自适应抗振的空间移相术

根据时域移相算法的概念,提出了一种空间移相术,它能够检测因外界振动导致条纹抖动而引起的干涉图样的空间相位变化.运用这种技术在TwymanGreen移相式干涉仪中建立了一套自适应抗振系统,它可以实时测量振动引起的相位变化大小,并通过反馈器件PZT实时校正干涉条纹的相位,使得干涉条纹稳定以保证光学测量的正常进行,与此同时PZT还作为移相器件.     

一种新的移相干涉技术

本文提出了一种对连续采得的大量移相干涉图通过干涉条纹光强定标或傅里叶变换方法求出被测波前相位分布的新的移相干涉技术。此技术充分利用了近代计算机和ＣＣＤ数字图像处理技术的新成果，不仅可使干涉仪的硬件系统简化，成本降低，还可明显提高仪器的抗干扰能力，促进移相干涉技术的普及和推广应用。     

基于样本块匹配的干涉图延拓方法

在快速傅里叶变换(FFT)方法处理单幅干涉图原理的基础上,提出一种基于样本块匹配的干涉图延拓方法,利用干涉图像的可信度和等照度线特征,来确定待填充块的优先权,然后在干涉图的已知区域寻找与待填充块最相似的样本块来进行填充。充分利用了干涉图的条纹特征,结合梯度变化方向有效地合成纹理信息,具有很好的延拓效果。最后将该干涉图延拓方法与傅里叶变换,合适的滤波函数和相位解包方法结合起来形成整套单幅干涉图处理方法。采用该单幅干涉图处理方法获得的波面峰谷值与Zygo移相干涉仪得到的平均相差不到λ/100,并且两种方法获得的波面均方根值平均相差不到λ/200。     

时频域双重分析法抗干扰移相干涉术

针对移相干涉术易受振动、气流等扰动影响的问题,提出一种时频域双重分析法的抗干扰移相干涉测量方法.采集一系列连续移相的干涉图,通过对干涉图上各点时序光强进行频谱的宽带滤波提取到干涉图采集过程中真实的相位变化,对时序的相位变化信息进行线性统计得到各点初始相位的计算值.在干涉图帧数足够多的情况下,线性统计后随机噪声的影响趋于...     

在随机和倾斜移相下光强归一化的迭代移相算法

由于存在振动和导向误差,干涉仪移相器在移相过程中产生随机的平移误差和倾斜误差,会给测量结果带来影响。因此高精度测量中对环境的稳定性和移相器的性能要求很苛刻。为了降低此种要求,针对随机和倾斜移相下干涉图背景光强和调制度的不均匀会影响移相平面计算的问题,对采集得到的干涉图做归一化处理,并利用迭代最小二乘法对归一化的干涉图做相位求解。迭代过程中,将干涉图分块来求解移相值,并对各移相值做平面拟合得到移相平面。仿真结果表明,该方法消除了背景光强和调制度的不均匀对倾斜系数计算的耦合作用,能够有效补偿倾斜移相误差对面形相位的影响,与其他方法相比,具有收敛速度快、求解精度高的特点。实验结果进一步验证了该方法的有效性。     

基于统计逼近的Stoilov改进算法

Stoilov算法是近几年提出的一种相移量任意的等步长相移算法,它无须知道相移量的大小,只要保证相移步长相等,就可以解算出物体表面的截断相位,因而在三维测量领域中倍受人们关注.但Stoilov算法的表达式过分依赖采集的变形条纹图像的光强,存在对光强的减法、除法和开方等运算,使相位计算时在某些位置会出现分子分母为零,开方出现复数等奇异现象,会导致算法算错或者相位展开出错,致使三维重构表面会出现畸变、失真,甚至无法进行三维重构.因此提出了一种基于统计逼近的方法对Stoilov算法进行修正,有效抑制了奇异现象引入的相位误差,提高了三维测量精度.实验验证了其算法的有效性和适用性.