一种采用多波长剪切干涉测量物体表面形貌的方法技术

一种采用多波长剪切干涉测量物体表面形貌的方法，涉及被测物体表面形貌测量、光学实验技术领域。该方法利用多波长剪切干涉测量被测物体表面形貌，同时得到多个波长的激光干涉条纹图，利用这些干涉条纹图像得到被测物体表面的斜率、曲率分布和形貌。本发明专利技术装置简单，易于实现，较普通单个波长剪切干涉测量被测物体表面形貌精度大大提高，实现全场实时在线高精度测量被测物体表面形貌。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用多个波长激光剪切干涉测量物体表面形貌获取高精度测量结果的方法，属于物体表面形貌测量、光学实验

技术介绍
相干梯度敏感方法即剪切干涉方法是上世纪九十年代发展起来的力学领域一种测量物体表面形貌的光学方法，具有非接触全场测量、对振动不敏感等优点，已应用于物体断裂和测量物体表面形貌等领域。在测量物体表面形貌时，相干梯度敏感方法利用单个波长激光剪切干涉得到包含被测物体表面形貌的干涉条纹图，利用傅里叶图像变换提取干涉条纹相位，利用条纹相位同表面形貌参数的关系从条纹图中可提取出被测物体表面斜率，通过进一步几何分析计算可以得到被测物体表面曲率。上述从获得的剪切干涉条纹图中利用条纹相位与被测物体表面斜率关系提取被测物体表面形貌信息过程，获得的条纹相位分布是离散的，经过差分计算获取物体表面曲率，这其中带来的误差和条纹的疏密程度有关，条纹越稀疏，差分的误差越大。特别被测物体表面曲率是表面斜率的微分，经过差分运算后误差将被放大一个数量级。虽然可以通过实验参数的调节如增大两剪切光栅的距离和使用高密度光栅来提高获得条纹密度更高的条纹图，但条纹分布始终是离散的，计算中插值造成的误差只能被减小而不能被消除，所以人们不断努力通过改进图像处理计算方法和完善实验设备来提高测量精度。
技术实现思路
本专利技术提供，在保持具有剪切干涉方法非接触全场测量、对振动不敏感等优点基础上，大大提高物体表面形貌测量精度，实现高精度测量被测物体表面形貌。本专利技术的技术方案如下:多波长剪切干涉测量物体表面形貌的方法采用多波长剪切干涉物体表面形貌测量系统，该测量系统包括k个波长不同的激光器、合束装置、扩束装置、分光镜、第一透射光栅、第二透射光栅、透镜、光阑、反射光栅、k个CXD相机，其中k为大于等于2的整数；不同波长激光器发出的激光经过合束装置合成一束激光，经过扩束装置扩束后透过分光镜照射到表面经过处理能反光的被测物体表面，从被测物体表面反射后的激光由分光镜反射后依次经过第一透射光栅和第二透射光栅剪切干涉形成干涉条纹，再透过透镜和光阑仅使+1级次干涉条纹到达反射光栅，通过反射光栅将不同波长的干涉条纹分开反射，分别用CCD相机记录各个不同波长激光的干涉条纹，针对每个不同波长的激光干涉条纹，利用傅里叶光学分析得到+1级次干 涉条纹的条纹级数、激光波长和被测物体表面斜率的关系:权利要求1.，其特征在于，所述方法采用多波长剪切干涉物体表面形貌测量系统，该测量系统包括k个波长不同的激光器、合束装置、扩束装置、分光镜、第一透射光栅、第二透射光栅、透镜、光阑、反射光栅、k个CCD相机,其中k为大于等于2的整数； 不同波长激光器发出的激光经过合束装置合成一束激光，经过扩束装置扩束后透过分光镜照射到表面经过处理能反光的被测物体表面，从被测物体表面反射后的激光由分光镜反射后依次经过第一透射光栅和第二透射光栅剪切干涉形成干涉条纹，再透过透镜和光阑仅使+1级次干涉条纹到达反射光栅，通过反射光栅将不同波长的干涉条纹分开反射，分别用CCD相机记录各个不同波长的激光干涉条纹，针对每个不同波长的激光干涉条纹，利用傅里叶光学分析得到+1级次干涉条纹的条纹级数、激光波长和被测物体表面斜率的关系:全文摘要，涉及被测物体表面形貌测量、光学实验
该方法利用多波长剪切干涉测量被测物体表面形貌，同时得到多个波长的激光干涉条纹图，利用这些干涉条纹图像得到被测物体表面的斜率、曲率分布和形貌。本专利技术装置简单，易于实现，较普通单个波长剪切干涉测量被测物体表面形貌精度大大提高，实现全场实时在线高精度测量被测物体表面形貌。文档编号G01B11/24GK103234478SQ20131012351公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月10日 优先权日2013年4月10日专利技术者冯雪, 张长兴, 董雪林 申请人:清华大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用多波长剪切干涉测量物体表面形貌的方法，其特征在于，所述方法采用多波长剪切干涉物体表面形貌测量系统，该测量系统包括k个波长不同的激光器、合束装置、扩束装置、分光镜、第一透射光栅、第二透射光栅、透镜、光阑、反射光栅、k个CCD相机，其中k为大于等于2的整数；不同波长激光器发出的激光经过合束装置合成一束激光，经过扩束装置扩束后透过分光镜照射到表面经过处理能反光的被测物体表面，从被测物体表面反射后的激光由分光镜反射后依次经过第一透射光栅和第二透射光栅剪切干涉形成干涉条纹，再透过透镜和光阑仅使+1级次干涉条纹到达反射光栅，通过反射光栅将不同波长的干涉条纹分开反射，分别用CCD相机记录各个不同波长的激光干涉条纹，针对每个不同波长的激光干涉条纹，利用傅里叶光学分析得到+1级次干涉条纹的条纹级数、激光波长和被测物体表面斜率的关系：f,x(xni(x),yni(x))=ni(x)p2Δ-λi4p,ni(x)=0,±1,±2,...f,y(xni(y),yni(y))=ni(y)p2Δ-λi4p,ni(y)=0,±1,±2...,i=1,2,...,k其中：x为水平方向，y为竖直方向，f,x、f,y分别为表面形貌函数z=f(x,y)对x、y方向的偏导数，λi分别为所用不同波长的激光波长，为波长λi激光干涉条纹对应的物体表面点坐标，k为所用不同波长激光器个数，为第一透射光栅和第二透射光栅沿水平方向时波长λi激光剪切干涉+1级次干涉条纹的条纹级数，为第一透射光栅和第二透射光栅沿竖直方向时波长λi激光剪切干涉+1级次干涉条纹的条纹级数，Δ为第一透射光栅和第二透射光栅之间距离，p为透射光栅的栅线间距；这样由多个波长激光剪切干涉得到被测物体表面离散条纹对应的一系列离散点的表面斜率值，利用分段样条插值得到被测物体表面全场的斜率分布Sx(x,y)和Sy(x,y)，在离散点和上有：Sx(xni(x),yni(x))=f,x(xni(x),yni(x))Sy(xni(y),yni(y))=f,y(xni(y),yni(y))利用分段样条插值得到的被测物体表面全场斜率分布Sx(x,y)和Sy(x,y)计算被测物体表面曲率κ分布：κxx=∂Sx(x,y)∂xκyy=∂Sy(x,y)∂yκxy=∂Sx(x,y)∂y其中：κxx、κyy分别为x、y方向物体表面曲率，κxy为物体表面扭率；为Sx(x,y)对x的偏导数；为Sy(x,y)对y的偏导数；为Sx(x,y)对y的偏导数；被测物体表面形貌z=f(x,y)由下式表示：z=f(x,y)=∫Sxdx+∫(Sy-d∫Sxdxdy)dy其中z=f(x,y)为被测物体表面形貌函数，∫Sxdx为Sx(x,y)对x的积分原函数，∫(Sy-d∫Sxdxdy)dy为(Sy-d∫Sxdxdy)对y的积分原函数。FDA00003032569100012.jpg,FDA00003032569100013.jpg,FDA00003032569100014.jpg,FDA00003032569100015.jpg,FDA00003032569100016.jpg,FDA00003032569100017.jpg,FDA00003032569100023.jpg,FDA00003032569100024.jpg,FDA00003032569100025.jpg...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：冯雪，张长兴，董雪林，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：