一种大梯度自由曲面测量方法

摘要

本发明公开了一种大梯度自由曲面测量方法，对待测自由曲面施加一定的角度，完成待测自由曲面衍射物光波的空间频率调制，被图像传感器采集。通过调整多个角度并记录多帧自由曲面不同角度的全息图，然后通过图像处理算法，完成每帧全息图条纹稀疏子区域的选取，再由数字重建算法恢复出被调制的待测自由曲面的子区域三维结构。最后，根据解调算法可恢复原始待测自由曲面的子区域三维结构，利用合适的拼接算法实现多帧子区域的波前数据拟合，即可恢复出自由曲面的三维面形信息。本发明通过倾斜角度的引入实现了对自由曲面高频信息的采集过程，为自由曲面测量提供了新的解决方案。

权利要求

1.一种大梯度自由曲面测量方法，其特征在于：所述的自由曲面测量方法包括如下步骤：步骤1、对待测自由曲面施加一定的角度，完成待测自由曲面衍射物光波的空间频率调制，使得衍射物光波与参考光干涉生成的全息图部分子区域条纹密度降低，被图像传感器采集；

步骤2、由于一帧全息图只能获得自由曲面的部分梯度信息，所以需要调整多个角度并记录多帧自由曲面不同角度的全息图，然后通过图像处理算法，完成每帧全息图条纹稀疏子区域的选取，再由数字重建算法恢复出被调制的待测自由曲面的子区域三维结构；

步骤3、根据解调算法可恢复原始待测自由曲面的子区域三维结构，利用合适的拼接算法实现多帧子区域的波前数据拟合，即可恢复出待测自由曲面的三维面形信息。

2.根据权利要求1所述的一种大梯度自由曲面测量方法，其特征在于：该方法通过倾斜角度的引入将原始大梯度区域生成的密集全息条纹调制为能被光电探测器采集的稀疏全息条纹，然后通过后续算法实现整个自由曲面的测量。

3.根据权利要求1所述的一种大梯度自由曲面测量方法，其特征在于：图像传感器包括面阵彩色相机、线阵彩色相机、面阵黑白相机和线阵黑白相机，其类型包括CMOS和CCD。

4.根据权利要求1所述的一种大梯度自由曲面测量方法，其特征在于：待测自由曲面包括透明自由曲面和表面反光的自由曲面。

5.根据权利要求1所述的一种大梯度自由曲面测量方法，其特征在于：参考光波前可为球面波或平面波，并且与衍射物光波的波长一致。

6.根据权利要求1所述的一种大梯度自由曲面测量方法，其特征在于：待测自由曲面的衍射物光波是准直光束经物体透射或反射形成的。

7.根据权利要求1所述的一种大梯度自由曲面测量方法，其特征在于：所述的子区域选取算法是通过计算采集得到的全息图像的梯度来作为判定的依据。

8.根据权利要求1所述的一种大梯度自由曲面测量方法，其特征在于：所述的解调算法是通过给调制后的子区域添加反向倾斜因子来实现。

9.根据权利要求1所述的一种大梯度自由曲面测量方法，其特征在于：所述的图像拼接算法是需要保证待拼接的各有效子区域相互之间有一定的重叠，从重叠的区域提取出相邻有效子区域的参考面之间的相对平移和旋转，最后依次把这些有效子区域参考面统一到指定参考面，从而实现整个面形的拼接。

说明书

一种大梯度自由曲面测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及自由曲面测量领域，具体为一种大梯度自由曲面测量方法。

背景技术

[0002] 随着现代加工技术的发展，自由曲面元件近些年被广泛应用于航空航天、生物医学、国防军工、现代光学等重要领域。自由曲面主要包括回转对称非球面和非回转对称非球面，其相较于常见的球面元件在结构上有更高的自由度，能够更灵活的适应使用的需求。特别是在光学领域，自由曲面透镜组成的光学系统相比于传统的光学系统能够简化布局，提升能量传输效率、更好的校正像差等。如今，对自由曲面的复杂性和精密性需要进行灵敏、高效的测量和评价，同时精密的测量又推动了自由曲面更好的设计、加工。随着各领域对自由曲面元件面形精度要求的提升，如何有效解决自由曲面的高精度测量问题是当今的研究热点之一。

[0003] 现有的应用于自由曲面的测量方法，都是针对小梯度的自由曲面。无论是应用最为广泛的干涉法还是数字全息法，都需要解析条纹图来实现三维信息的恢复，面对大梯度的自由曲面，现有的方法依然会遇到产生的全息图区域条纹过于密集，而无法解析的难题。如何实现大梯度自由曲面的高精度检测,已经成为该测量领域的迫切问题之一。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于：提供一种大梯度自由曲面测量方法，是在不改变现有数字全息系统结构的基础上，通过多个倾斜角度对自由曲面进行调整，实现数字全息对大梯度自由曲面的高精度测量。

[0005] 本发明采用的技术方案为：一种大梯度自由曲面测量方法，该方法包括如下步骤：

[0006] 步骤1、对待测自由曲面施加一定的角度，完成待测自由曲面衍射物光波的空间频率调制，使得衍射物光波与参考光干涉生成的全息图部分子区域条纹密度降低，被图像传感器采集；

[0007] 步骤2、由于一帧全息图只能获得自由曲面的部分梯度信息，所以需要调整多个角度并记录多帧自由曲面不同角度的全息图，然后通过图像处理算法，完成每帧全息图条纹稀疏子区域的选取，再由数字重建算法恢复出被调制的待测自由曲面的子区域三维结构；

[0008] 步骤3、根据解调算法可恢复原始待测自由曲面的子区域三维结构，利用合适的拼接算法实现多帧子区域的波前数据拟合，即可恢复出待测自由曲面的三维面形信息。

[0009] 其中，通过倾斜角度的引入将原始大梯度区域生成的密集全息条纹调制为能被光电探测器采集的稀疏全息条纹，然后通过后续算法实现整个自由曲面的测量，该方法为自由曲面测量提供了新的解决方案。

[0010] 其中，图像传感器包括面阵彩色相机、线阵彩色相机、面阵黑白相机和线阵黑白相机，其类型包括CMOS和CCD。

[0011] 其中，待测自由曲面包括透明自由曲面和表面反光的自由曲面。

[0012] 其中，参考光波前可为球面波或平面波，并且与衍射物光波的波长一致。

[0013] 其中，待测自由曲面的衍射物光波是准直光束经物体透射或反射形成的。

[0014] 其中，所述的子区域选取算法是通过计算采集得到的全息图像的梯度来进行区域划分。

[0015] 其中，所述的解调算法是通过给调制后的子区域添加反向倾斜因子来实现。

[0016] 其中，所述的图像拼接算法是需要保证待拼接的各有效子区域相互之间有一定的重叠，从重叠的区域提取出相邻有效子区域的参考面之间的相对平移和旋转，最后依次把这些有效子区域参考面统一到指定参考面，从而实现整个面形的拼接。

[0017] 本发明的有益效果为：

[0018] 在普通的数字全息系统中，对待测自由曲面增加倾斜角度，使待测自由曲面相对于物光的原始大梯度区域转变为小梯度区域，然后通过后续算法解调出原始的梯度信息，为自由曲面测量提供了新的解决方案。

附图说明

[0019] 图1为大梯度自由曲面测量系统示意图；

[0020] 图2为子区域选取步骤，其中，图2(a)为像面全息图；图2(b)为梯度图；图2(c)为闭操作选取的区域；图2(d)选取的子区域；

[0021] 图3为频谱滤波示意图；

[0022] 图4为子区域拼接基本原理示意图；

[0023] 图1中附图标记含义为：1为电控旋转台，2为待测自由曲面，3为显微物镜，4为图像传感器，5为参考光。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图以及具体实施方式对本发明做详细说明。

[0025] 如图1所示，本发明大梯度自由曲面测量系统，固定在电控旋转台1上的待测自由曲面2的衍射物光经过显微物镜3后，与参考光5形成全息图被图像传感器4，而后不断通过电控旋转台1为待测自由曲面2提供多个旋转角度，并记录多帧被倾斜因子调制的自由曲面全息图。然后通过图像处理算法，完成每帧全息图条纹稀疏子区域的选取，再由数字重建算法恢复出被调制的待测自由曲面的子区域三维结构，后根据解调算法可恢复原始待测自由曲面的子区域三维结构，利用合适的拼接算法实现多帧子区域的波前数据拟合，即可恢复出待测自由曲面的三维面形信息。

[0026] 以上光路中的激光器使用的是波长为632.8nm的He-Ne激光器，光束经过扩束镜对光斑产生3倍的扩束效果，后被分光镜分为两束能量相同的光，一束光照射待测自由曲面表面反射形成物光，一束作为参考光，物光经固定在电控旋转台上的自由曲面反射后，其衍射光进入5倍放大倍率的显微物镜放大，并与参考光有一定夹角的入射到CCD的感光面上相干叠加，此时显微物镜的像面与CCD感光面为同一面。最后，根据待测自由曲面的大致面形多次精准控制电控旋转台x轴和y轴的旋转角度，完成衍射物光波倾斜因子的添加，得到了多帧调制后的像面全息图。

[0027] 得到多帧像面全息图之后，通过子区域选取算法对图像进行处理，首先，生成一个3×3规格的梯度算子，让其沿x和y方向平移，计算算子中心像素点值f(m,n)与相邻8个像素点值f(i,j)的方向导数：

[0028]

[0029] 这一点的梯度值则为，这8个方向导数中的最大值：

[0030]

[0031] 此时G(i,j)就表示的是梯度图，图2(a)所示为调制后的像面全息图，图2(b)为全息图的梯度图，可见全息图条纹稀疏处的梯度值小，反之亦然。后通过设定灰度阈值得到选定的子区域，但该区域还存在一定的非连通部分，需要再进行二值化处理，然后进行闭操作处理，得到闭操作处理后的梯度图，如图2(c)所示，最后将该区域对应至像面全息图，即可选定可分辨的全息图子区域，如图2(d)。

[0032] 得到多帧全息图的子区域I(x,y)后，由于使用的是像面全息光路，在重建物光波波前时不需要进行衍射计算，只需对子区域作如下处理：

[0033] U(x,y)＝ΓF-1{F[I(x,y)]W(fx,fy)}   (3)

[0034] 上式中，W(fx,fy)为选取物光波频率的窗函数，用于将全息图中的UR*项从像面全息中通过傅里叶变换得到的频谱F[I(x,y)]中滤出，如图3所示，Γ是用于校正多次相位畸变的校正因子，再经过：

[0035]

[0036] 实现了物光波相位的提取，相位信息和物体的高度之间又存在一个映射关系，所以通过这个映射关系就可以获取待测物体的高度信息，完成了物光波的重建。

[0037] 重建得到带有倾斜因子的子区域面形信息O(x2,y2)，已知电控旋转台精准控制的x轴的旋转角度为α，y轴的旋转角度为β，只需要给该子区域添加反向倾斜因子即完成解调：

[0038]

[0039] O'(x2',y2')即为原始的子区域面形信息，在获得多帧全息图的子区域面形信息后，各有效子区域相互之间保证有一定的重叠，需要从重叠的区域提取出相邻有效子区域的参考面之间的相对平移和旋转，最后依次把这些有效子区域参考面统一到指定参考面，从而实现整个面形的拼接。

[0040] 原理如图4，以两个区域的重叠区域为例，两个子区域在重叠位置的相位存在以下关系：

[0041] S1(x,y)＝S2(x,y)+k1x+k2y+P   (6)

[0042] 上式中k1,k2,P分别表示S1相对于S2沿x,y方向的倾斜量和平移量。S1(x,y)和S2(x,y)重叠区域中的高度信息已知，只要取重叠区域的选取多个点进行最小二乘拟合，即可求取k1,k2,P三个参量，完成两个区域的拼接。针对多帧子区域拼接而言，只需固定一个参考子区域即可实现整个面形的拼接，实现整个自由曲面的三维测量。

[0043] 以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围内。