[发明专利]一种高精度光学条纹位相提取方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，特别涉及光学条纹位相提取方法。

背景技术

利用光学条纹(如干涉条纹、投影条纹)进行光学精密测量是一种应用广泛的技术。对光学条纹的自动分析是该技术的关键。光学条纹位相提取技术是目前普遍采用的光学条纹自动分析技术。光学条纹位相提取技术包括傅里叶变换技术、相移技术等。相移技术需要多个正弦型分布的条纹，一般不适合动态测量，而傅里叶变换技术只需要一个条纹，特别适合动态测量。在傅里叶变换技术中，并不严格要求光学条纹是正弦分布的，但要求把一级频谱从傅里叶谱空间中完全提取出来。如果一级频谱和其他级频谱混叠，傅里叶变换技术无法完全提取一级频谱，将导致位相提取出现较大误差。出现频谱混叠的原因是因为傅里叶变换是一种全局变换，不能给出谱的空间(或时间)域信息，条纹某个局域的高级谱可能会和另一个局域的低级谱重叠。窗口傅里叶变换就是为弥补傅里叶变换局域性差而提出的，窗口傅里叶变换可以在一定程度上将不同局域的频谱分离开来，以改善不同局域的频谱混叠问题，从而提高位相提取精度。但窗口尺度的选取是一个关键问题。因为不同的窗口尺度，对应的频率分辨率和空间分辨率是不同的。宽的窗口对应高的频率分辨率、低的空间分辨率；反之，窄的窗口对应低的频率分辨率、高的空间分辨率。为了精确提取一级频谱，应尽量保证较高的频率分辨率；为了分离不同局域的频谱使之不混叠，又要求高的空间分辨率。但根据Heisenberg测不准原理，空间分辨率和频率分辨率不能同时达到最大值，因此就要求在两者间达到一个平衡：在保证不出现混叠的情况下尽量提高频率的分辨率。曾经有人提出窗口大小和局域条纹周期(或瞬时频率的倒数，这里所说的瞬时频率和随时间变化信号的瞬时频率对应)成正比[翁嘉文，钟金钢“伸缩窗口傅里叶变换在三维形貌测量中的应用”，光学学报，Vol.24，No.6，725-729，6/2004。郑素珍，陈文静，苏显渝，“自适应窗口傅里叶变换三维面形检测技术 ”，光电工程，Vol.32，No.9，51-54，2005。]，这种窗口选取方法，当光学条纹的瞬时频率较高时，窗口的较窄，导致频率分辨率较低，不能保证在不出现混叠的情况下得到最高的频率分辨率，因此也不能保证获得较高的位相提取精度。我们也曾提出根据瞬时频率梯度来设置窗口大小，改善了上述情况，但要求利用一个积分不等式和一个经验阈值来判断瞬时频率梯度的大小，经验阈值给实际操作带来很大的不方便[Jingang Zhong and Huiping Zeng，“Multiscale windowed Fourier transform for phase extraction of fringe patterns，”Applied Optics，Vol.46，No.14，2670-2675，5/2007.]。

我们经过仔细的理论分析，提出了一种新的窗口设置方法，在实际操作中比较容易实现，可以保证不出现混叠的情况下尽量提高频率的分辨率，获得了高精度的位相提取。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高精度光学条纹位相提取方法。