[发明专利]一种从多波长混合相移干涉图中提取相位信息的方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学图像处理领域，更具体的说，尤其涉及的是一种基于主成份分析的从多波长混合相移干涉图中提取相位信息的方法。

背景技术

光学干涉测量方法是在光的波长尺度，利用光的干涉原理，将待测物体的信息以光强条纹的形式记录下来，通过对干涉条纹的分析得到待测物体相位的方法。最近几十年来，各类仪器设备的最显著变化就是设备中测量系统集成了计算机。干涉度量学也不例外，其主要表现为PSI(Phase-Shifting Interferometry,相移干涉术)的发展。相移干涉术不是一种具体的光学硬件结构，而是一种可以用在各种其他测量条件下的数据获取和数据分析方法。在使用PSI时，随着干涉仪的参考相位变化，计算机自动记录一系列干涉图。波前相位就以光强变化的形式记录在了保存的一系列干涉图中。然后可以通过干涉图间简单的点对点计算来复原相位。

常规的单波长移相干涉技术都可以达到1/100波长的测试精度，由于各种噪声被有效的抑制，因此测量的重复性也很好。但是有一个共同的局限性，就是可测量的范围比较小。目前，对三维面形检测在很多方面既要求高精度，又要求较大的测量范围，例如：非球面的精密检测；自适应光学波面位相的检测；光学膜层测量；大规模集成电路的硅片平整度检测；光盘基片平整度的检测及光学表面抛光过程中的检测等。传统的单波长移相干涉检测虽然能够实现高精度，但是其可测量的面形变化范围太小，从而限制了应用范围。

目前能够同时解决高精度且测量范围大的问题的办法有：办法之一是使用高密度的探测器，但这样除了提高成本之外，还导致计算机资源的占用量增加和检测速度的下降，无法满足一些实时性要求较高的场合。方法之二是使用长波长的红外光光源，以增加波长来减少条纹数量，从而可以用了探测较大偏差的面形，但这样条纹数量增多计算速度下降。方法之三是使用剪切干涉技术，它通过在测量被测波面在x、y两个垂直的方向的微分波面，进而恢复原始波面，这种方法虽然处理装置简单，但数学处理复杂，且精度不及常规的相移干涉测试方法。方法之四是使用TWLPSI(Two-Wavelength Phase-Shifting Interferometry；双波长相移干涉技术)，其基本原理是利用合成波长来检测误差较大的面形，这种方法可以在不丧失精度的前提下，扩大单波长相移干涉术的测量范围。

多波长相移干涉术是利用两种或两种以上的波长，分别对被测物体进行单波长相移干涉检测，然后对两次得到的相位分布进行相减、补偿等操作后得到合成波长下的位相分布，其结果相当于采用一个等效波长对物体进行干涉测量。

多波长相移干涉术结合了多波长全息技术的测量范围大和相移干涉技术的测量精度高的优点，能够同时保证高精度和大测量范围的要求，可应用于各种干涉检测领域。

目前多波长相移干涉术一般采用多次曝光的方法，即采用不同波长的光分多次对被测物体进行相移干涉测量。这种方法需要实验时间长，对系统稳定度有着要求。另外一种就是采用彩色探测器，然后使用不同颜色的光同时进行相移干涉测量。然后对采集到的彩色干涉图进行分离，将不同颜色的光的相移干涉图分离出来，之后的过程和多次曝光相同。最后一种是使用单色探测器，但也采用两个波长同时照射的方法，然后从两个波长混合的干涉图中恢复相位，由于需要使得不同波长的干涉信号在频域分开，所以这种方法需要在一定周期内采集许多干涉图，且这种多次曝光的方法采集图像耗时长，对环境的稳定性要求高。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种从多波长混合干涉图中提取相位信息的方法，旨在解决现有干涉测量技术不能低成本、快速简单的同时实现高精度和可测范围大的问题。

本发明的技术方案如下：

一种从多波长混合干涉图中提取相位信息的方法，其包括以下步骤：

S1：将N幅干涉图的一维数据写成一个干涉图矩阵X形式，每一张干涉图为干涉图矩阵X的列向量；

S2：获得干涉图的背景分量矩阵I_mean；

S3：从干涉图矩阵X中获得协方差矩阵C；

S4：对协方差矩阵C进行对角化处理得到对角化协方差矩阵D；

S5：根据对角化协方差矩阵D，干涉图矩阵X和背景分量矩阵I_mean获取干涉图的主成份；

S6：根据主成份通过反正切函数求解干涉图的相位；

S7：通过双波长相位解包方法得到物体在合成波长下的相位分布，