[发明专利]一种大梯度自由曲面测量方法

权利要求书

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利用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；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；

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：

这一点的梯度值则为，这8个方向导数中的最大值：

此时G(i,j)就表示的是梯度图，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，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；

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：

U(x,y)＝ΓF^-1{F[I(x,y)]W(f_x,f_y)} (3)

上式中，W(f_x,f_y)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，Γ是用于校正多次相位畸变的校正因子，再经过：

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；

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：

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；

对于两个区域的重叠区域，两个子区域在重叠位置的相位存在以下关系：

S₁(x,y)＝S₂(x,y)+k₁x+k₂y+P (6)

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。