技术领域本发明属于物体表面形貌测量技术领域，具体涉及一种基于双波面干涉条纹阵列的表面形貌测量装置及方法的设计。
背景技术：
在工业生产中，由于设计和测试的需要，各种复杂形状的表面轮廓及尺寸常常被要求测试，从而来判断产品是否合格并加以改进。物体三维轮廓测量在测量技术、逆求工程、复杂物体三维建模等许多领域中都得到广泛的应用。由于在众多应用中的重要性，高分辨率和实时三维测量已经成为重要的研究课题，例如检测波导探测器加工工艺检测等各种复杂零件的三维形貌测量等。并且加工波导探测器由于是空间复杂薄壁曲面、工作设计量大、效率低，其加工工艺的好坏直接影响了探测器的性能，因此对波导探测器形貌测量很有必要进行研究。其中，相对于传统的单点测量的方法，面结构光技术的优势在于易于实现，数据处理易于自动化，具有较高的测量精度和较快的测量速度，然而受制于数字光栅的精度，仍然无法满足波导探测器微米级别的测量要求。随着微电子、微电机系统(MEMS)、光电子信息技术和航空航天技术等技术的快速发展，对表面质量，如光学元件表面、硅晶片表面、磁盘等高精密信息基体及其他精密装备零部件等表面质量要求正稳步提高，提出并实现一种表面精密测量方法变得尤为重要。三维形貌测量以激光干涉法为代表，具有较长的发展历史，典型的方法基于迈克尔逊干涉原理，两路光经过两个反射面反射产生干涉，一个反射面为标准反射镜，一个反射面为需要测量的表面。干涉图像用相机记录，经过计算机数字图像处理计算表面坐标。如图1所示为基于激光干涉法的表面形貌测量方法原理图。激光器发出的光经过扩束仪扩束以后变成平行光，再经过偏振分束器件，分成两束振动方向相互垂直的S光和P光，偏振光P穿过1/4波片经参考面平面镜反射，偏振光S穿过1/4波片投影在物体表面，如同原偏振光被分成两束振动方向互相垂直的S光和P光一样。再次经过1/4波片后，S光变成P光，P光变成S光，由于两束光的振动方向相同，不会发生干涉，在相机前加入可旋转的偏振器，使两束光发生干涉，通过将偏振器依次旋转45°，干涉条纹依次相移90°，即四步相移法，从而获得四幅相移图像，利用相关原理求解获得截断相位，从而还原出物体的形貌。该方法由于主要利用迈克尔逊干涉仪的原理，因此垂直测量范围受到波长的限制，不能超过半波长，当超过半个波长时，便无法识别测量范围是波长的多少倍。近年来发展起来的基于白光扫描的形貌测量方法是另一种形貌测量方法，如图2所示，利用白光点光源，光线经过透镜后产生色差，不同的波长的光分开以后入射到被测样品表面，位于白光光源的对称位置上的超灵敏探测器系统用来接收被测样品漫反射后的光。通过共聚焦原理，探测器系统只能接收到单点反射回来的特定波长的光，从而得到这个点距离透镜的垂直距离，依次扫描样品表面，从而获得物体的形貌。该方法具有如下两个缺点：(1)由于采用点扫描的方式，因此该方法的测量速度很缓慢。(2)白光点光源要求足够的小，且对探测器的精度要求较高，比较昂贵；另外由于要把探测器放置在和点光源对称的位置上，光路系统比较难以搭建。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决现有技术中的表面形貌测量方法测量范围受波长限制，且测量速度较慢的问题，提出了一种基于双波面干涉条纹阵列的表面形貌测量装置及方法。本发明的技术方案为：基于双波面干涉条纹阵列的表面形貌测量装置，包括计算机、数模转换卡、相移器、驱动电路、激光器、干涉条纹阵列发生模块以及图像显微采集模块；计算机、数模转换卡、驱动电路、激光器、干涉条纹阵列发生模块依次连接，相移器的输入端连接数模转换卡，输出端连接激光器，计算机与图像显微采集模块连接。优选地，干涉条纹阵列发生模块包括依次位于激光器光路上的透镜、第一平行平板和第二平行平板。优选地，第一平行平板经镀膜处理，靠近激光器的一面为全透膜，另一面为半反半透膜。优选地，第二平行平板经镀膜处理，靠近激光器的一面为半反半透膜，另一面为全反膜。优选地，图像显微采集模块包括相互连接的CCD图像传感器和显微镜。本发明还提供了基于双波面干涉条纹阵列的表面形貌测量方法，包括以下步骤：S1、计算机向数模转换卡发送数字脉冲调制信号；S2、数模转换卡将数字脉冲调制信号转换为模拟脉冲调制信号；S3、驱动电路根据模拟脉冲调制信号对激光器进行调制；S4、激光器发出的光束通过干涉条纹阵列发生模块产生干涉条纹阵列，并投射在被测物体表面；S5、显微镜对被测物体表面的干涉条纹阵列图像进行显微处理，同时计算机控制CCD图像传感器同步采集显微处理后的干涉条纹阵列图像，定义初始时刻采集的干涉条纹阵列图像为相位移动0°的干涉条纹阵列图像；S6、计算机通过数模转换卡控制相移器，分别产生相位移动90°、180°和270°的干涉条纹阵列图像；S7、CCD图像传感器分别采集显微处理后的相位移动0°、90°、180°和270°的四幅干涉条纹阵列图像；S8、计算机对四幅干涉条纹阵列图像进行平滑处理，得到背景干涉条纹阵列图像和四幅被物体高度调制的干涉条纹阵列图像；S9、计算机求取被测物体的截断相位；S10、计算机进行相位解包裹，从而还原物体表面形貌。进一步地，步骤S8中采用中值滤波和均值滤波的方法对四幅干涉条纹阵列图像进行平滑处理。进一步地，步骤S10中采用三角法的原理进行相位解包裹，从而还原物体表面形貌。本发明的有益效果是：(1)本发明采用相移器对激光器进行相位移动，获得0°、90°、180°和270°的四幅干涉条纹阵列图像，并通过这四幅图像求解得到被测物体表面形貌的截断相位，再进行相位解包裹从而还原物体表面形貌，实现了不受激光器波长限制的大量程测量。(2)本发明基于双波面干涉条纹阵列图像进行表面形貌测量，有效解决了现有技术中通过点扫描进行测量而造成的测量速度慢的问题。(3)本发明在测量过程中消除了杂光的干扰，提高了条纹的清晰度，消除了一部分误差，从而提高了测量精度。附图说明图1为现有技术的基于激光干涉法的表面形貌测量方法原理图。图2为现有技术的基于白光扫描的形貌测量方法原理图。图3为本发明提供的基于双波面干涉条纹阵列的表面形貌测量装置结构示意图。图4为本发明实施例的干涉条纹阵列发生模块结构原理图。图5为本发明提供的基于双波面干涉条纹阵列的表面形貌测量方法流程图。图6为本发明实施例的干涉原理示意图。图7为本发明实施例的显微镜下放大100倍的激光干涉条纹阵列图像。图8为本发明实施例的相位移动0°、90°、180°和270°的四幅干涉条纹阵列图像。图9为本发明实施例的利用三角法进行相位解包裹原理图。具体实施方式下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。本发明提供了一种基于双波面干涉条纹阵列的表面形貌测量装置，如图3所示，包括计算机、数模转换卡、相移器、驱动电路、激光器、干涉条纹阵列发生模块以及图像显微采集模块；计算机、数模转换卡、驱动电路、激光器、干涉条纹阵列发生模块依次连接，相移器的输入端连接数模转换卡，输出端连接激光器，计算机与图像显微采集模块连接。其中，计算机用于调制激光器发射激光光束、控制图像显微采集模块对干涉条纹阵列图像进行显微和采集，以及通过显微后的干涉条纹阵列图像还原出物体表面形貌。数模转换卡用于将计算机发出的数字信号转化为模拟信号。驱动电路用于根据计算机发出的脉冲调制信号对激光器进行调制。相移器用于控制激光器实现干涉条纹的相移。如图4所示，干涉条纹阵列发生模块包括依次位于激光器光路上的透镜、第一平行平板和第二平行平板。透镜放置于激光器后面，将激光器发射的光束扩展开来。第一平行平板经镀膜处理，与激光器光路呈45°夹角，其中A面为全透膜(45°入射时透射率T≥99％)，B面为半反半透膜。第二平行平板同样也经镀膜处理，垂直于激光器光路设置，其中C面为半反半透膜，D面为全反膜(垂直入射时反射率R≥99％)。图像显微采集模块包括相互连接的CCD图像传感器和显微镜。其中显微镜用于对被测物体表面的干涉条纹阵列图像进行显微处理，CCD图像传感器用于采集显微处理后的干涉条纹阵列图像。本发明还提供了一种基于双波面干涉条纹阵列的表面形貌测量方法，如图5所示，包括以下步骤：S1、计算机向数模转换卡发送数字脉冲调制信号。S2、数模转换卡将数字脉冲调制信号转换为模拟脉冲调制信号。S3、驱动电路根据模拟脉冲调制信号对激光器进行调制。S4、激光器发出的光束通过干涉条纹阵列发生模块产生干涉条纹阵列，并投射在被测物体表面，其具体过程如下：如图4所示，激光器发射的光束经过透镜与第一平行平板，入射到第二平行平板经前后两个面(C面和D面)形成两束相干光，这两束相干光再经过第一平行平板中B面的反射，从而在空间发生干涉，获得稳定且对比度高的激光干涉条纹阵列。将其投射在被测物体表面，形成干涉条纹阵列图像OAOBOCOD。如图6所示，本发明实施例中，实际激光器输出的光束近似为高斯光束，经第二平行平板的反射和折射后形成两束高斯光束，在空间一点M(x,y,z)两高斯光束球面波发生干涉，形成精密的干涉条纹阵列。S5、显微镜对被测物体表面的干涉条纹阵列图像进行显微处理，同时计算机控制CCD图像传感器同步采集显微处理后的干涉条纹阵列图像，定义初始时刻采集的干涉条纹阵列图像为相位移动0°的干涉条纹阵列图像。图4中由于干涉光线在空间是发散的，因此离第一平行平板越远干涉条纹宽度越宽，条纹间距越大，而四边形OAOBOCOD的条纹间距很窄，达到了微米级别，因此我们需要将四边形OAOBOCOD内的光耦合进显微镜中进行图像显微。图7显示了显微镜下放大100倍的激光干涉条纹阵列图。S6、计算机通过数模转换卡控制相移器，分别产生相位移动90°、180°和270°的干涉条纹阵列图像。相位移动0°、90°、180°和270°的四幅干涉条纹阵列图像如图8所示。S7、CCD图像传感器分别采集显微处理后的相位移动0°、90°、180°和270°的四幅干涉条纹阵列图像。S8、计算机对四幅干涉条纹阵列图像进行平滑处理，得到背景干涉条纹阵列图像和四幅被物体高度调制的干涉条纹阵列图像。本发明实施例中，采用中值滤波和均值滤波的方法对四幅干涉条纹阵列图像进行平滑处理。由于中值滤波和均值滤波为图像处理领域中的惯用方法，因此其详细过程在此不再赘述。S9、计算机求取被测物体的截断相位。基模高斯光束场表达式如公式(1)所示：φ00(x,y,z)=cω(x,y,z)er2ω2(z)e-i[k(z+r22Rarctgzf)]---(1)]]>其中c为常数因子，i为虚数，其余各符号的意义为：r2=x2+y2k=2πλω(z)=ω01+(zf)2R=R(z)=z[1+(fz)2]=f(zf+fz)=z+f2zf=πω02λ,ω0=λfπ]]>其中ω0为基模高斯光束的腰板半径；(x,y,z)为空间一点的坐标；λ为波长；k为波矢；f为高斯光束的共焦参数；R(z)为与传播轴线相交于z点的高斯光束等相位面的曲率半径；ω(z)为与传播轴线相交于z点的高斯光束等相位面上的光斑半径。通过公式(1)可以求得四幅被物体高度调制的干涉条纹阵列图像的基模高斯光束场，分别为φO0,φO90,φO180,φO270，其中下标O表示带有物体。再通过公式(2)得到被测物体的截断相位：S10、计算机进行相位解包裹，从而还原物体表面形貌。本发明实施例中，采用三角法的原理进行相位解包裹，从而还原物体表面形貌，三角法的具体原理如下：如图9所示，D和E分别是摄像机和双波面干涉仪的光学中心，O为D点在XOY面(也称为参考面)上的投影，d为双波面干涉仪和摄像机光学中心的距离，即为DE之间的距离，l为参考面和摄像机之间的距离，测量系统中DE平行于参考面，C为物体表面上任意一点，C′为C在参考面上的投影。由干涉条纹阵列测量原理知，ΔACC′～ΔAEO′，因此有下式成立：AC′AO′=CC′EO′=CC′l---(3)]]>对于沿某一方向周期变化的干涉条纹阵列来说，我们假设干涉条纹阵列沿X轴方向，对于参考面上的任意一点(X,Y)其相位为则有下式成立：式中为O点的相位，T为干涉条纹阵列的周期。又因为ΔBCC′～ΔBDO，所以有下式成立：BC′BO=CC′DO=CC′l---(5)]]>联立公式(3)、(5)可得：CC′l=AC′+BC′AO′+BO=ABd+AB---(6)]]>再由公式(4)得：其中分别为A点和B点的相位值，将公式(7)式带入公式(6)中可得：公式(8)即为相位和高度的关系式，式中l，T，d均为已知参量，因为测量过程中B点的相位由于发生畸变，从而使得相机获得的是A点的相位值，因此只要求出A，B两点的相位值即可求解出C点的相位值，从而获得物体C点的高度。对公式(2)中的截断相位利用相位展开公式进行展开，得其中k(x,y)为整数，表示像素点(x,y)对应的2π整数倍，由于测量的物体为微纳结构，所以被测物体中的k一般会很小。将获得连续相位ψ(x,y)代入公式(8)中，即令Δψ＝ψ(x,y)，便可还原出物体的形貌。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。