基于相干光波阵面调制的干涉条纹投影形貌测量技术

Optical profilometry has important significance and broad application prospect due to its ability of abundant 3D appearance information acquisition of geometry entities by means of non-contact measurement. Grating projection method is a main way to realize optical profilometry and the generation of adjustable spatial carrier frequency and phase, which has decisive impact on measurement accuracy and efficiency, is a core issue. The conventional lighting projection grating has become the bottleneck of measurement performance due to its drawback that cannot take account of high precision, strong adaptability and high speed during projection. Referring to the thoughts of wavefront control and correction in adaptive optics and introducing wavefront modulation technology, the dynamic adjustment of spatial optical field formed by interference fringe can be implemented by means of wavefront modulation of interference arm bean. The working mode of equivalent grating is determined by wavefront corrector which can change coherent light wavefront quickly. Benefitting from this characteristic, projection fringe pattern can be dynamically adjusted according to objects' geometry and measurement parameters, which is helpful to improve the measurement efficiency. The wavefront corrector with sub-wavelength resolution can carry on precise adjustment of projection fringe phase, which is helpful to improve the phase resolving accuracy of deformed fringe. The research will provide new measurement ideas and implementation methods for optical profilometry technology.

光学形貌测量可以非接触获取几何实体的丰富三维外观信息，具有重要意义和广阔应用前景。光栅投影法是实现光学形貌测量的主要方法，变频、变相位投影条纹的产生是其核心问题，对测量精度和效率有决定性影响，常规的照明投影光栅无法兼顾高精度、强适应性、高速度条纹投射，成为提升测量性能的瓶颈。本项目借鉴自适应光学中的波前控制与校正思想，引入波阵面调制技术，通过对干涉臂光束波阵面的调制实现干涉投影条纹空间光场的动态调整。等效光栅的工作模式由可快速改变相干光波前相位的波前校正器确定，能够根据被测物体几何形状及测量参数动态调整投影条纹图样，有助于提高测量效率；波前校正器具有亚波长级分辨率，能够对投影条纹相位进行精确调整，有助于提高解相精度。本项目研究将为光学形貌测量技术提供新的测量思路和实现方法。

条纹投影三维形貌测量具有准确度高、速度快、适应性强、自动化程度高以及成本低廉等优点，逐渐成为形貌测量的主流技术，其发展趋势及有待解决的问题包括：定向反射物体表面测量、微小结构三维形貌测量、大视场高精度三维形貌测量、360°全景三维物体形貌重建、实时动态三维形貌测量、自适应性三维形貌测量。本项目着眼于提高现有条纹投影三维形貌测量系统的自适应性，即测量系统根据被测物体的几何形状以及测量参数自动调节其投影—接收系统的能力，以及解调算法适应投影图像的变化能力。以投射光学干涉条纹为基础，通过对干涉臂光束波阵面的调制改变其上各点光程，达到对投影条纹空间光场的动态调制目的，解决利用波阵面调制实现投影条纹移相、变频和稳相的问题，研究内容包括：1）根据波前相位调制模型，建立相干光束经光学相控器件后的干涉模型，分析波前误差到干涉条纹分布误差的传递关系；2）建立受控于相控阵出射光束角度的条纹相移模型，分析光束指向与相移之间的误差传递关系；3）采用条纹图像能量转换算法和能量分布识别算法，将条纹图像转化为能量分布图并进行分析处理，有效识别非物体形貌调制的条纹相位畸变；4）结合变形反射镜控制模型、镜面补偿原理，研究针对非物体形貌调制的条纹相位畸变的补偿方法和仿真计算；5）建立平行光干涉投影下的普适结构模型，推导出相位与高度的关系表达式，提出相应的测量系统标定方法；6）利用相控阵调节两光束的夹角产生所需条纹间距，结合双频外差法解包裹进行相位展开，提高相位解算精度。仿真及实验表明，电光晶体折射率畸变会使干涉条纹移位变形，晶体平面度误差在0.1um 左右就会导致干涉条纹形变；能够识别出的非物体形貌调制的最小条纹相位畸变为60mrad，经相位补偿后的残余相位畸变不超过80mrad；经双频解包裹得到的三维形貌平滑，最大高度的相对误差为1.6%。项目研究为光栅投影形貌测量技术开发和测量设备研制提供全新的测量思路和方法，对完善三维形貌测量理论体系具有重要意义。