基于旋滤波法的干涉条纹预处理技术

　　在ICF驱动系统中,大量使用了各种大口径光学元件。目前检测大口径光学元件的表面加工质量,一般使用大口径干涉仪,干涉检测技术在ICF驱动系统光学元件加工检测过程中起到了质量监控的重要作用。而傅里叶变换法干涉条纹分析[1-2]是干涉条纹分析中一种比较常用的方法,它只需分析单一的一幅干涉图,适于处理动、静态波面,且精度高。但它需要在频域中准确地选择带通滤波器的类型和带宽,这往往比较困难,因为有些噪声的频谱比较宽,使得噪声频率和条纹频率重叠在一起,因此,在频域中无法彻底去除这些噪声。然而实际拍摄的干涉图不可避免地引入大量的噪声,所以进行傅里叶变换分析之前必须对干涉图进行预处理。

　　如何抑制干涉噪声影响来提高测量的精度,是目前国内外比较关心和急需解决的课题。抑制干涉噪声有两种途径:(1)通过旋转漫射器削弱光源的空间相干性[3],或使用非相干光源[4]或用其他设备移动光源[5]等方法;(2)干涉条纹预处理。本文旨在通过中值旋滤波法对干涉图进行预处理,去除各种噪声而不使条纹变模糊,同时对干涉图条纹外插来提高傅里叶变换法干涉条纹分析的精度。

   1　旋滤波法的基本原理

　　在条纹图的中间区域,条纹图的灰度值梯度分布有一定的规律:在条纹的切线方向梯度值最小,而在条纹的法线方向梯度值最大。在频域内分析此规律,图1(a)和图1(b)分别是条纹图中某一窗口内在条纹法线和切线方向的灰度分布。图1(c)和图1(d)分别是图1(a)和图1(b)的频谱分布图。在条纹法线方向,灰度变化较大,对应的频谱呈一条宽带,条纹信号和噪声的频谱是叠加在一起的,无法截然分开。在条纹切线方向,灰度变化很小,对应的频谱是在零频附近的一条窄带,而随机噪声仍然分布在高频,因此可以用常规低通滤波器将条纹和噪声干净地分开,从而滤掉噪声,同时不损害条纹信号的任何信息。旋滤波的基本思想是:首先找到条纹灰度值的等值线,然后在灰度值等值线上作低通滤波。

    2　中值旋滤波的改进算法

　　目前旋滤波法主要应用在以下几个的方面:高密度条纹、稀疏条纹,如散斑条纹图、莫尔条纹图[6-9]。本文将旋滤波法改进并应用到傅里叶变换法干涉条纹分析的空域预处理。傅里叶变换法干涉条纹分析由于引入了空间载频(将参考面倾斜),使得条纹变密变直,如图2(a)所示。在干涉图里有一些较大面积的亮斑或暗斑,用一般的旋滤波法也会产生较大的误差。而这些亮斑或暗斑的频谱比较宽,不易在频域中用窗函数彻底滤除,需要对它进行内插。若在圆域干涉图之外,方形区域之内以零值代替作傅里叶变换,由于条纹在孔径边界突然消失,将引起傅里叶频谱的扩散[2,10]。最后恢复得到的面形分布将产生较大误差,所以需要对干涉图外插以提高傅里叶变换法干涉条纹分析的精度。本文提出的基于中值旋滤波法的内插和外插基本思想是:在灰度值等值线上,用该线上其他象素点的灰度值的中值来代替需要插值区域的灰度值。这样就可以达到即滤掉噪声而又不对条纹产生模糊。具体改进的基于中值旋滤波预处理方法的算法如下: