本发明涉及一种基于偏振的双帧干涉图相位提取方法，尤其涉及一种大范围、高精度、易操作的测量方法，属于光电测量。
背景技术：
1、干涉测量是评价光学元件和光束质量的一种高精度检测方法，并且在其发展历程中为了适应不同的需求发展出了多种不同结构的干涉仪。移相干涉技术(psi)不是某一种具体结构的干涉仪，而是一种能应用于多种测量环境和不同结构干涉仪的数据获取以及分析方法。在干涉仪的参考波前和被测波前之间引入时变相移(time varying phaseshift)，在干涉图中就会产生对应的时变信号(time-varying signal)，那么参考波前和被测波前的相对相位就会被编码到这些信号中。在传统的四步相移法中，首先基于压电驱动器的精确相移获取四幅干涉图，然后进行包裹相位(wrapped phase)的计算，得到四幅干涉图后，可以通过一个简单的反三角函数运算求得包裹相位，最后对包裹相位进行解包裹运算得到原始相位。由于在测量过程中受到平台扰动、光路中的气流等影响，每张干涉图的误差值也会不一样。需要的干涉图数量越多，采集时间越长，干涉图之间的误差也会越大，因此需要尽量减少干涉图的数量。无论是四步相移法还是三步相移法，其相移的步长都是需要精确控制的，这对压电驱动器提出了较高的要求，如果相移精度不够，将会给包裹相位的计算带来较大的误差，因此由一帧干涉图提取相位的方法也被提出来。
2、takeda等人提出一种单帧干涉测量方法，该方法基于傅里叶变换，只需要一幅干涉图就能在特定的适用范围内计算出包裹相位，从而恢复原始相位。由于只有一幅干涉图，也就不存在相移，但是这种算法需要被测光与参考光之间有一个倾斜，基于傅里叶变换的单帧激光干涉法的使用条件是待恢复的相位必须是在载频方向单调的，因此该方法不能应用在包含闭合条纹的干涉图中。若干涉图中有闭合条纹，就只能通过加大倾斜量来增加载频的大小，但载频太大通常导致干涉条纹过密以及对比度下降，容易超出ccd的分辨率。不仅如此，载频过大还会带来较大的回溯误差(retrace error)，影响相位恢复的精度。为了不引入较大载频也能使该算法在含有闭合条纹的干涉图中应用，后续的改进算法通过指定相位的凹凸性并进行一个坐标变换，使得算法能够在存在闭合条纹的干涉图中恢复出一个相位凹凸性单调的相位，但该相位不一定是真实相位，不能从原理上解决相位模糊问题。这是一个典型的多解问题，如果没有额外的信息是不能解决的。使用两幅干涉图的双帧相移干涉法(two-step psi)能够在不引入载频的前提下解决相位模糊问题，同时干涉图数量相对较少，是一个比较好的方法。经典的双帧相移干涉法主要有kreis算法，其原理与基于傅里叶变换的单帧激光干涉法类似，但是不引入载频。kreis算法仅使用两幅干涉图就能求解相位，减轻了对干涉图数量的要求，并且不需要对相移步长进行精确控制，极大减轻了对控制系统的要求。但是在kreis算法中第二幅干涉图仅仅用来解决相位模糊，在实际应用时发现kreis算法对噪声很敏感。另外原始的kreis算法没有对干涉图进行预处理，但在实际应用中通常都需要进行预滤波以减轻直流分量的影响。后来，vargas等人提出了一种以两个条纹图为独立矢量的基于gram-schmidt(gs)正交化的相位重建方法以及提出了一种基于正则化光流算法(optical flow,of)的双帧相移干涉测量方法，在以上两种方法中，两幅干涉图之间的相移步长可以在0到2π之间进行任意取值，但不能是π的整数倍。但该方法需要对两幅干涉图进行预处理减去直流分量，大大增加了操作难度以及计算量。综上所述，在目前主流的相位提取方法中，避免在移相过程中引入环境扰动且确保相位高精度提取仍然是一个挑战。尽管各地的研究者不断改进系统的结构，优化校正算法，但仍存在以上问题。
技术实现思路
1、为了解决现有的相位提取方法依赖复杂硬件设备和繁琐迭代过程的局限，且难以同时保证大范围和高精度检测的问题，本发明的目的是提供一种利用双帧干涉图提取相位的方法，该方法仅需要两帧相位差为pi/2的干涉图，用极值法处理后直接进行正切反正切的相位提取方法，进而恢复面形。本发明不需要移相器、分光元件等高精度元器件，并且无需对干涉图进行归一化、去噪等预处理操作，具有光路简单、测量范围大、精度高、效率高的优点。
2、本发明是通过下述技术方案实现的。
3、本发明公开的基于偏振的双帧干涉图相位提取方法，包括如下步骤：
4、步骤一、通过采集系统采集第一张干涉图；
5、步骤二、在采集系统加入一个偏振片，采集第二张干涉图，第二张干涉图与第一张干涉图的相位差为pi/2；
6、第一帧干涉图的光强表达式为：
7、
8、第二帧干涉图的光强表达式为：
9、
10、式中，x为光强矩阵横坐标，y为光强矩阵纵坐标，为相位差，也包括经过器件带来的固有相位移动；a代表背景光强，b代表调制光强；
11、步骤三、极值法求取相位；
12、当为1时
13、max(i1(x,y))＝a+b (3)
14、当为-1时
15、min(i2(x,y))＝a-b (4)
16、由式(3)(4)求出a,b的数值
17、a＝[max(i1(x,y))+min(i2(x,y))]/2 (5)
18、b＝[max(i1(x,y))-min(i2(x,y))]/2 (6)
19、由式(1)(2)(5)(6)得到的数值
20、
21、由式(7)(8)知
22、
23、通过利用反正切方法获取包裹相位φ，使用二维快速解包裹算法进行解包裹，从而恢复出被测面形的真实相位，即基于偏振实现双帧干涉图相位提取。
24、作为优选，采集系统包括激光器、准直扩束器、偏振分束器、1/4波片、参考镜、被测镜和ccd；
25、激光器发出线偏光激光，经过准直扩束后照射到偏振分束器pbs上；pbs将此线偏光分为两束互相垂直的p光和s光，两束光的能量比为1:1；p光经过一个1/4波片，由线偏光变为圆偏光，然后打到参考镜上，反射回来的光就会携带有参考镜的面形信息，在经过同一个1/4波片，使得圆偏光变为线偏光，在经过pbs，s光跟p光一样的传播路线，首先经过一个1/4波片，由线偏光变为圆偏光，然后打到被测镜上，反射回来的光就会携带有被测镜的面形信息，在经过同一个1/4波片，使得圆偏光变为线偏光，在经过pbs，携带有参考镜面形信息的p光以及携带有被测镜面形信息的s光因为经过pbs以后，两束光传播的方向垂直，此时并不会发生干涉，需要让两束光同时在经过一个1/4波片，由线偏光变为圆偏光，从而二者发生干涉，用ccd采集到第一张干涉图。
26、作为进一步优选，采集系统还包括一个偏振片，偏振片位于最后一个1/4波片与ccd之间。
27、有益效果：
28、1、本发明公开的基于偏振的双帧干涉图相位提取方法，通过利用反正切方法获取包裹相位，使用二维快速解包裹算法进行解包裹，从而恢复出被测面形，只需获取相位差为pi/2的干涉图，即能够实现准确的相位提取，避免经典的提取相位法受环境影响比较大的问题，同时也能够解决单帧干涉图提取相位的模糊问题。使得相位提取更为准确。
29、2、本发明公开的基于偏振的双帧干涉图相位提取方法，只需获取相位差为pi/2的干涉图，即能够实现准确的相位提取，解决由于大量微偏振元件、衍射元件、偏振分光棱镜等器件带来的偏振误差的问题以及目前主流的双帧提取法带来的干涉图预处理的问题。
30、3、本发明公开的基于偏振的双帧干涉图相位提取方法，基于极值法求取相位，使得受气流、振动等环境因素影响比较大以及得到干涉图操作复杂等问题得到解决。
31、4、本发明公开的基于偏振的双帧干涉图相位提取方法，利用两张干涉图直接得到对应的相位，不依赖额外的硬件设备，无需对图片进行预先处理，极大地降低光学系统地复杂性；通过采集的双帧干涉图输出相位图，rms(root-mean-square)值为0.0042λ，同一镜面用干涉仪测出的rms(root-mean-square)值为0.0045λ，本发明能够显著提高检测精度，简化操作流程。
1.基于偏振的双帧干涉图相位提取方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.如权利要求1所述基于偏振的双帧干涉图相位提取方法，其特征在于：采集系统包括激光器、准直扩束器、偏振分束器、1/4波片、参考镜、被测镜和ccd；
3.如权利要求2所述基于偏振的双帧干涉图相位提取方法，其特征在于：采集系统还包括一个偏振片，偏振片位于最后一个1/4波片与ccd之间。
