專利名稱：基于分光同步相移的共光路干涉檢測裝置及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于分光同步相移的共光路干涉檢測裝置及檢測方法，屬于光學(xué)干涉檢測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光學(xué)相移干涉儀是一種非接觸、高精度的全場測量工具，被廣泛的應(yīng)用于光學(xué)表面、形變及厚度等檢測領(lǐng)域。傳統(tǒng)的光學(xué)干涉檢測方法有泰曼-格林干涉法、馬赫-曾德干涉法以及剪切干涉法等。其中，泰曼-格林干涉法、馬赫-曾德干涉法等采用分離光路干涉，即參考光束和測量光束通過不同路徑進(jìn)行干涉，易受外界振動、溫度起伏等影響；剪切干涉法等采用共光路干涉，即參考光束與測量光束通過共同路徑后干涉，其對外界振動、溫度起伏等不敏感，具有一定抗干擾能力，但剪切干涉法同時實(shí)現(xiàn)剪切量和相移量調(diào)控比較困難，調(diào)控精度較低，且需移動光學(xué)元件引入相移提高測量精度，不僅不適合動態(tài)測量，還會引起 光學(xué)系統(tǒng)的振動，形成噪聲。為了解決這些困難，國內(nèi)外學(xué)者作了諸多有益嘗試。中國專利《可實(shí)時測量的同步相移斐索干涉裝置》，公開號為CN102589414A，
公開日為2012年7月18日，該專利利用λ/4波片替代傳統(tǒng)斐索干涉儀中的標(biāo)準(zhǔn)平晶，使考光束與測量光束通過共同路徑后干涉，并結(jié)合四象限偏振片組通過一次曝光獲得四幅相移干涉圖，在保證高空間分辨率的前提下，實(shí)現(xiàn)了測量的實(shí)時性，但是該方法操作復(fù)雜困難，且需要高質(zhì)量λ/4波片，成本高。墨西哥學(xué)者V. Arrizon等提出基于4f系統(tǒng)和光柵濾波的共光路干涉法(V. Arrizon, D.Sanchez-de-la-Llave. Common-path interferometry withone-dimensional periodic filters. Optics Letters, 2004, 29 (2) :141-143)。該方法在輸入端使用兩個窗，一個放置被測物體，另一個作為參考，結(jié)合4f系統(tǒng)光柵濾波的共光路結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整光柵周期、透鏡焦距等參數(shù)，能夠在輸出端得到物體的干涉圖樣，但是該方法仍需移動光柵獲得相移。G. Rodriguez-Zurita等在上述方法基礎(chǔ)上,提出利用偏振調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)同步相移(G. Rodriguez-Zurita, C. Meneses-Fabian, N. I. Toto-Arellano,J. F. Vazquez-Castillo, C. Robledo-Sanchez. One-shot phase-shifting phase-gratinginterferometry with modulation of polarization case of four interferograms.Opt. Express, 2008,16(11) :7806-7817)。該方法利用光柵產(chǎn)生的0、± I和±2衍射光，結(jié)合偏振調(diào)制通過一次曝光獲得四幅相移干涉圖。該方法調(diào)整方便，成本低，且可實(shí)現(xiàn)實(shí)時測量，但是因?yàn)槔枚嗉壯苌涔獾竭_(dá)CCD干涉，造成CCD有效面積利用率低，同時因?yàn)檠苌浼壌喂鈴?qiáng)的不同，使獲得四幅干涉圖對比度不同，進(jìn)而增加數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性并影響測量精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有光學(xué)相移干涉檢測方法操作復(fù)雜困難，且需要高質(zhì)量λ/4波片，成本高，測量精度低的問題，提供了一種基于分光同步相移的共光路干涉檢測裝置及檢測方法。本發(fā)明所述基于分光同步相移的共光路干涉檢測裝置，它包括光源，它還包括偏振片、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、兩個λ/4波片、待測物體、矩形窗口、第一透鏡、一維周期光柵、第二透鏡、分光同步相移系統(tǒng)、圖像傳感器和計(jì)算機(jī)，其中λ為光源發(fā)射光束的光波長，光源發(fā)射的光束經(jīng)偏振片入射至準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)的光接收面，經(jīng)該準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后的出射光束經(jīng)過兩個λ/4波片、待測物體及矩形窗口后入射至第一透鏡，經(jīng)第一透鏡匯聚后的出射光束通過一維周期光柵后入射至第二透鏡，經(jīng)第二透鏡透射后的衍射光束入射至分光同步相移系統(tǒng)，該分光同步相移系統(tǒng)的出射光束由圖像傳感器的光接收面接收，圖像傳感器的圖像信號輸出端連接計(jì)算機(jī)的圖像信號輸入端；以光軸的方向?yàn)棣戚S方向建立xyz坐標(biāo)軸，所述矩形窗口沿垂直于光軸的方向設(shè)置，并且沿X軸方向均分為兩個小窗口 ；兩個λ/4波片均與矩形窗口平行設(shè)置、且位于同一個平面內(nèi)，所述兩個λ/4波片 沿X軸方向并行等間距排布；第一透鏡和第二透鏡的焦距都為f ;矩形窗口位于第一透鏡的前焦面上；一維周期光柵位于第一透鏡的后焦面上并且位于第二透鏡的前焦面上；圖像傳感器位于第二透鏡的后焦面上；一維周期光柵的周期d與矩形窗口沿X軸方向的寬度D之間滿足關(guān)系d = 2 λ f/D0分光同步相移系統(tǒng)由消偏振分光棱鏡和四象限偏振片組組成，所述消偏振分光棱鏡呈立方體結(jié)構(gòu)，所述四象限偏振片組由四片偏振片組成，分光同步相移系統(tǒng)的入射光束為消偏振分光棱鏡的入射光束，分光同步相移系統(tǒng)的出射光束為四象限偏振片組的出射光束，消偏振分光棱鏡將入射光束分成兩束光束，分別為反射光束和透射光束，反射光束對應(yīng)于四象限偏振片組中的兩片偏振片，透射光束對應(yīng)于四象限偏振片組中的兩片偏振片，經(jīng)四片偏振片偏振后出射，作為四象限偏振片組的出射光束；消偏振分光棱鏡的分光面與XOZ平面平行，消偏振分光棱鏡的入射光束與所述分光面平行，消偏振分光棱鏡的入射光束從分光面一側(cè)的斜面入射；所述四象限偏振片組為偏振方向依次逆時針旋轉(zhuǎn)45°角的四片偏振片組成的2X2陣列。待測物體放置在矩形窗口內(nèi)、矩形窗口的光束入射側(cè)或矩形窗口的光束出射側(cè)，待測物體沿X軸方向的長度小于或等于D/2，待測物體位于其中一個λ /4波片的正后方。一維周期光柵為二值一維周期光柵、正弦一維周期光柵或余弦一維周期光柵?；谏鲜龌诜止饫忡R的三窗口共光路干涉檢測裝置的檢測方法，它的實(shí)現(xiàn)過程如下打開光源，使光源發(fā)射的光束經(jīng)偏振片和準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后形成平行偏振光束，該平行偏振光束通過兩個λ /4波片、待測物體和矩形窗口后，再依次經(jīng)過第一透鏡、一維周期光柵和第二透鏡產(chǎn)生O級和±1級衍射光束，該衍射光束入射至分光同步相移系統(tǒng)后，在圖像傳感器平面上產(chǎn)生干涉，將計(jì)算機(jī)采集獲得的干涉圖樣根據(jù)矩形窗口的小窗口的尺寸分割獲得待測物體的四幅干涉圖樣，該四幅干涉圖樣以右上角圖像為第一幅干涉圖樣，并按照逆時針方向排布為第一至第四幅干涉圖樣，將第三和第四幅干涉圖樣進(jìn)行鏡像翻轉(zhuǎn)后的四幅干涉圖樣的強(qiáng)度順次為^、、、^和I4，并按公式
權(quán)利要求
1.一種基于分光同步相移的共光路干涉檢測裝置，它包括光源(1)，其特征在于它還包括偏振片(2)、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(3)、兩個λ/4波片(4)、待測物體(5)、矩形窗口 ￠)、第一透鏡(7)、一維周期光柵(8)、第二透鏡(9)、分光同步相移系統(tǒng)(10)、圖像傳感器(11)和計(jì)算機(jī)(12)，其中λ為光源(I)發(fā)射光束的光波長， 光源(I)發(fā)射的光束經(jīng)偏振片(2)入射至準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(3)的光接收面，經(jīng)該準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(3)準(zhǔn)直擴(kuò)束后的出射光束經(jīng)過兩個λ/4波片(4)、待測物體(5)及矩形窗口(6)后入射至第一透鏡(7)，經(jīng)第一透鏡(7)匯聚后的出射光束通過一維周期光柵(8)后入射至第二透鏡(9)，經(jīng)第二透鏡(9)透射后的衍射光束入射至分光同步相移系統(tǒng)(10)，該分光同步相移系統(tǒng)(10)的出射光束由圖像傳感器(11)的光接收面接收，圖像傳感器(11)的圖像信號輸出端連接計(jì)算機(jī)(12)的圖像信號輸入端； 以光軸的方向?yàn)棣戚S方向建立xyz坐標(biāo)軸，所述矩形窗口(6)沿垂直于光軸的方向設(shè)置，并且沿X軸方向均分為兩個小窗口 ； 兩個λ/4波片(4)均與矩形窗口(6)平行設(shè)置、且位于同一個平面內(nèi)，所述兩個λ/4波片(4)沿X軸方向并行等間距排布； 第一透鏡(7)和第二透鏡(9)的焦距都為f ； 矩形窗口(6)位于第一透鏡(7)的前焦面上；一維周期光柵(8)位于第一透鏡(7)的后焦面上并且位于第二透鏡(9)的前焦面上； 圖像傳感器(11)位于第二透鏡(9)的后焦面上； 一維周期光柵(8)的周期d與矩形窗口(6)沿X軸方向的寬度D之間滿足關(guān)系d =2λ f/D。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于分光同步相移的共光路干涉檢測裝置，其特征在于:分光同步相移系統(tǒng)(10)由消偏振分光棱鏡(10-1)和四象限偏振片組(10-2)組成，所述消偏振分光棱鏡(10-1)呈立方體結(jié)構(gòu)，所述四象限偏振片組(10-2)由四片偏振片組成， 分光同步相移系統(tǒng)(10)的入射光束為消偏振分光棱鏡(10-1)的入射光束，分光同步相移系統(tǒng)(10)的出射光束為四象限偏振片組(10-2)的出射光束， 消偏振分光棱鏡(10-1)將入射光束分成兩束光束，分別為反射光束和透射光束，反射光束對應(yīng)于四象限偏振片組(10-2)中的兩片偏振片，透射光束對應(yīng)于四象限偏振片組(10-2)中的兩片偏振片，經(jīng)四片偏振片偏振后出射，作為四象限偏振片組(10-2)的出射光束； 消偏振分光棱鏡( ο-l)的分光面與XOZ平面平行,消偏振分光棱鏡(10-1)的入射光束與所述分光面平行，消偏振分光棱鏡(10-1)的入射光束從分光面一側(cè)的斜面入射；所述四象限偏振片組(10-2)為偏振方向依次逆時針旋轉(zhuǎn)45°角的四片偏振片組成的2X2陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于分光同步相移的共光路干涉檢測裝置，其特征在于 待測物體(5)放置在矩形窗口(6)內(nèi)、矩形窗口(6)的光束入射側(cè)或矩形窗口(6)的光束出射側(cè)，待測物體(5)沿X軸方向的長度小于或等于D/2，待測物體(5)位于其中一個入/4波片⑷的正后方。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于分光同步相移的共光路干涉檢測裝置，其特征在于一維周期光柵(8)為二值一維周期光柵、正弦一維周期光柵或余弦一維周期光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于分光同步相移的共光路干涉檢測裝置，其特征在于偏振片(2)的透光軸與X軸呈45°角。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于分光同步相移的共光路干涉檢測裝置，其特征在于兩個λ/4波片(4)中一個λ/4波片(4)快軸沿X軸方向放置，另一個λ/4波片(4)快軸沿y軸方向放置。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于分光同步相移的共光路干涉檢測裝置，其特征在于所述矩形窗口(6)為 DX(D/2) = 6. 33mmX3. 16mm 的窗口。
8.一種基于權(quán)利要求I所述基于分光同步相移的共光路干涉檢測裝置的干涉檢測方法，其特征在于它的實(shí)現(xiàn)過程如下 打開光源(1)，使光源(I)發(fā)射的光束經(jīng)偏振片(2)和準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(3)準(zhǔn)直擴(kuò)束后形成平行偏振光束，該平行偏振光束通過兩個λ/4波片(4)、待測物體(5)和矩形窗口(6)后，再依次經(jīng)過第一透鏡(7)、一維周期光柵(8)和第二透鏡(9)產(chǎn)生O級和± I級衍射光束，該衍射光束入射至分光同步相移系統(tǒng)(10)后，在圖像傳感器(11)平面上產(chǎn)生干涉，將計(jì)算機(jī)(12)采集獲得的干涉圖樣根據(jù)矩形窗口(6)的小窗口的尺寸分割獲得待測物體(5)的四幅干涉圖樣，該四幅干涉圖樣以右上角圖像為第一幅干涉圖樣，并按照逆時針方向排布為第一至第四幅干涉圖樣，將第三和第四幅干涉圖樣進(jìn)行鏡像翻轉(zhuǎn)后的四幅干涉圖樣的強(qiáng)度順次為Ip 12、I3和14，并按公式
全文摘要
基于分光同步相移的共光路干涉檢測裝置及檢測方法，屬于光學(xué)干涉檢測領(lǐng)域，本發(fā)明為解決現(xiàn)有光學(xué)相移干涉檢測方法操作復(fù)雜困難，且需要高質(zhì)量λ/4波片，成本高，測量精度低的問題。本發(fā)明方案光源發(fā)射的光束經(jīng)偏振片入射至準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)的光接收面，經(jīng)該準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后的出射光束經(jīng)過兩個λ/4波片、待測物體及矩形窗口后入射至第一透鏡，經(jīng)第一透鏡匯聚后的出射光束通過一維周期光柵后入射至第二透鏡，經(jīng)第二透鏡透射后的衍射光束入射至分光同步相移系統(tǒng)，該分光同步相移系統(tǒng)的出射光束由圖像傳感器的光接收面接收，圖像傳感器的圖像信號輸出端連接計(jì)算機(jī)的圖像信號輸入端，獲取待測物體的相位分布。
文檔編號G01B9/02GK102840823SQ20121034130
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月14日
發(fā)明者單明廣, 鐘志, 郝本功 申請人:哈爾濱工程大學(xué)