專利名稱：基于正交雙光柵的同步相移共光路干涉檢測裝置及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于正交雙光柵的同步相移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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)窗，一個(gè)放置被測物體，另一個(gè)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-shiftingphase-gratinginterferometry with modulation of polarization case of fourinterferograms. 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(shí)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(shí)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，提供了一種基于正交雙光柵的同步相移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(gè)λ/4波片、待測物體、矩形窗口、第一透鏡、一維周期幅度光柵、一維周期相位光柵、第二透鏡、四象限偏振片組、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，—維周期幅度光柵和一維周期相位光柵組成雙光柵，一維周期幅度光柵和一維周期相位光柵按光柵線方向正交放置；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(gè)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由一維周期幅度光柵和一維周期相位光柵組成的雙光柵后入 射至第二透鏡，經(jīng)第二透鏡透射后的衍射光束入射至四象限偏振片組，該四象限偏振片組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三維直角坐標(biāo)系，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(gè)小窗口 ；兩個(gè)λ/4波片均與矩形窗口平行設(shè)置、且位于同一個(gè)平面內(nèi)，所述兩個(gè)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；所述由一維周期幅度光柵和一維周期相位光柵組成的雙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；一維周期幅度光柵的周期d與矩形窗口沿X軸方向的長度L之間滿足關(guān)系d =2 λ f/L ;一維周期相位光柵的周期dphase與矩形窗口沿y軸方向的寬度W之間滿足關(guān)系
dphase ( 2 λ f/W。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L/2，待測物體位于其中一個(gè)λ /4波片的正后方。一維周期幅度光柵為二值一維周期幅度光柵、正弦一維周期幅度光柵或余弦一維周期幅度光柵。一維周期相位光柵為相位為O和π的二值光柵。四象限偏振片組為偏振方向依次逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°角的四片偏振片組成的2X2陣列?；谒龌谡浑p光柵的同步相移共光路干涉檢測裝置的干涉檢測方法，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(gè)λ /4波片、待測物體和矩形窗口后，再依次經(jīng)過第一透鏡、由一維周期幅度光柵和一維周期相位光柵組成的雙光柵、第二透鏡和四象限偏振片組后，在圖像傳感器平面上產(chǎn)生干涉圖樣，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(shí)針方向排布為第一至第四幅干涉圖樣，強(qiáng)度分布順次為Ip 12、I3和I4，并按公式
[I -I
φ ^χ,γ) = arctan —-1
L^1 -ih _獲取待測物體的相位分布爐少)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)基于正交雙光柵的同步相移共光路干涉檢測方法有以下特點(diǎn)和有益效果·I.將雙窗口共光路干涉方法、光柵分光和偏振相移技術(shù)相結(jié)合,通過一次曝光米集便可獲得四幅的干涉圖達(dá)到物體相位恢復(fù)的目的，在保證測量精度、抗干擾能力和穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，方法簡單易行，并可提高圖像傳感器有效面積利用率，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之一；2.四幅干涉圖對比度相同，映射關(guān)系簡單，可極大提高相位恢復(fù)算法效率，同時(shí)可消除因多級次衍射引入的相移誤差和隨機(jī)噪聲，提高測量精度，進(jìn)而更適合實(shí)時(shí)動態(tài)測量，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之二；本發(fā)明裝置具有如下顯著特點(diǎn)I.本發(fā)明采用共光路結(jié)構(gòu)，原理簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，對環(huán)境干擾不靈敏；2.本發(fā)明裝置成本低，在操作中不需要改變光路，也不需要移動任何實(shí)驗(yàn)器件，操作方便靈活，穩(wěn)定性高。
圖I是本發(fā)明所述基于正交雙光柵的同步相移共光路干涉檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是正交雙光柵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖I四象限偏振片組的偏振方向示意圖；圖4是為將計(jì)算機(jī)采集獲得的干涉圖樣分割獲得的待測物體的四幅干涉圖樣；圖5為根據(jù)待測物體的相位分布爐恢復(fù)獲得的待測物體的相位分布。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖I至圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式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(gè)λ/4波片4、待測物體5、矩形窗口 6、第一透鏡7、一維周期幅度光柵8、一維周期相位光柵9、第二透鏡10、四象限偏振片組11、圖像傳感器12和計(jì)算機(jī)13，其中λ為光源I發(fā)射光束的光波長，—維周期幅度光柵8和一維周期相位光柵9組成雙光柵，一維周期幅度光柵8和一維周期相位光柵9按光柵線方向正交放置；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(gè)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由一維周期幅度光柵8和一維周期相位光柵9組成的雙光柵后入射至第二透鏡10，經(jīng)第二透鏡10透射后的衍射光束入射至四象限偏振片組11，該四象限偏振片組11的出射光束由圖像傳感器12的光接收面接收，圖像傳感器12的圖像信號輸出端連接計(jì)算機(jī)13的圖像信號輸入端；以光軸的方向?yàn)棣戚S方向建立xyz三維直角坐標(biāo)系，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(gè)小窗口 ；兩個(gè)λ/4波片4均與矩形窗口 6平行設(shè)置、且位于同一個(gè)平面內(nèi)，所述兩個(gè)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10的焦距都為f ； 矩形窗口 6位于第一透鏡7的前焦面上；所述由一維周期幅度光柵8和一維周期相位光柵9組成的雙光柵位于第一透鏡7的后焦面上并且位于第二透鏡10的前焦面上；圖像傳感器12位于第二透鏡10的后焦面上；—維周期幅度光柵8的周期d與矩形窗口 6沿X軸方向的長度L之間滿足關(guān)系d = 2 λ f/L ；一維周期相位光柵9的周期dph_與矩形窗口 6沿y軸方向的寬度W之間滿足關(guān)系dphase ( 2 λ f/W。本實(shí)施方式中，光源I米用波長632. 8nm的He-Ne激光器。第一透鏡7和第二透鏡9的焦距均為f = 250mm。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式對實(shí)施方式一作進(jìn)一步說明，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L/2，待測物體5位于其中一個(gè)λ /4波片4的正后方。所述待測物體5沿X軸方向的長度可根據(jù)需要選取，只要小于或等于L/2即可。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式對實(shí)施方式一或二作進(jìn)一步說明，一維周期幅度光柵8為二值一維周期幅度光柵、正弦一維周期幅度光柵或余弦一維周期幅度光柵。本實(shí)施方式中，一維周期幅度光柵8采用周期d = 50 μ m的Ronchi光柵。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式對實(shí)施方式一、二或三作進(jìn)一步說明，一維周期相位光柵9為相位為O和π的二值光柵。本實(shí)施方式中，一維周期相位光柵9米用dphase = 50 μ m的二值相位光柵。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式對實(shí)施方式一、二、三或四作進(jìn)一步說明，四象限偏振片組11為偏振方向依次逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°角的四片偏振片組成的2X2陣列。四片偏振片的偏振方向不同，四個(gè)偏振方向如圖3所示，右上角偏振片的偏振方向與光軸夾角為0，其它三個(gè)偏振片以右上角偏振片為基準(zhǔn)沿逆時(shí)針方向排布，并且，該三個(gè)偏振片的偏振方向以右上角偏振片為基準(zhǔn)依次相對于前一個(gè)偏振片逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°角。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式對實(shí)施方式一、二、三、四或五作進(jìn)一步說明，偏振片2的透光軸與X軸呈45°角。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式對實(shí)施方式一、二、三、四、五或六作進(jìn)一步說明，兩個(gè)λ /4波片4中一個(gè)λ /4波片4快軸沿X軸方向放置，另一個(gè)λ /4波片4快軸沿y軸方向放置。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式對實(shí)施方式一、二、三、四、五、六或七作進(jìn)一步說明，所述矩形窗口 6為LXW = 6. 33臟X3. 16臟的窗口。本實(shí)施方式中矩形窗口 6的大小是可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整的。該窗口被分成兩部分，每部分的大小與一幅干涉圖樣的尺寸相同。
具體實(shí)施方式
九基于實(shí)施方式一至七任一所述基于正交雙光柵的同步相移共光路干涉檢測裝置的干涉檢測方法，它的實(shí)現(xiàn)過程如下 打開光源I，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(gè)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、由一維周期幅度光柵8和一維周期相位光柵9組成的雙光柵、第二透鏡10和四象限偏振片組11后，在圖像傳感器12平面上產(chǎn)生干涉圖樣，將計(jì)算機(jī)13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(shí)針方向排布為第一至第四幅干涉圖樣，強(qiáng)度分布順次為Ip 12、I3和14，并按公式
權(quán)利要求
1.一種基于正交雙光柵的同步相移共光路干涉檢測裝置，它包括光源(I)，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(gè)λ/4波片(4)、待測物體(5)、矩形窗口(6)、第一透鏡(7)、一維周期幅度光柵(8)、一維周期相位光柵(9)、第二透鏡(10)、四象限偏振片組(11)、圖像傳感器(12)和計(jì)算機(jī)(13)，其中λ為光源(I)發(fā)射光束的光波長， 一維周期幅度光柵(8)和一維周期相位光柵(9)組成雙光柵，一維周期幅度光柵(8)和一維周期相位光柵(9)按光柵線方向正交放置；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(gè)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由一維周期幅度光柵(8)和一維周期相位光柵(9)組成的雙光柵后入射至第二透鏡(10)，經(jīng)第二透鏡(10)透射后的衍射光束入射至四象限偏振片組(11)，該四象限偏振片組(11)的出射光束由圖像傳感器(12)的光接收面接收，圖像傳感器(12)的圖像信號輸出端連接計(jì)算機(jī)(13)的圖像信號輸入端; 以光軸的方向?yàn)棣戚S方向建立xyz三維直角坐標(biāo)系，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(gè)小窗口 ； 兩個(gè)λ/4波片(4)均與矩形窗口(6)平行設(shè)置、且位于同一個(gè)平面內(nèi)，所述兩個(gè)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(10)的焦距都為f ； 矩形窗口(6)位于第一透鏡(7)的前焦面上；所述由一維周期幅度光柵(8)和一維周期相位光柵(9)組成的雙光柵位于第一透鏡(7)的后焦面上并且位于第二透鏡(10)的前焦面上； 圖像傳感器(12)位于第二透鏡(10)的后焦面上； 一維周期幅度光柵(8)的周期d與矩形窗口(6)沿X軸方向的長度L之間滿足關(guān)系d = 2 λ f/L ； 一維周期相位光柵(9)的周期dph_與矩形窗口(6)沿y軸方向的寬度W之間滿足關(guān)系dphase < 2 λ f/W。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于正交雙光柵的同步相移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L/2，待測物體(5)位于其中一個(gè)入/4波片⑷的正后方。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于正交雙光柵的同步相移共光路干涉檢測裝置，其特征在于一維周期幅度光柵(8)為二值一維周期幅度光柵、正弦一維周期幅度光柵或余弦一維周期幅度光柵。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于正交雙光柵的同步相移共光路干涉檢測裝置，其特征在于一維周期相位光柵(9)為相位為O和π的二值光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于正交雙光柵的同步相移共光路干涉檢測裝置，其特征在于四象限偏振片組(11)為偏振方向依次逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°角的四片偏振片組成的2X2陣列。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于正交雙光柵的同步相移共光路干涉檢測裝置，其特征在于偏振片⑵的透光軸與X軸呈45°角。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于正交雙光柵的同步相移共光路干涉檢測裝置，其特征在于兩個(gè)λ/4波片(4)中一個(gè)λ/4波片(4)快軸沿X軸方向放置，另一個(gè)λ/4波片(4)快軸沿y軸方向放置。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于正交雙光柵的同步相移共光路干涉檢測裝置，其特征在于所述矩形窗口(6)為LXW = 6. 33謹(jǐn)X3. 16謹(jǐn)?shù)拇翱凇?br>
9.一種基于權(quán)利要求I所述基于正交雙光柵的同步相移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(gè)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)、由一維周期幅度光柵(8)和一維周期相位光柵(9)組成的雙光柵、第二透鏡(10)和四象限偏振片組(11)后，在圖像傳感器(12)平面上產(chǎn)生干涉圖樣，將計(jì)算機(jī)(13)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(shí)針方向排布為第一至第四幅干涉圖樣，強(qiáng)度分布順次為^、、、^和I4，并按公式
全文摘要
基于正交雙光柵的同步相移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(gè)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由一維周期幅度光柵和一維周期相位光柵組成的雙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四象限偏振片組，該四象限偏振片組的出射光束由圖像傳感器接收，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，并獲取待測物體的相位分布。
文檔編號G01B9/02GK102865810SQ20121034435
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者單明廣, 鐘志, 郝本功 申請人:哈爾濱工程大學(xué)