CN101319873A

CN101319873A - 用于同步移相干涉仪的空间移相器

Info

Publication number: CN101319873A
Application number: CNA2008100406132A
Authority: CN
Inventors: 曾爱军; 郭小娴; 江晓军; 黄惠杰; 王向朝
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2008-07-16
Filing date: 2008-07-16
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2028-07-16
Also published as: CN101319873B

Abstract

一种用于同步移相干涉仪的空间移相器，特点在于其仅由一个平行分束棱镜、一个萨瓦特偏光镜和一个图像传感器组成，所述的平行分束棱镜、萨瓦特偏光镜和图像传感器依次处于光束的行进方向上。本发明空间移相器具有对比度一致性高、无须同步控制、移相量精确、位置匹配精度高、结构简单紧凑、易于装调的特点。

Description

用于同步移相干涉仪的空间移相器

技术领域

本发明涉及光学干涉测量领域，是一种用于同步移相干涉仪的空间移相器，特别是一种用单个图像传感器同时接收多幅移相干涉图像的空间移相器。

背景技术

移相干涉仪利用移相技术来辅助提取相位信息，可以获得高的测量精度且在整个测量区域上实现等精度测量。常见的移相干涉仪是采用压电陶瓷驱动标准镜移动或者改变激光波长等措施来实现移相的，多幅移相干涉图像在不同时间内采集得到，称之为时域移相干涉仪。时域移相干涉仪由于干涉图像采集时间的变化使其对使用环境的要求非常苛刻，其中振动的影响尤为突出。振动将导致干涉图像产生抖动、扭曲、模糊，使得干涉仪在移相过程中采集图像时引入随机相位误差，影响测量精度甚至使测量无法进行。同时，时域移相干涉仪的移相干涉图像是在不同时间内产生的，故它只适合于静态波面或者准静态波面测量，无法实现动态波面的实时测量。上述问题可以采用同步移相干涉仪来解决，同步移相干涉仪瞬间获得多幅移相干涉图像，故可以实现静态波面的抗振动测量和动态波面的实时测量。

在同步移相干涉仪中，测量光束与参考光束的偏振方向相互垂直。测量光束与参考光束合束后进入空间移相器，空间移相器将测量光束、参考光束进行分光以形成多个子光束组，每个子光束组中包含测量子光束和参考子光束，同时不同子光束组中的测量子光束、参考子光束具有不同的相位差，进而形成多幅具有不同移相量的干涉图像。空间移相器是同步移相干涉仪的一个核心部件，它直接影响同步移相干涉仪的性能特征。

在先技术[1](参见Chris L.Koliopoulos.Simultaneous phase shift interferometer.Proc.SPIE，Vol.1531，119～127，1991)中描述了一种空间移相器，该空间移相器主要由一块二分之一波片、一个分束棱镜、一块四分之一波片、两个偏振分束棱镜和四个图像传感器所组成。偏振方向相互垂直的测量光束与参考光束合束并经过半波片后由分束棱镜进行第一次分光，分光产生的透射子光束、反射子光束均包含测量子光束与参考子光束，透射子光束被一个偏振分束棱镜进行第二次分光，反射子光束经过四分之一波片后由另一个偏振分束棱镜进行第二次分光。两次分光后产生的四组子光束形成四幅依次移相90°的干涉图像。

在先技术[2](参见Arjan J.P.van Haasteren，Hans J.Frankena.Real-timedisplacement measurement using a multicamera phase-stepping speckle interferometer.Applied Optics，Vo1.33，No.19，4137～4142，1994)中描述了一种空间移相器，该空间移相器主要由一个分束棱镜、两块四分之一波片、一个单输出检偏器、一个双输出检偏器和三个图像传感器所组成。偏振方向相互垂直的测量光束与参考光束合束并经过分束棱镜进行分光，其透射子光束、反射子光束均包含测量子光束与参考子光束。反射子光束经过四分之一波片后进入单输出检偏器，形成一幅移相量为90°的干涉图像，该干涉图由一个图像传感器所接收。透射子光束经过四分之一波片后进入双输出检偏器，双输出检偏器进行偏振分光产生移相量为0°和180°的两幅干涉图像，分别由两个图像传感器所接收。该空间移相器在三个图像传感器上共形成了三幅移相量分别为0°、90°和180°的干涉图像。

在先技术[3](参见Piotr Szwaykowski，Raymond J Castonguay，Frederick NBushroe.Simultaneous phase shifting module for use in interferometry.US Patent，No.20060146340)中描述了一种空间移相器，该空间移相器主要由一个复合分束棱镜、三块四分之一波片、三块检偏器和三个图像传感器所组成。偏振方向相互垂直的参考光束与测量光束合束后进入该空间移相器，复合分束棱镜进行两次分光后将其分为三个子光束组，各个包含测量子光束、参考子光束的子光束组分别经过四分之一波片、检偏器后在图像传感器上形成干涉图，利用三个检偏器方位角度的不同使三幅干涉图像的移相量分别为0°、90°和180°。

上述在先技术主要有下列几个缺点：

1、对比度一致性差。各组子光束经过不同的光学元器件后产生干涉，而光学元器件的材料特性、面形、表面疵病和光学薄膜无法保证相同，使各个测量子光束、参考子光束的强度及其分布不相同，进而使移相干涉图之间的背景光强、对比度不相同。多个图像传感器接收不同移相量的干涉图，各个图像传感器的光电性能会存在差异，也使移相干涉图像之间的对比度不相同。

2、需要精确同步控制。多个图像传感器接收不同移相量的干涉图，为了使各个图像传感器采集相同时刻与相同时间间隔的干涉图像，必须精确同步控制多个图像传感器进行同步采集。

3、移相量难以准确控制。波片的相位延迟量误差、快轴方位角误差及其位置倾斜误差、检偏器的方位角误差及其较低的消光比都会引入移相误差，使移相量不能准确控制。

4、位置匹配误差大。不同光路的测量子光束与参考子光束在不同图像传感器上形成移相干涉图像，光路的差异和图像传感器的位置差异会使多个干涉图像的相对位置不同，光学元器件、图像传感器的转动量差异与倾斜量差异会使不同干涉图像产生不同的变形，从而使移相干涉图像之间的位置匹配误差大。

5、结构复杂、装调困难。空间移相器两次分光形成多个子光束组以获得三幅或者四幅移相干涉图像，多组个子光束组在空间上完全分开且不平行，使得光学、机械结构复杂且体积较大，同时光路的调试和结构的装配也困难。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于同步移相干涉仪的空间移相器，该空间移相器应具有对比度一致性高、无须同步控制、移相量精确、位置匹配精度高、结构简单紧凑、易于装调的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于同步移相干涉仪的空间移相器，特点在于其仅由一个平行分束棱镜、一个萨瓦特偏光镜和一个图像传感器组成，所述的平行分束棱镜、萨瓦特偏光镜和图像传感器依次处于光束的行进方向上。

所述的平行分束棱镜由斜方棱镜的斜面与直角棱镜的斜面胶合而成，该斜方棱镜与直角棱镜胶合的斜面上镀有消偏振分束薄膜，斜方棱镜的另一个斜面镀反射式相位延迟薄膜，其相位延迟量为90°。

所述的萨瓦特偏光镜由两块光轴与晶体表面法线成一定夹角的大双折射率差单轴晶体平板构成，两块单轴晶体平板的光学参数完全相同，两个单轴晶体平板的主截面相互垂直。

所述的萨瓦特偏光镜中的两块单轴晶体平板的光轴与其表面法线的夹角相同，其变化范围为0°～90°。

所述图像传感器可以为CCD图像传感器、CMOS图像传感器或者光电探测器阵列。

与在先技术相比，本发明的技术效果如下：

1、对比度一致性高。萨瓦特偏光镜的均匀分光特性和多幅干涉图像的单个图像传感器接收方式使干涉图像对比度的一致性只受平行分束棱镜分光均匀性的影响，控制消偏振分束薄膜的分束比与相位延迟薄膜的反射比，可以使平行分束棱镜出射的两个子光束组的强度相等，进而使移相干涉图之间的对比度相同。

2、无须同步控制。单个图像传感器接收四幅移相干涉图像，能保证四幅移相干涉图像的采集时刻及时间间隔完全相同，不再存在同步控制的问题。

3、移相量精确。平行分束棱镜利用反射式相位延迟薄膜产生移相，薄膜制备过程可以保证其移相量为90°，萨瓦特偏光镜由其偏振特性决定其两路干涉图像的移相量是准确的180°，故四幅移相干涉图像之间的移相量可以精确控制。

4、位置匹配精度高。本发明中形成四幅移相干涉图的子光束组在空间上相互平行，其空间位置仅仅决定于平行分束棱镜、萨瓦特偏光镜的平行分束位移量，而分束棱镜、萨瓦特偏光镜的平行分束位移量在器件加工后即被确定且易于精确测量，故移相干涉图像之间空间位置可以精确匹配。

5、结构简单紧凑、易于装调。本发明中的空间移相器仅由一个平行分束棱镜、一个萨瓦特偏光镜和一个图像传感器组成，其结构简单、紧凑且易于装配。平行分束棱镜和萨瓦特偏光镜形成的子光束组在空间上相互平行，且四幅移相干涉图由单个图像传感器所接收，使光路的调试变得很简单。

总之，本发明具有对比度一致性高、无须同步控制、移相量精确、位置匹配精度高、结构简单紧凑、易于装调的特点。

附图说明

图1为本发明空间移相器的光路图。

图2为本发明平行分束棱镜的结构图。

图3为本发明萨瓦特偏光镜的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明空间移相器的光路图。由图可见，本发明所述空间移相器由平行分束棱镜1、萨瓦特偏光镜2与图像传感器3组成，平行分束棱镜1、萨瓦特偏光镜2与图像传感器3依次处于光束的行进方向上。平行分束棱镜1的入射面与其分束面重合。萨瓦特偏光镜2中晶体平板的主截面与平行分束棱镜1的分束面成45°角，萨瓦特偏光镜2的分束面与平行分束棱镜1的分束面相互垂直。同步移相干涉仪输出的参考光束A0与测量光束B0经过平行分束棱镜1、萨瓦特偏光镜2后形成四幅依次移相90°的干涉图像，四幅干涉图像由图像传感器3所接收。

平行分束棱镜1的结构请参阅图2。平行分束棱镜1由斜方棱镜101的斜面与直角棱镜102的斜面胶合而成，斜方棱镜101的一个斜面与直角棱镜102的胶合面1a镀有消偏振分束薄膜。斜方棱镜101的另一个斜面1b镀相位延迟薄膜，相位延迟薄膜的相位延迟量为90°。入射光经过平行分束棱镜1后分成两束即透射光束1t与反射光束1r，该透射光束1t与所述的反射光束1r的出射方向相互平行且有一定的位移量。胶合面1a的消偏振分束薄膜的分束比与斜面1b的相位延迟薄膜的反射比被控制，使透射光束1t和反射光束1r的强度相等。透射光束1t中电矢量垂直于入射面的分量与电矢量平行于入射面的分量之间的相位差不改变，反射光束1r中电矢量垂直于入射面的分量与电矢量平行于入射面的分量之间的相位差增加90°。

萨瓦特偏光镜2的结构请参阅图3。萨瓦特偏光镜2由光学参数、结构尺寸相同的两块大折射率差单轴晶体平板201、202构成。晶体平板201的光轴2a、晶体平板202的光轴2b与萨瓦特偏光镜2的表面法线的夹角都为θ，夹角θ的变化范围为0°～90°。晶体平板201中光轴2a所在的主截面与晶体平板202中光轴2b所在的主截面相互垂直。入射光经过晶体平板201后分为寻常光2o与非常光2e，非常光2e在晶体平板201的主截面内产生位移。晶体平板201出射的非常光2e在晶体平板202中变成了寻常光2eo，晶体平板201出射的寻常光2o在晶体平板202中变成了非常光2oe，2oe光在晶体平板202的主截面内也产生位移。晶体平板201、202产生的位移量相等且处于互相垂直的平面内，即萨瓦特偏光镜2的横向位移方向与晶体平板201、202的主截面分别成45°。

对于同步移相干涉仪，入射在图1所示空间移相器上的参考光束A0与测量光束B0都为线偏振光，参考光束A0与测量光束B0的偏振方向相互垂直。参考光束A0经过平行分束棱镜1后分成具有一定横向位移量的光束A11、A12，测量光束B0经过平行分束棱镜1后分成具有一定横向位移量的光束B11、B12，光束A11、A12之间的横向位移量与光束B11、B12之间的横向位移量相等。光束A11、光束B11的偏振方向相互垂直而分别与参考光束A0、测量光束B0之间的偏振方向相同，光束A12、光束B12的偏振方向相互垂直而分别与参考光束A0、测量光束B0之间的偏振方向相同。光束A11、光束B11之间的相位差与参考光束A0、测量光束B0之间的相位差相同，而光束A12、光束B12之间的相位差与参考光束A0、测量光束B0之间的相位差相比增加了90°。光束A11经过萨瓦特偏光镜2后进行偏振分束形成具有一定横向位移量的光束A21与光束A22，光束B11经过萨瓦特偏光镜2后进行偏振分束形成具有一定横向位移量的光束B21与光束B22，光束A21、光束A22之间的横向位移量与光束B21、光束B22之间横向位移量相同。光束A21、光束B21的偏振方向相同，故光束A21、光束B21将产生干涉，在图像传感器3的AB1区域上形成一幅干涉图像。光束A22、光束B22的偏振方向相同，故光束A22、光束B22也将产生干涉，在图像传感器3的AB2区域上形成一幅干涉图像。由于萨瓦特偏光镜2的偏振分束特性，光束A21、光束B21形成的干涉图像与A22、光束B22形成的干涉图像之间的干涉光强互补，即图像传感器3的AB1、AB2区域上两幅干涉图像的移相量相差180°。同理，光束A12、光束B12经过萨瓦特偏光镜2后也将在图像传感器3的AB3、AB4区域上获得移相量相差180°的两幅干涉图。由于光束A12、光束B12之间的相位差与光束A11、光束B11之间的相位差相比增加了90°，则在图像传感器3的AB1区域、AB2区域、AB3区域、AB4区域上获得了相移量分别为0°、90°、180°、270°的四幅干涉图。四幅依次移相90°的干涉图由图像传感器3进行接收、采集，即实现了同步移相干涉测量。

本发明的最佳实施例的光路结构如图1、图2、图3所示，其具体结构和参数叙述如下：

平行分束棱镜1的光学材料为K9玻璃材料，其平行分束位移量为3.2mm。平行分束棱镜1中消偏振分束薄膜的反射率与透射率之比为50.04％∶49.96％，相位延迟薄膜的反射率与相位延迟量分别为99.84％与90.0°。萨瓦特偏光镜2由两块光学参数、结构尺寸相同的方解石晶体平板所构成，两块方解石晶体平板的主截面相互垂直。方解石晶体平板的光轴与表面法线的夹角都为42°，萨瓦特偏光镜2的平行分束位移量为2.4mm。图像传感器3为1/2″CCD图像传感器。

将最佳实施例所述的空间移相器应用于同步移相干涉仪中，实验结果表明CCD图像传感器单次采集可以同时获得四幅像素数为600×400的移相干涉图像，移相干涉图像之间的移相量分别为0°、90°、180°、270°。

Claims

1、一种用于同步移相干涉仪的空间移相器，其特征在于由一个平行分束棱镜(1)、一个萨瓦特偏光镜(2)和一个图像传感器(3)组成，所述的平行分束棱镜(1)、萨瓦特偏光镜(2)和图像传感器(3)依次处于光束的行进方向上。

2、根据权利要求1所述的空间移相器，其特征在于所述的平行分束棱镜(1)由斜方棱镜(101)的斜面与直角棱镜(102)的斜面胶合而成，所述的斜方棱镜(101)与所述的直角棱镜(102)胶合的斜面上镀有消偏振分束薄膜，所述的斜方棱镜(101)的另一个斜面镀反射式相位延迟薄膜，其相位延迟量为90°。

3、根据权利要求1所述的空间移相器，其特征在于所述的萨瓦特偏光镜(2)由两块光轴与晶体表面法线成一定夹角的大双折射率差单轴晶体平板构成，两块单轴晶体平板的光学参数完全相同，两个单轴晶体平板的主截面相互垂直。

4、根据权利要求3所述的空间移相器，其特征在于所述的萨瓦特偏光镜中的两块单轴晶体平板的光轴与其表面法线的夹角相同，其变化范围为0°～90°。

5、根据权利要求1所述的空间移相器，其特征在于所述图像传感器为CCD图像传感器、CMOS图像传感器或光电探测器阵列。