CN102538986B - 基于三窗口的共光路干涉检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

基于三窗口的共光路干涉检测方法与装置属于光学干涉检测领域；该方法与装置将平行光通过待测物体和矩形窗口构成的三窗口后，再依次经过第一透镜、一维周期光栅和第二透镜后，射向图像传感器，经由图像传感器及与图像传感器相连的计算机采集获得一幅含有三个图样的干涉图，强度分布分别为I_-D/3、I₀和I_D/3，代入公式计算待测物体的相位分布；本方法与装置具有稳定性好、系统复杂度低、相位恢复算法简单的特点。

Description

基于三窗口的共光路干涉检测方法与装置

技术领域

本发明属于光学干涉检测领域，特别涉及一种基于三窗口的共光路干涉检测方法与装置。

背景技术

光学检测方法因其非接触、灵敏度高等特点，成为计量检测领域的主要方法。而光学干涉测量因其灵敏度可达到百万分之一波长量级，在精密及超精密光学检测领域备受关注。目前的光学干涉检测方法有泰曼-格林干涉法、马赫-曾德干涉法以及剪切干涉法等。其中，泰曼-格林干涉法、马赫-曾德干涉法等采用分离光路干涉，即参考光束和测量光束通过不同路径进行干涉，易受外界振动、温度起伏等影响；剪切干涉法等采用共光路干涉，即参考光束与测量光束通过共同路径后干涉，其对外界振动、温度起伏等不敏感，具有一定抗干扰能力，但剪切干涉法同时实现剪切量和相移量调控比较困难，调控精度较低，且光学元件需要机械移动，进而引起光学系统的振动，形成噪声。为了解决这些困难，国内外学者作了诸多有益尝试。

墨西哥学者Victor Arrizón等提出基于4f系统和光栅滤波的共光路干涉法(V.Arrizón，D.Sánchez-de-la-Llave.Common-pathinterferometry with one-dimensional periodic filters.Optics Letters，2004，29(2)，141-143)。该方法在输入端使用两个窗，一个放置被测物体，另一个作为参考，通过调整光栅周期、透镜焦距等参数，能够在输出端得到物体的干涉图样，并通过轴向或横向移动光栅获得不同相移的干涉图，进而应用相移法就能恢复被测物体相位，具有原理简单、调控精度高等优点，但是该方法仍需移动光栅。

专利CN101451890B“一种三光波横向剪切干涉装置及提取差分相位的方法”利用彼此横向错开的三束拷贝光产生横向剪切干涉，具有结构紧凑、调控精度高、动态调控等优点，但是该方法需通过八步移相法获取八幅剪切干涉图，检测工作量大，且相位恢复算法复杂。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足之处，研究提供一种基于三窗口的共光路干涉检测方法，通过采用三窗口输入，结合4f光学系统和空间周期光栅的共光路干涉检测技术，达到提高系统抗干扰能力、降低相位恢复复杂度的目的，且还提供了一种满足和适用于上述方法的基于三窗口的共光路干涉检测装置，使该方法得以实施。

上述目的通过以下的技术方案实现：

一种基于三窗口的共光路干涉检测方法，该方法包括以下步骤：

①、准直扩束后的平行光通过待测物体和矩形窗口构成的三窗口后，再依次经过第一透镜、一维周期光栅和第二透镜后，射向图像传感器，由图像传感器及与图像传感器相连的计算机采集获得一幅干涉图样；

②、根据所采集的干涉图样，依据三窗口尺寸分割干涉图样获得三幅干涉图样，强度分布分别为I_-D/3、I₀和I_D/3，去除直流分量之后，由以下公式计算：

计算获得待测物体的相位分布

式中，P()表示对信号进行归一化，并线性拉伸到-1～1之间。

一种基于三窗口的共光路干涉检测装置，包括光源、准直扩束系统，其特征在于：在光源和准直扩束系统的光线发射方向上依次配置待测物体、矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅、第二透镜和图像传感器，图像传感器与计算机相连；矩形窗口沿x轴方向分成均匀的三部分构成三个窗口，待测物体放置在矩形窗口中心窗口之前或之内、或之后，且所述的矩形窗口位于第一透镜的前焦面上，一维周期光栅位于第一透镜的后焦面和第二透镜的前焦面上，图像传感器位于第二透镜的后焦面上；一维周期光栅的周期d与矩形窗口x方向的宽度D之间满足关系：d＝3λf/D，其中λ为光波长，f为第一透镜和第二透镜的焦距。

一维周期光栅为二值一维周期光栅或正弦一维周期光栅或余弦一维周期光栅。

基于三窗口的共光路干涉检测方法有以下特点和有益效果：

1.利用三窗口输入，结合基于一维周期光栅的4f光学系统，只需采集一幅干涉图样，便可达到恢复待测物体位相的目的，极大地降低检测工作量，这是区别于现有技术的创新点之一；

2.利用一幅干涉图样恢复待测物体位相，映射关系简单，可极大提高相位恢复算法效率，同时可抑制因采集不同干涉图样引入的相移误差和随机噪声，提高测量精度，进而更适合实时动态测量，这是区别于现有技术的创新点之二；

本发明装置具有如下显著特点：

1.本发明采用共光路结构，原理简单，结构紧凑，对环境干扰不灵敏；

2.本发明装置在操作中不需要改变光路，也不需要移动任何实验器件，操作方便灵活，稳定性高。

附图说明

图1为基于三窗口的共光路干涉检测装置配置结构示意图；

图2为本发明布局图；

图3为产生的干涉图样；

图4为恢复相位分布。

图中件号说明：1待测物体，2矩形窗口，3第一透镜，4一维周期光栅，5第二透镜，6图像传感器，7计算机，8光源，9准直扩束系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施实例作详细说明。

本发明的装置包括：光源8、准直扩束系统9，以及依次配置在光线发射方向的待测物体1、矩形窗口2、第一透镜3、一维周期光栅4、第二透镜5和图像传感器6，以及与图像传感器6相连的计算机7，其中光源8为波长632.8nm的HeNe激光；矩形窗口2为D×D＝7.59mm×7.59mm的矩形窗口，位于第一透镜3的前焦面上；待测物体1位于矩形窗口2中心窗口之前，其x方向尺寸＜D/3；一维周期光栅为周期d＝50μm的Ronchi光栅，位于第一透镜3的后焦面和第二透镜5的前焦面上；第一透镜3和第二透镜5的焦距均为f＝200mm；图像传感器6位于第二透镜5的后焦面上。该装置光的运行路径为：光源8发出的光，通过准直扩束系统9的准直扩束后，再通过待测物体1和矩形窗口2，射向第一透镜3，并依次透过一维周期光栅4和第二透镜5，射向图像传感器6形成干涉图样，与计算机7共同作用完成检测。

利用上述的基于三窗口的共光路干涉检测装置，本发明检测方法的具体实施方式包括以下步骤：

首先，检测前调整整个光学系统，打开光源8，射出的光经过准直扩束系统9的准直扩束后形成平行光，平行光通过待测物体1和矩形窗口2构成的三窗口后，再依次经过第一透镜3、一维周期光栅4和第二透镜5后，射向图像传感器6，经由图像传感器6及与图像传感器6相连的计算机7采集获得一幅干涉图样；

然后，根据所采集的干涉图样，依据三窗口尺寸分割干涉图样获得三幅干涉图样强度分布分别为I_-D/3、I₀和I_D/3，去除直流分量之后，由以下公式计算：

计算获得待测物体的相位分布

式中，P()表示对信号进行归一化，并线性拉伸到-1～1之间。

此实施实例具有非常好的稳定性，在测量中没有需要移动的器件，避免了移动器件引入的干扰。相位恢复所需的三个干涉图样是在一个干涉图中生成，而且恢复算法简单，降低了系统的复杂度。

Claims (2)

1.一种基于三窗口的共光路干涉检测装置，包括光源(8)、准直扩束系统(9)，其特征在于：在光源(8)和准直扩束系统(9)的光线发射方向上依次配置待测物体(1)、矩形窗口(2)、第一透镜(3)、一维周期光栅(4)、第二透镜(5)和图像传感器(6)，图像传感器(6)与计算机(7)相连；矩形窗口(2)沿x轴方向分成均匀的三部分构成三个窗口，待测物体(1)放置在矩形窗口(2)中心窗口之前或之内、或之后，且所述的矩形窗口(2)位于第一透镜(3)的前焦面上，一维周期光栅(4)位于第一透镜(3)的后焦面和第二透镜(5)的前焦面上，图像传感器(6)位于第二透镜(5)的后焦面上；一维周期光栅(4)的周期d与矩形窗口(2)x方向的宽度D之间满足关系：d＝3λf/D，其中λ为光波长，f为第一透镜(3)和第二透镜(5)的焦距；

利用所述基于三窗口的共光路干涉检测装置进行检测时，

①平行光通过待测物体和矩形窗口构成的三窗口后，再依次经过第一透镜、一维周期光栅和第二透镜后，射向图像传感器，由图像传感器及与图像传感器相连的计算机采集获得一幅干涉图样；

②根据所采集的干涉图样，依据三窗口尺寸分割干涉图样获得三幅干涉图样强度分布分别为I_-D/3、I₀和I_D/3，去除直流分量之后，由以下公式计算：

计算获得待测物体的相位分布

式中，P()表示对信号进行归一化，并线性拉伸到-1～1之间。

2.根据权利要求1所述的基于三窗口的共光路干涉检测装置，其特征在于：一维周期光栅(4)为二值一维周期光栅或正弦一维周期光栅或余弦一维周期光栅。

Images