CN102865810A - 基于正交双光栅的同步相移共光路干涉检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

基于正交双光栅的同步相移共光路干涉检测装置及检测方法，属于光学干涉检测领域，本发明为解决现有光学相移干涉检测方法操作复杂困难，且需要高质量λ/4波片，成本高，测量精度低的问题。本发明方案：光源发射的光束经偏振片入射至准直扩束系统的光接收面，经该准直扩束系统准直扩束后的出射光束经过两个λ/4波片、待测物体及矩形窗口后入射至第一透镜，经第一透镜汇聚后的出射光束通过由一维周期幅度光栅和一维周期相位光栅组成的双光栅后入射至第二透镜，经第二透镜透射后的衍射光束入射至四象限偏振片组，该四象限偏振片组的出射光束由图像传感器接收，图像传感器的图像信号输出端连接计算机的图像信号输入端，并获取待测物体的相位分布。

Description

基于正交双光栅的同步相移共光路干涉检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及基于正交双光栅的同步相移共光路干涉检测装置及检测方法，属于光学干涉检测领域。

背景技术

光学相移干涉仪是一种非接触、高精度的全场测量工具，被广泛的应用于光学表面、形变及厚度等检测领域。传统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，且需移动光学元件引入相移提高测量精度，不仅不适合动态测量，还会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。

中国专利《可实时测量的同步相移斐索干涉装置》，公开号为CN102589414A，公开日为2012年7月18日，该专利利用λ/4波片替代传统斐索干涉仪中的标准平晶，使考光束与测量光束通过共同路径后干涉，并结合四象限偏振片组通过一次曝光获得四幅相移干涉图，在保证高空间分辨率的前提下，实现了测量的实时性，但是该方法操作复杂困难，且需要高质量λ/4波片，成本高。

墨西哥学者V.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-path interferometry with one-dimensional periodicfilters.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，结合4f系统光栅滤波的共光路结构，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，但是该方法仍需移动光栅获得相移。G.Rodriguez-Zurita等在上述方法基础上，提出利用偏振调制方法实现同步相移(G.Rodriguez-Zurita，C.Meneses-Fabian，N.I.Toto-Arellano，J.F.Vázquez-Castillo，C.Robledo-Sánchez.One-shot phase-shifting phase-gratinginterferometry with modulation of polarization：case of four interferograms.Opt.Express，2008，16(11)：7806-7817)。该方法利用光栅产生的0、±1和±2衍射光，结合偏振调制通过一次曝光获得四幅相移干涉图。该方法调整方便，成本低，且可实现实时测量，但是因为利用多级衍射光到达CCD干涉，造成CCD有效面积利用率低，同时因为衍射级次光强的不同，使获得四幅干涉图对比度不同，进而增加数据处理的复杂性并影响测量精度。

发明内容

本发明目的是为了解决现有光学相移干涉检测方法操作复杂困难，且需要高质量λ/4波片，成本高，测量精度低的问题，提供了一种基于正交双光栅的同步相移共光路干涉检测装置及检测方法。

本发明所述基于分光同步相移的共光路干涉检测装置，它包括光源，它还包括偏振片、准直扩束系统、两个λ/4波片、待测物体、矩形窗口、第一透镜、一维周期幅度光栅、一维周期相位光栅、第二透镜、四象限偏振片组、图像传感器和计算机，其中λ为光源发射光束的光波长，

一维周期幅度光栅和一维周期相位光栅组成双光栅，一维周期幅度光栅和一维周期相位光栅按光栅线方向正交放置；

光源发射的光束经偏振片入射至准直扩束系统的光接收面，经该准直扩束系统准直扩束后的出射光束经过两个λ/4波片、待测物体及矩形窗口后入射至第一透镜，经第一透镜汇聚后的出射光束通过由一维周期幅度光栅和一维周期相位光栅组成的双光栅后入射至第二透镜，经第二透镜透射后的衍射光束入射至四象限偏振片组，该四象限偏振片组的出射光束由图像传感器的光接收面接收，图像传感器的图像信号输出端连接计算机的图像信号输入端；

以光轴的方向为z轴方向建立xyz三维直角坐标系，所述矩形窗口沿垂直于光轴的方向设置，并且沿x轴方向均分为两个小窗口；

两个λ/4波片均与矩形窗口平行设置、且位于同一个平面内，所述两个λ/4波片沿x轴方向并行等间距排布；

第一透镜和第二透镜的焦距都为f；

矩形窗口位于第一透镜的前焦面上；所述由一维周期幅度光栅和一维周期相位光栅组成的双光栅位于第一透镜的后焦面上并且位于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；

一维周期幅度光栅的周期d与矩形窗口沿x轴方向的长度L之间满足关系：d＝2λf/L；

一维周期相位光栅的周期d_phase与矩形窗口沿y轴方向的宽度W之间满足关系：d_phase≤2λf/W。

待测物体放置在矩形窗口内、矩形窗口的光束入射侧或矩形窗口的光束出射侧，待测物体沿x轴方向的长度小于或等于L/2，待测物体位于其中一个λ/4波片的正后方。

一维周期幅度光栅为二值一维周期幅度光栅、正弦一维周期幅度光栅或余弦一维周期幅度光栅。

一维周期相位光栅为相位为0和π的二值光栅。

四象限偏振片组为偏振方向依次逆时针旋转45°角的四片偏振片组成的2×2阵列。

基于所述基于正交双光栅的同步相移共光路干涉检测装置的干涉检测方法，它的实现过程如下：

打开光源，使光源发射的光束经偏振片和准直扩束系统准直扩束后形成平行偏振光束，该平行偏振光束通过两个λ/4波片、待测物体和矩形窗口后，再依次经过第一透镜、由一维周期幅度光栅和一维周期相位光栅组成的双光栅、第二透镜和四象限偏振片组后，在图像传感器平面上产生干涉图样，将计算机采集获得的干涉图样根据矩形窗口的小窗口的尺寸分割获得待测物体的四幅干涉图样，该四幅干涉图样以右上角图像为第一幅干涉图样，并按照逆时针方向排布为第一至第四幅干涉图样，强度分布顺次为I₁、I₂、I₃和I₄，并按公式

获取待测物体的相位分布

本发明的优点：

基于正交双光栅的同步相移共光路干涉检测方法有以下特点和有益效果：

1.将双窗口共光路干涉方法、光栅分光和偏振相移技术相结合，通过一次曝光采集便可获得四幅的干涉图达到物体相位恢复的目的，在保证测量精度、抗干扰能力和稳定性基础上，方法简单易行，并可提高图像传感器有效面积利用率，这是区别于现有技术的创新点之一；

2.四幅干涉图对比度相同，映射关系简单，可极大提高相位恢复算法效率，同时可消除因多级次衍射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.本发明装置成本低，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是本发明所述基于正交双光栅的同步相移共光路干涉检测装置的结构示意图；

图2是正交双光栅系统的结构示意图；

图3是图1四象限偏振片组的偏振方向示意图；

图4是为将计算机采集获得的干涉图样分割获得的待测物体的四幅干涉图样；

图5为根据待测物体的相位分布恢复获得的待测物体的相位分布。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述基于分光同步相移的共光路干涉检测装置，它包括光源1，其特征在于：它还包括偏振片2、准直扩束系统3、两个λ/4波片4、待测物体5、矩形窗口6、第一透镜7、一维周期幅度光栅8、一维周期相位光栅9、第二透镜10、四象限偏振片组11、图像传感器12和计算机13，其中λ为光源1发射光束的光波长，

一维周期幅度光栅8和一维周期相位光栅9组成双光栅，一维周期幅度光栅8和一维周期相位光栅9按光栅线方向正交放置；

光源1发射的光束经偏振片2入射至准直扩束系统3的光接收面，经该准直扩束系统3准直扩束后的出射光束经过两个λ/4波片4、待测物体5及矩形窗口6后入射至第一透镜7，经第一透镜7汇聚后的出射光束通过由一维周期幅度光栅8和一维周期相位光栅9组成的双光栅后入射至第二透镜10，经第二透镜10透射后的衍射光束入射至四象限偏振片组11，该四象限偏振片组11的出射光束由图像传感器12的光接收面接收，图像传感器12的图像信号输出端连接计算机13的图像信号输入端；

以光轴的方向为z轴方向建立xyz三维直角坐标系，所述矩形窗口6沿垂直于光轴的方向设置，并且沿x轴方向均分为两个小窗口；

两个λ/4波片4均与矩形窗口6平行设置、且位于同一个平面内，所述两个λ/4波片4沿x轴方向并行等间距排布；

第一透镜7和第二透镜10的焦距都为f；

矩形窗口6位于第一透镜7的前焦面上；所述由一维周期幅度光栅8和一维周期相位光栅9组成的双光栅位于第一透镜7的后焦面上并且位于第二透镜10的前焦面上；

图像传感器12位于第二透镜10的后焦面上；

一维周期幅度光栅8的周期d与矩形窗口6沿x轴方向的长度L之间满足关系：d＝2λf/L；

一维周期相位光栅9的周期d_phase与矩形窗口6沿y轴方向的宽度W之间满足关系：d_phase≤2λf/W。

本实施方式中，光源1采用波长632.8nm的He-Ne激光器。

第一透镜7和第二透镜9的焦距均为f＝250mm。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，待测物体5放置在矩形窗口6内、矩形窗口6的光束入射侧或矩形窗口6的光束出射侧，待测物体5沿x轴方向的长度小于或等于L/2，待测物体5位于其中一个λ/4波片4的正后方。

所述待测物体5沿x轴方向的长度可根据需要选取，只要小于或等于L/2即可。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，一维周期幅度光栅8为二值一维周期幅度光栅、正弦一维周期幅度光栅或余弦一维周期幅度光栅。

本实施方式中，一维周期幅度光栅8采用周期d＝50μm的Ronchi光栅。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式一、二或三作进一步说明，一维周期相位光栅9为相位为0和π的二值光栅。

本实施方式中，一维周期相位光栅9采用d_phase＝50μm的二值相位光栅。

具体实施方式五：本实施方式对实施方式一、二、三或四作进一步说明，四象限偏振片组11为偏振方向依次逆时针旋转45°角的四片偏振片组成的2×2阵列。

四片偏振片的偏振方向不同，四个偏振方向如图3所示，右上角偏振片的偏振方向与光轴夹角为0，其它三个偏振片以右上角偏振片为基准沿逆时针方向排布，并且，该三个偏振片的偏振方向以右上角偏振片为基准依次相对于前一个偏振片逆时针旋转45°角。

具体实施方式六：本实施方式对实施方式一、二、三、四或五作进一步说明，偏振片2的透光轴与x轴呈45°角。

具体实施方式七：本实施方式对实施方式一、二、三、四、五或六作进一步说明，两个λ/4波片4中一个λ/4波片4快轴沿x轴方向放置，另一个λ/4波片4快轴沿y轴方向放置。

具体实施方式八：本实施方式对实施方式一、二、三、四、五、六或七作进一步说明，所述矩形窗口6为L×W＝6.33mm×3.16mm的窗口。

本实施方式中矩形窗口6的大小是可以根据需要进行调整的。该窗口被分成两部分，每部分的大小与一幅干涉图样的尺寸相同。

具体实施方式九：基于实施方式一至七任一所述基于正交双光栅的同步相移共光路干涉检测装置的干涉检测方法，它的实现过程如下：

打开光源1，使光源1发射的光束经偏振片2和准直扩束系统3准直扩束后形成平行偏振光束，该平行偏振光束通过两个λ/4波片4、待测物体5和矩形窗口6后，再依次经过第一透镜7、由一维周期幅度光栅8和一维周期相位光栅9组成的双光栅、第二透镜10和四象限偏振片组11后，在图像传感器12平面上产生干涉图样，将计算机13采集获得的干涉图样根据矩形窗口6的小窗口的尺寸分割获得待测物体5的四幅干涉图样，该四幅干涉图样以右上角图像为第一幅干涉图样，并按照逆时针方向排布为第一至第四幅干涉图样，强度分布顺次为I₁、I₂、I₃和I₄，并按公式

获取待测物体5的相位分布

本实施方式中，检测装置运行前，需根据需要调整整个光学系统。在测量过程中没有需要移动的光学器件，此实施实例结构简单，测量光和参考光沿相同路径传播，使得装置抗振性好，同时因为采用光栅分光和偏振相移技术，避免了器件移动引入的干扰，系统稳定性好。相位恢复所需的四个干涉图样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。本实施方式方法通过一次曝光即采集到待测物体5的四幅干涉图样，在保证测量实时性的基础上，极大提高了测量精度，恢复算法简单，系统复杂度低。

工作原理：

该光路是一个典型的光学4f系统，输入面、频谱面和输出面之间的关系为：频谱面的光场分布为输入面光场分布的傅里叶变换，输出面的光场分布为频谱面光场分布的逆傅里叶变换；两个透镜分别起傅里叶变换和逆傅里叶变换的作用。

输入面上，矩形光阑被分割成两个窗口，待测物体5放置在矩形窗口6的均分出的一个窗口后方；在频谱面上就得到了输入平面光场分布的频谱，通过在频谱面上使用由一维周期幅度光栅8和一维周期相位光栅9组成的双光栅进行滤波，就将频谱衍射成多个级次；这样经过第二个透镜9进行逆傅里叶变换后，在输出面上就得到了多个级次的与输入光场分布类似的光场(即每个衍射级都是双窗口的结构，一侧窗口为参考光，另一侧窗口为相位分布)；在本系统中只使用由一维周期幅度光栅8衍射得到的0级、+1级和-1级衍射光，通过调整一维周期幅度光栅8的周期d与矩形窗口6沿x轴方向的宽度L之间满足关系：d＝2λf/L，就可以使0级光的一侧窗口和-1级光的一侧窗口重合(即两个窗口重合)，从而产生一个干涉图样，同时0级光的一侧窗口与+1级光的一侧窗口重合(两个窗口重合)产生另一个干涉图样，这样就可以得到两幅干涉图。调整一维周期相位光栅9的周期d_phase与矩形窗口6沿y轴方向的宽度W之间满足关系：d_phase≤2λf/W，就能得到四幅干涉图。

使用偏振片组11对干涉图样进行偏振滤波，四个干涉图样的每个干涉图样分别通过偏振片组11的一个偏振片，由于每个偏振片的偏振方向与光轴的夹角不同，从而在四个干涉图样中引入不同的相移，四个偏振方向如图3所示，从而得到四幅不同相移的干涉图样，图4所示的四个干涉图样是与图3所示的不同相移相对应的。用这四个不同相移的干涉图样的强度分布就可以计算待测物体的相位分布。

我们所提到的干涉图样都是指光场的强度分布。

当利用从光学表面反射回的光测量光学表面时，相位分布与光学表面形貌、形变的关系：

当光打在光学表面上时，光束的相位就会被光学表面的变化所调制，光波中就有了表面的信息，所以测得的相位变化就是光学表面的形貌，就是形变后的表面的形貌，而且光学表面高度的变化可以通过以下式子得到：

其中，h(x，y)就是待测物体5的表面高度变化，

是待测物体5的相位分布。

当利用从透明物体透射的光测量透明物体的厚度分布时，相位分布与厚度分布之间的关系：

当待测物体5为折射率分布均匀的透明物体时，待测物体5的厚度w(x，y)与待测物体5的相位分布

的关系为：

其中，n为透明物体的折射率。

Claims (9)

1.一种基于正交双光栅的同步相移共光路干涉检测装置，它包括光源(1)，其特征在于：它还包括偏振片(2)、准直扩束系统(3)、两个λ/4波片(4)、待测物体(5)、矩形窗口(6)、第一透镜(7)、一维周期幅度光栅(8)、一维周期相位光栅(9)、第二透镜(10)、四象限偏振片组(11)、图像传感器(12)和计算机(13)，其中λ为光源(1)发射光束的光波长，

一维周期幅度光栅(8)和一维周期相位光栅(9)组成双光栅，一维周期幅度光栅(8)和一维周期相位光栅(9)按光栅线方向正交放置；

光源(1)发射的光束经偏振片(2)入射至准直扩束系统(3)的光接收面，经该准直扩束系统(3)准直扩束后的出射光束经过两个λ/4波片(4)、待测物体(5)及矩形窗口(6)后入射至第一透镜(7)，经第一透镜(7)汇聚后的出射光束通过由一维周期幅度光栅(8)和一维周期相位光栅(9)组成的双光栅后入射至第二透镜(10)，经第二透镜(10)透射后的衍射光束入射至四象限偏振片组(11)，该四象限偏振片组(11)的出射光束由图像传感器(12)的光接收面接收，图像传感器(12)的图像信号输出端连接计算机(13)的图像信号输入端；

以光轴的方向为z轴方向建立xyz三维直角坐标系，所述矩形窗口(6)沿垂直于光轴的方向设置，并且沿x轴方向均分为两个小窗口；

两个λ/4波片(4)均与矩形窗口(6)平行设置、且位于同一个平面内，所述两个λ/4波片(4)沿x轴方向并行等间距排布；

第一透镜(7)和第二透镜(10)的焦距都为f；

矩形窗口(6)位于第一透镜(7)的前焦面上；所述由一维周期幅度光栅(8)和一维周期相位光栅(9)组成的双光栅位于第一透镜(7)的后焦面上并且位于第二透镜(10)的前焦面上；

图像传感器(12)位于第二透镜(10)的后焦面上；

一维周期幅度光栅(8)的周期d与矩形窗口(6)沿x轴方向的长度L之间满足关系：d＝2λf/L；

一维周期相位光栅(9)的周期d_phase与矩形窗口(6)沿y轴方向的宽度W之间满足关系：d_phase≤2λf/W。

2.根据权利要求1所述的基于正交双光栅的同步相移共光路干涉检测装置，其特征在于：待测物体(5)放置在矩形窗口(6)内、矩形窗口(6)的光束入射侧或矩形窗口(6)的光束出射侧，待测物体(5)沿x轴方向的长度小于或等于L/2，待测物体(5)位于其中一个λ/4波片(4)的正后方。

3.根据权利要求1所述的基于正交双光栅的同步相移共光路干涉检测装置，其特征在于：一维周期幅度光栅(8)为二值一维周期幅度光栅、正弦一维周期幅度光栅或余弦一维周期幅度光栅。

4.根据权利要求1所述的基于正交双光栅的同步相移共光路干涉检测装置，其特征在于：一维周期相位光栅(9)为相位为0和π的二值光栅。

5.根据权利要求1所述的基于正交双光栅的同步相移共光路干涉检测装置，其特征在于：四象限偏振片组(11)为偏振方向依次逆时针旋转45°角的四片偏振片组成的2×2阵列。

6.根据权利要求1所述的基于正交双光栅的同步相移共光路干涉检测装置，其特征在于：偏振片(2)的透光轴与x轴呈45°角。

7.根据权利要求1所述的基于正交双光栅的同步相移共光路干涉检测装置，其特征在于：两个λ/4波片(4)中一个λ/4波片(4)快轴沿x轴方向放置，另一个λ/4波片(4)快轴沿y轴方向放置。

8.根据权利要求1所述的基于正交双光栅的同步相移共光路干涉检测装置，其特征在于：所述矩形窗口(6)为L×W＝6.33mm×3.16mm的窗口。

9.一种基于权利要求1所述基于正交双光栅的同步相移共光路干涉检测装置的干涉检测方法，其特征在于：它的实现过程如下：

打开光源(1)，使光源(1)发射的光束经偏振片(2)和准直扩束系统(3)准直扩束后形成平行偏振光束，该平行偏振光束通过两个λ/4波片(4)、待测物体(5)和矩形窗口(6)后，再依次经过第一透镜(7)、由一维周期幅度光栅(8)和一维周期相位光栅(9)组成的双光栅、第二透镜(10)和四象限偏振片组(11)后，在图像传感器(12)平面上产生干涉图样，将计算机(13)采集获得的干涉图样根据矩形窗口(6)的小窗口的尺寸分割获得待测物体(5)的四幅干涉图样，该四幅干涉图样以右上角图像为第一幅干涉图样，并按照逆时针方向排布为第一至第四幅干涉图样，强度分布顺次为I₁、I₂、I₃和I₄，并按公式

获取待测物体(5)的相位分布

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