CN102878922B - 基于分光棱镜的三窗口共光路干涉检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

基于分光棱镜的三窗口共光路干涉检测装置及检测方法，属于干涉检测技术领域。它解决了现有干涉检测法测量精度低的问题。它采用光源、偏振片、准直扩束系统、三个λ/4波片、待测物体、矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅、第二透镜、分光同步相移系统、图像传感器和计算机形成干涉检测装置，其中分光同步相移系统由消偏振分光棱镜和偏振片组组成，所述消偏振分光棱镜呈立方体结构；检测方法通过一次曝光采集获得待测物体的六幅干涉图，达到物体相位恢复的目的，它根据一维周期光栅引起的相移角θ，计算出待测物体的相位分布φ(x，y)，相位恢复算法简单。本发明适用于对待测物体的干涉检测。

Description

基于分光棱镜的三窗口共光路干涉检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于分光棱镜的三窗口共光路干涉检测装置及检测方法，属于干涉检测技术领域。

背景技术

光学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20120718，利用λ/4波片替代传统斐索干涉仪中的标准平晶，参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图像传感器CCD干涉，造成CCD有效面积利用率低。

中国专利《基于三窗口的共光路干涉检测方法与装置》，公开号为CN102538986A，公开日为20120704，将输入窗口改为三窗口，利用4f系统和光栅自身的相移特性，同时获得三个不同相移的干涉图，不仅结构稳定，而且相位恢复算法简单，提高了系统的实时处理能力。但是该系统一次曝光仅能采集三幅相移干涉图，测量精度有待于进一步提高。

发明内容

本发明是为了解决现有干涉检测法测量精度低的问题，提供一种基于分光棱镜的三窗口共光路干涉检测装置及检测方法。

本发明所述基于分光棱镜的三窗口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、三个λ/4波片、待测物体、矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅、第二透镜、分光同步相移系统、图像传感器和计算机，其中λ为光源发射光束的光波长，

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三个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一维周期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分光同步相移系统，该分光同步相移系统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坐标轴，所述矩形窗口沿垂直于光轴的方向设置，并且沿x轴方向均分为三个小窗口；

三个λ/4波片均与矩形窗口平行设置、且位于同一个平面内，所述三个λ/4波片沿x轴方向并行等间距排布，居于中间的λ/4波片的中心线与准直扩束系统的光轴重合；

第一透镜和第二透镜的焦距相同；

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；

一维周期光栅的周期d与矩形窗口沿λ/4波片排列方向的宽度D之间满足关系：d＝3λf/D，式中f为第一透镜和第二透镜的焦距。

分光同步相移系统由消偏振分光棱镜和偏振片组组成，所述消偏振分光棱镜呈立方体结构，该偏振片组由两片偏振片组成，

分光同步相移系统的入射光束为消偏振分光棱镜的入射光束，分光同步相移系统的出射光束为偏振片组的出射光束，

消偏振分光棱镜将入射光束分成两束光束，该两束光束分别从消偏振分光棱镜的分光面两侧出射，并分别对应于偏振片组中的一片偏振片，经两片偏振片偏振后出射，作为偏振片组的出射光束；

消偏振分光棱镜的分光面与xz平面平行，消偏振分光棱镜的入射光束与所述分光面平行，消偏振分光棱镜的入射光束从分光面一侧的斜面入射；所述偏振片组为偏振方向分别成0°角和90°角的两片偏振片组成的2×1阵列。

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λ/4波片排列方向的长度小于或者等于D/3，待测物体位于所述居于中间的λ/4波片的正后方。

一维周期光栅为二值一维周期光栅、正弦一维周期光栅或余弦一维周期光栅。

基于上述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三个λ/4波片、待测物体和矩形窗口后，再依次经过第一透镜、一维周期光栅和第二透镜产生0级和±1级衍射光束，该衍射光束入射至分光同步相移系统后，在图像传感器平面上产生干涉，将计算机采集获得的干涉图像根据矩形窗口的小窗口的尺寸分割获得待测物体的六幅干涉图样，该六幅干涉图样按照从左到右，并且从上到下的顺序强度分布依次为I_-D/3，0、I_0，0、I_D/3，0、I_-D/3，90、I_0，90和I_D/3，90，对强度分布为I_-D/3，90、I_0，90和I_D/3，90的干涉图样进行镜像翻转后得到强度分布I′_-D/3，90、I′_0，90和I′_D/3，90，计算由一维周期光栅引起的相移角θ：

$\mathrm{\θ}=\arccos \left[\sqrt{\frac{2+2{\sin c}^2\left(C_0\right)-K}{4{\sin c}^2\left(C_0\right)K}}\right],$

式中C₀为一维周期光栅占空比，K为中间变量，

$K=\frac{I_{-D/\mathrm{3,0}}+{I^{\′}}_{-D/\mathrm{3,90}}+I_{D/\mathrm{3,0}}+{D^{\′}}_{D/\mathrm{3,90}}}{I_{\mathrm{0,0}}+{I^{\′}}_{\mathrm{0,90}}},$

根据相移角θ，计算待测物体的相位分布

本发明的优点是：本发明装置及方法将三窗口共光路干涉方法和分光同步相移技术相结合，具有原理简单、结构紧凑、抗干扰能力强及可实时高精度测量的优点。

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。

本发明方法通过一次曝光采集便可获得待测物体的六幅干涉图，达到物体相位恢复的目的，在保证抗干扰能力、操作方便性和实时性等基础上，可极大地提高测量精度并降低检测工作量；它根据一维周期光栅引起的相移角θ，计算出待测物体的相位分布φ(x，y)，相位恢复算法简单。

本发明方法中，待测物体的相位与其干涉图之间映射关系简单，可极大提高相位恢复算法效率，因而更适合实时动态测量。

附图说明

图1为本发明检测装置的原理示意图；

图2为分光同步相移系统的原理示意图；

图3为图2偏振片组中两片偏振片的偏振方向示意图；

图4为将计算机采集获得的干涉图像分割获得的待测物体的六幅干涉图样；

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说明本实施方式，本实施方式所述基于分光棱镜的三窗口共光路干涉检测装置，它包括光源1，它还包括偏振片2、准直扩束系统3、三个λ/4波片4、待测物体5、矩形窗口6、第一透镜7、一维周期光栅8、第二透镜9、分光同步相移系统10、图像传感器11和计算机12，其中λ为光源1发射光束的光波长，

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三个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一维周期光栅8后入射至第二透镜9，经第二透镜9透射后的衍射光束入射至分光同步相移系统10，该分光同步相移系统10的出射光束由图像传感器11的光接收面接收，图像传感器11的图像信号输出端连接计算机12的图像信号输入端；

以光轴的方向为z轴方向建立xyz坐标轴，所述矩形窗口6沿垂直于光轴的方向设置，并且沿x轴方向均分为三个小窗口；

三个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，所述三个λ/4波片4沿x轴方向并行等间距排布，居于中间的λ/4波片4的中心线与准直扩束系统3的光轴重合；

第一透镜7和第二透镜9的焦距相同；

矩形窗口6位于第一透镜7的前焦面上；一维周期光栅8位于第一透镜7的后焦面上并且位于第二透镜9的前焦面上；

图像传感器11位于第二透镜9的后焦面上；

一维周期光栅8的周期d与矩形窗口6沿λ/4波片4排列方向的宽度D之间满足关系：d＝3λf/D，式中f为第一透镜7和第二透镜9的焦距。

本实施方式中，光源1采用波长632.8nm的He-Ne激光器，或者为其它单色可见光源，波长可根据需要任选。

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：下面结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，分光同步相移系统10由消偏振分光棱镜10-1和偏振片组10-2组成，所述消偏振分光棱镜10-1呈立方体结构，该偏振片组10-2由两片偏振片组成，

分光同步相移系统10的入射光束为消偏振分光棱镜10-1的入射光束，分光同步相移系统10的出射光束为偏振片组10-2的出射光束，

消偏振分光棱镜10-1将入射光束分成两束光束，该两束光束分别从消偏振分光棱镜10-1的分光面两侧出射，并分别对应于偏振片组10-2中的一片偏振片，经两片偏振片偏振后出射，作为偏振片组10-2的出射光束；

消偏振分光棱镜10-1的分光面与xz平面平行，消偏振分光棱镜10-1的入射光束与所述分光面平行，消偏振分光棱镜10-1的入射光束从分光面一侧的斜面入射；所述偏振片组10-2为偏振方向分别成0°角和90°角的两片偏振片组成的2×1阵列。

此实施方式中消偏振分光棱镜10-1的入射光束所对应的入射斜面，可以是与分光面成45°角的斜面也可以是与分光面成-45°的斜面。

具体实施方式三：本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，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λ/4波片4排列方向的长度小于或者等于D/3，待测物体5位于所述居于中间的λ/4波片4的正后方。

所述待测物体5沿λ/4波片4排列方向的长度可根据需要选取，只要小于或者等于D/3即可。

具体实施方式四：本实施方式为对实施方式一、二或三的进一步说明，一维周期光栅8为二值一维周期光栅、正弦一维周期光栅或余弦一维周期光栅。

本实施方式中，一维周期光栅8采用周期d＝50μm的Ronchi光栅，

具体实施方式五：本实施方式为对实施方式一、二、三或四的进一步说明，偏振片2的透光轴与x轴成45°角。

具体实施方式六：本实施方式为对实施方式一、二、三、四或五的进一步说明，三个λ/4波片4中两侧的λ/4波片4快轴沿x轴方向放置，中间的λ/4波片4快轴沿y轴方向放置。

本实施方式中，三个λ/4波片4也可采用其它放置方式，只需能够得到满足条件的偏振光即可。

具体实施方式七：本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五或六的进一步说明，所述矩形窗口6为D×(D/3)＝9.49mm×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。

具体实施方式八：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上述实施方式之一所述基于分光棱镜的三窗口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三个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、一维周期光栅8和第二透镜9产生0级和±1级衍射光束，该衍射光束入射至分光同步相移系统10后，在图像传感器11平面上产生干涉，将计算机12采集获得的干涉图像根据矩形窗口6的小窗口的尺寸分割获得待测物体5的六幅干涉图样，该六幅干涉图样按照从左到右，并且从上到下的顺序强度分布依次为I_-D/3，0、I_0，0、I_D/3，0、I_-D/3，90、I_0，90和I_D/3，90，对强度分布为I_-D/3，90、I_0，90和I_D/3，90的干涉图样进行镜像翻转后得到强度分布I′_-D/3，90、I′_0，90和I′_D/3，90，计算由一维周期光栅8引起的相移角θ：

$\mathrm{\θ}=\arccos \left[\sqrt{\frac{2+2{\sin c}^2\left(C_0\right)-K}{4{\sin c}^2\left(C_0\right)K}}\right],$

式中C₀为一维周期光栅8占空比，K为中间变量，

$K=\frac{I_{-D/\mathrm{3,0}}+{I^{\′}}_{-D/\mathrm{3,90}}+I_{D/\mathrm{3,0}}+{D^{\′}}_{D/\mathrm{3,90}}}{I_{\mathrm{0,0}}+{I^{\′}}_{\mathrm{0,90}}},$

根据相移角θ，计算待测物体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，避免了移动光学器件引入的干扰，因此具有非常好的稳定性。本发明方法通过一次曝光即采集到待测物体5的六幅干涉图样，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：本发明中，采用偏振元件和消偏振分光棱镜，实现了一次曝光获得待测物体5的六幅干涉图样，通常干涉图越多，恢复相位越精确，而且算法中不需要归一化，这样减小了误差的产生，使计算待测物体5相位时能够获得更准确的结果。

本发明采用的光路是一个典型的光学4f系统，其中矩形窗口6所在平面作为输入面，一维周期光栅8所在平面作为频谱面，图像传感器11的光接收面作为输出面，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。在输入面上，矩形窗口6被分割成三个小窗口，待测物体5放置在中心小窗口处；在频谱面上就得到了输入面光场分布的频谱，通过在频谱面上使用一维周期光栅8进行滤波，就将频谱衍射成多个级次；这样经过第二透镜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，即每个衍射级都是三窗口的结构，两侧窗口为参考光，中心窗口为相位分布；本发明中只使用0级、+1级和-1级衍射光，通过调整一维周期光栅8的周期d与矩形窗口6排列方向的宽度D之间满足关系：d＝3λf/D，就可以使0级衍射光的中心窗口、+1级衍射光的一侧窗口和-1级衍射光的一侧窗口重合，即三个窗口重合从而产生中心的干涉图，同时0级衍射光的一侧窗口与+1级衍射光的中心窗口重合，即两个窗口重合产生一侧的干涉图，0级衍射光的另一侧窗口与-1级衍射光的中心窗口重合，即两个窗口重合产生另一侧的干涉图，这样就可以得到三幅干涉图样。

为了得到六幅干涉图，在光束进入图像传感器11之前使用了一个消偏振分光棱镜。消偏振分光棱镜的作用就是将入射光按强度一比一的比例平均分成反射和透射两束光，这样不会影响光场的相位分布，而且由于反射的作用使得出射的反射光为入射光的镜像翻转，而透射光不会进行翻转，所以在处理干涉图样时需要将与反射光束对应获得的三个干涉图进行镜像翻转。

结合图5所示，获得待测物体的相位分布后，若待测物体为折射率分布均匀的透明物体，其厚度w(x，y)与被测相位分布的关系为：

式中n为透明物体的折射率。

Claims (7)

1.一种基于分光棱镜的三窗口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)、三个λ/4波片(4)、待测物体(5)、矩形窗口(6)、第一透镜(7)、一维周期光栅(8)、第二透镜(9)、分光同步相移系统(10)、图像传感器(11)和计算机(12)，其中λ为光源(1)发射光束的光波长，

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三个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一维周期光栅(8)后入射至第二透镜(9)，经第二透镜(9)透射后的衍射光束入射至分光同步相移系统(10)，该分光同步相移系统(10)的出射光束由图像传感器(11)的光接收面接收，图像传感器(11)的图像信号输出端连接计算机(12)的图像信号输入端；

以光轴的方向为z轴方向建立xyz坐标轴，所述矩形窗口(6)沿垂直于光轴的方向设置，并且沿x轴方向均分为三个小窗口；

三个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，所述三个λ/4波片(4)沿x轴方向并行等间距排布，居于中间的λ/4波片(4)的中心线与准直扩束系统(3)的光轴重合；

第一透镜(7)和第二透镜(9)的焦距相同；

矩形窗口(6)位于第一透镜(7)的前焦面上；一维周期光栅(8)位于第一透镜(7)的后焦面上并且位于第二透镜(9)的前焦面上；

图像传感器(11)位于第二透镜(9)的后焦面上；

一维周期光栅(8)的周期d与矩形窗口(6)沿λ/4波片(4)排列方向的宽度D之间满足关系：d＝3λf/D，式中f为第一透镜(7)和第二透镜(9)的焦距；

分光同步相移系统(10)由消偏振分光棱镜(10-1)和偏振片组(10-2)组成，所述消偏振分光棱镜(10-1)呈立方体结构，该偏振片组(10-2)由两片偏振片组成，

分光同步相移系统(10)的入射光束为消偏振分光棱镜(10-1)的入射光束，分光同步相移系统(10)的出射光束为偏振片组(10-2)的出射光束，

消偏振分光棱镜(10-1)将入射光束分成两束光束，该两束光束分别从消偏振分光棱镜(10-1)的分光面两侧出射，并分别对应于偏振片组(10-2)中的一片偏振片，经两片偏振片偏振后出射，作为偏振片组(10-2)的出射光束；

消偏振分光棱镜(10-1)的分光面与xz平面平行，消偏振分光棱镜(10-1)的入射光束与所述分光面平行，消偏振分光棱镜(10-1)的入射光束从分光面一侧的斜面入射；所述偏振片组(10-2)为偏振方向分别成0°角和90°角的两片偏振片组成的2×1阵列。

2.根据权利要求1所述的基于分光棱镜的三窗口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λ/4波片(4)排列方向的长度小于或者等于D/3，待测物体(5)位于所述居于中间的λ/4波片(4)的正后方。

3.根据权利要求1所述的基于分光棱镜的三窗口共光路干涉检测装置，其特征在于：一维周期光栅(8)为二值一维周期光栅、正弦一维周期光栅或余弦一维周期光栅。

4.根据权利要求1所述的基于分光棱镜的三窗口共光路干涉检测装置，其特征在于：偏振片(2)的透光轴与x轴成45°角。

5.根据权利要求1所述的基于分光棱镜的三窗口共光路干涉检测装置，其特征在于：三个λ/4波片(4)中两侧的λ/4波片(4)快轴沿x轴方向放置，中间的λ/4波片(4)快轴沿y轴方向放置。

6.根据权利要求1所述的基于分光棱镜的三窗口共光路干涉检测装置，其特征在于：所述矩形窗口(6)为D×(D/3)＝9.49mm×3.16mm的窗口。

7.一种基于权利要求1所述基于分光棱镜的三窗口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三个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)、一维周期光栅(8)和第二透镜(9)产生0级和±1级衍射光束，该衍射光束入射至分光同步相移系统(10)后，在图像传感器(11)平面上产生干涉，将计算机(12)采集获得的干涉图像根据矩形窗口(6)的小窗口的尺寸分割获得待测物体(5)的六幅干涉图样，该六幅干涉图样按照从左到右，并且从上到下的顺序强度分布依次为I_-D/3,0、I_0,0、I_D/3,0、I_-D/3,90、I_0,90和I_D/3,90，对强度分布为I_-D/3,90、I_0,90和I_D/3,90的干涉图样进行镜像翻转后得到强度分布I′_-D/3,90、I′_0,90和I′_D/3,90，计算由一维周期光栅(8)引起的相移角θ：

$\mathrm{\θ}=\arccos \left[\sqrt{\frac{2+2{\sin c}^2\left(C_0\right)-K}{4{\mathrm{sic}}^2\left(C_0\right)K}}\right],$

式中C₀为一维周期光栅(8)占空比，K为中间变量，

$K=\frac{I_{-D/\mathrm{3,0}}+{I^{\′}}_{-D/\mathrm{3,90}}+I_{D/\mathrm{3,0}}+{I^{\′}}_{D/\mathrm{3,90}}}{I_{\mathrm{0,0}}+{I^{\′}}_{\mathrm{0,90}}},$

根据相移角θ，计算待测物体(5)的相位分布