CN102914258A - 基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置及检测方法 - Google Patents
基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置及检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置及检测方法，属于光学干涉显微检测技术领域。它解决了现有同步相移干涉显微检测方法实现待测物体相位恢复的数据处理复杂的问题。它将干涉显微技术和正交双光栅分光同步移相技术相结合，来实现对待测物体相貌的检测，将线偏振光经第一偏振分光棱镜分成物光束和参考光束，再并排汇合于第二偏振分光棱镜，最后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四个图样的干涉图，再利用四步相移公式计算待测物体的相位分布；在操作中不需要改变光路，也不需要移动任何装置组件。本发明适用于对待测物体的相貌检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置及检测方法，属于光学干涉显微检测技术领域。
背景技术
干涉显微将干涉技术和显微放大技术相结合，可精确地分析物体的三维形貌和相位型物体的位相信息，具有分辨力高、测量速度快等传统干涉技术和显微技术不可替代的优势，是一种比较理想的微小物体三维形貌和位相分布测量的方法。
2006年，瑞士Lyncee Tec公司首次推出DHM-1000数字全息显微镜，可用于测量微小物体的三维形貌和位相分布。但因为采用离轴全息光路而不能充分利用图像传感器CCD的分辨率和空间带宽积；同时不能在光路中消除物镜引起的相位畸变，为相位重构带来困难，并引起重构误差。
中国专利《基于衍射光栅的物参共路相移数字全息显微装置》，公开号为CN102147233A，公开日为20110810，利用光栅衍射和针孔滤波构建了物参共路的干涉显微装置，降低了环境振动对干涉成像的影响，提高了成像的纵向分辨率，但是该方法需通过移动光栅获得相移，不仅调控困难，而且因为要在不同时间分别完成对多幅干涉图样的记录，因此无法实现待测物体的动态实时测量。
西安光机所的姚保利等提出利用平行双光栅和和偏振调制方法相结合构建同步相移干涉显微装置的方法(P.Gao，B.L. Yao，I.Harder，J.Min，R.Guo，J.Zheng，T.Ye.Parallel two-step phase-shifting digital holograph microscopy based on a gratingpair.J.Opt.Soc.Am.A 2011，28(3)：434-440)。该方法利用平行双光栅将正交偏振的物光和参考光分束，结合偏振调制通过一次曝光获得两幅相移干涉图。该方法可实现实时测量，但该方法仍因采用离轴光路而不能充分利用CCD分辨率和空间带宽积；同时因为物光和参考光之间存在夹角引入载频，数据处理复杂。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有同步相移干涉显微检测方法实现待测物体相位恢复的数据处理复杂的问题，提供一种基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置及检测方法。
本发明所述基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置，它包括光源，它还包括线偏振片、第一偏振分光棱镜、第一准直扩束系统、待测物体、显微物镜、校正物镜、第一反射镜、第二反射镜、第二准直扩束系统、第二偏振分光棱镜、λ/4波片、矩形窗口、第一傅里叶透镜、一维周期幅度光栅、一维周期相位光栅、第二傅里叶透镜、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照光栅线方向正交放置；
光源发射的光束经线偏振片后入射至第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜的反射光束入射至第一准直扩束系统的光接收面，经第一准直扩束系统准直扩束后的出射光束依次经待测物体、显微物镜和校正物镜后，入射至第一反射镜，第一反射镜的反射光束作为物光束入射至第二偏振分光棱镜；
第一偏振分光棱镜的透射光束经第二反射镜反射后入射至第二准直扩束系统的光接收面，经第二准直扩束系统准直扩束后的出射光束作为参考光束入射至第二偏振分光棱镜；
汇合于第二偏振分光棱镜的物光束和参考光束经过λ/4波片和矩形窗口后入射至第一傅里叶透镜，经第一傅里叶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傅里叶透镜，经第二傅里叶透镜透射后的出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，图像传感器的信号输出端连接计算机的图像信号输入端；
以第一傅里叶透镜光轴的方向为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；
第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜的焦距均为f；
矩形窗口位于第一傅里叶透镜的前焦面上；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傅里叶透镜的后焦面上并且位于第二傅里叶透镜的前焦面上；
图像传感器位于第二傅里叶透镜的后焦面上；
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dphase与矩形窗口沿y轴方向的宽度W之间满足关系：dphase≤2λf/W。
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。
四象限偏振片组为四片偏振片组成的2×2阵列，该四片偏振片的排布沿逆时针方向为依次旋转45°角。
线偏振片的透光轴与x轴呈45°角。
所述λ/4波片沿与x轴呈45°角的方向放置。
所述矩形窗口为L×W＝6.33mm×3.16mm的窗口。
一种基于上述基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置的检测方法，它的实现过程如下：
打开光源，使光源发射的光束经线偏振片和第一偏振分光棱镜后分成偏振方向相互垂直的物光束和参考光束；物光束和参考光束经第二偏振分光棱镜汇合后，依次通过λ/4波片、矩形窗口、第一傅里叶透镜、一维周期幅度光栅、一维周期相位光栅、第二傅里叶透镜和四象限偏振片组，四象限偏振片组出射的偏振光束在图像传感器平面上产生干涉图样，计算机将采集获得的干涉图样依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，四幅干涉图样按顺序的强度分布顺次为I1、I2、I3和I4，根据四幅干涉图样的强度分布计算获得待测物体的相位分布
本发明的优点是：本发明方法将线偏振光经第一偏振分光棱镜分成物光束和参考光束，再并排汇合于第二偏振分光棱镜，最后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四个图样的干涉图，再利用四步相移公式计算待测物体的相位分布；本发明装置与方法具有精度高、实时性强、方法简单易行的特点。
本发明将干涉显微技术和正交双光栅分光同步移相技术相结合，来实现对待测物体相貌的检测，能够达到测量分辨率高、调控方便、处理简单、可实时测量的测量目的。
本发明装置结构简单，成本低；在操作中不需要改变光路，也不需要移动任何装置组件，操作方便灵活，稳定性高。
本发明方法通过一次曝光采集获得待测物体的四幅干涉图达到相位恢复的目的，在提高测量精度的基础上，方法简单易行；
其四幅干涉图对比度相同，与四象限偏振片组中四片偏振片的映射关系简单，极大提高了相位恢复算法的效率，同时它消除了因多级次衍射引入的相移误差和随机噪声，提高了测量精度，进而更适合实时动态测量。
附图说明
图1为本发明所述基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置的结构示意图；
图2为一维周期幅度光栅和一维周期相位光栅的结构示意图；
图3为四象限偏振片组的四片偏振片的配置图；
图4为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，该四幅干涉图样与图3中四片偏振片一一对应获得；
图5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4说明本实施方式，本实施方式所述基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置，它包括光源1，它还包括线偏振片2、第一偏振分光棱镜3、第一准直扩束系统4、待测物体5、显微物镜6、校正物镜7、第一反射镜8、第二反射镜9、第二准直扩束系统10、第二偏振分光棱镜11、λ/4波片12、矩形窗口13、第一傅里叶透镜14、一维周期幅度光栅15、一维周期相位光栅16、第二傅里叶透镜17、四象限偏振片组18、图像传感器19和计算机20，其中λ为光源1发射光束的光波长，
一维周期幅度光栅15和一维周期相位光栅16组成双光栅，一维周期幅度光栅15和一维周期相位光栅16按照光栅线方向正交放置；
光源1发射的光束经线偏振片2后入射至第一偏振分光棱镜3，第一偏振分光棱镜3的反射光束入射至第一准直扩束系统4的光接收面，经第一准直扩束系统4准直扩束后的出射光束依次经待测物体5、显微物镜6和校正物镜7后，入射至第一反射镜8，第一反射镜8的反射光束作为物光束入射至第二偏振分光棱镜11；
第一偏振分光棱镜3的透射光束经第二反射镜9反射后入射至第二准直扩束系统10的光接收面，经第二准直扩束系统10准直扩束后的出射光束作为参考光束入射至第二偏振分光棱镜11；
汇合于第二偏振分光棱镜11的物光束和参考光束经过λ/4波片12和矩形窗口13后入射至第一傅里叶透镜14，经第一傅里叶透镜14汇聚后的出射光束通过由一维周期幅度光栅15和一维周期相位光栅16组成的双光栅后入射至第二傅里叶透镜17，经第二傅里叶透镜17透射后的出射光束入射至四象限偏振片组18，该四象限偏振片组18的出射光束由图像传感器19的光接收面接收，图像传感器19的信号输出端连接计算机20的图像信号输入端；
以第一傅里叶透镜14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13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；
第一傅里叶透镜14和第二傅里叶透镜17的焦距均为f；
矩形窗口13位于第一傅里叶透镜14的前焦面上；一维周期幅度光栅15和一维周期相位光栅16组成的双光栅位于第一傅里叶透镜14的后焦面上并且位于第二傅里叶透镜17的前焦面上；
图像传感器19位于第二傅里叶透镜17的后焦面上；
一维周期幅度光栅15的周期d与矩形窗口13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16的周期dphase与矩形窗口13沿y轴方向的宽度W之间满足关系：dphase≤2λf/W。
本实施方式中，通过光源1发射的激光束经过线偏振片2后生成线偏振平行光，该线偏振平行光通过第一偏振分光棱镜3后分成偏振方向相互垂直的物光束和参考光束。
光源1可采用波长632.8nm的He-Ne激光器；一维周期幅度光栅15可为周期d＝50μm的Ronchi光栅；一维周期相位光栅16可采用周期dphase＝50μm的二值相位光栅。
具体实施方式二：本实施方式为对实施方式一的进一步说明，一维周期幅度光栅15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。
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，一维周期相位光栅16为相位为0和π的二值光栅。
具体实施方式四：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一、二或三的进一步说明，四象限偏振片组18为四片偏振片组成的2×2阵列，该四片偏振片的排布沿逆时针方向为依次旋转45°角。
本实施方式中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。
具体实施方式五：本实施方式为对实施方式一、二、三或四的进一步说明，线偏振片2的透光轴与x轴呈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，所述λ/4波片12沿与x轴呈45°角的方向放置。
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13为L×W＝6.33mm×3.16mm的窗口。
具体实施方式八：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式为基于上述实施方式之一所述基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置的检测方法，它的实现过程如下：
打开光源1，使光源1发射的光束经线偏振片2和第一偏振分光棱镜3后分成偏振方向相互垂直的物光束和参考光束；物光束和参考光束经第二偏振分光棱镜11汇合后，依次通过λ/4波片12、矩形窗口13、第一傅里叶透镜14、一维周期幅度光栅15、一维周期相位光栅16、第二傅里叶透镜17和四象限偏振片组18，四象限偏振片组18出射的偏振光束在图像传感器19平面上产生干涉图样，计算机20将采集获得的干涉图样依据矩形窗口13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，四幅干涉图样按顺序的强度分布顺次为I1、I2、I3和I4，根据四幅干涉图样的强度分布计算获得待测物体5的相位分布
所述检测方法在进行之前，需要调整整个光学系统。该检测方法因为采用正交双光栅分光同步移相技术，避免了器件移动引入的干扰，系统稳定性好。实现相位恢复所需的四个干涉图样在一个干涉图中生成，恢复算法简单，降低了系统的复杂度。
工作原理：该光路基于典型的光学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；两个傅里叶透镜分别起傅里叶变换和逆傅里叶变换的作用。
本发明光路通过使用偏振分光棱镜和反射镜形成物光和参考光，分离光路使得待测物体可以自由放置。在输入面上，矩形窗口被分割成两个窗口，供物光和参考光通过；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和一维周期相位光栅组成的双光栅进行滤波，就将频谱衍射成多个级次；这样经过第二傅里叶透镜17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；在本发明中只使用由一维周期幅度光栅衍射得到的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，就可以使0级光的一侧窗口和-1级光的一侧窗口重合，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的周期dphase与矩形窗口沿y轴方向的宽度W之间满足关系：dphase≤2λf/W，就能得到四幅干涉图。
使用四象限偏振片组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。
所述的干涉图样都是指光场的强度分布。
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为：
当待测物体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 (8)
1.一种基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置，它包括光源(1)，其特征在于：它还包括线偏振片(2)、第一偏振分光棱镜(3)、第一准直扩束系统(4)、待测物体(5)、显微物镜(6)、校正物镜(7)、第一反射镜(8)、第二反射镜(9)、第二准直扩束系统(10)、第二偏振分光棱镜(11)、λ/4波片(12)、矩形窗口(13)、第一傅里叶透镜(14)、一维周期幅度光栅(15)、一维周期相位光栅(16)、第二傅里叶透镜(17)、四象限偏振片组(18)、图像传感器(19)和计算机(20)，其中λ为光源(1)发射光束的光波长，
一维周期幅度光栅(15)和一维周期相位光栅(16)组成双光栅，一维周期幅度光栅(15)和一维周期相位光栅(16)按照光栅线方向正交放置；
光源(1)发射的光束经线偏振片(2)后入射至第一偏振分光棱镜(3)，第一偏振分光棱镜(3)的反射光束入射至第一准直扩束系统(4)的光接收面，经第一准直扩束系统(4)准直扩束后的出射光束依次经待测物体(5)、显微物镜(6)和校正物镜(7)后，入射至第一反射镜(8)，第一反射镜(8)的反射光束作为物光束入射至第二偏振分光棱镜(11)；
第一偏振分光棱镜(3)的透射光束经第二反射镜(9)反射后入射至第二准直扩束系统(10)的光接收面，经第二准直扩束系统(10)准直扩束后的出射光束作为参考光束入射至第二偏振分光棱镜(11)；
汇合于第二偏振分光棱镜(11)的物光束和参考光束经过λ/4波片(12)和矩形窗口(13)后入射至第一傅里叶透镜(14)，经第一傅里叶透镜(14)汇聚后的出射光束通过由一维周期幅度光栅(15)和一维周期相位光栅(16)组成的双光栅后入射至第二傅里叶透镜(17)，经第二傅里叶透镜(17)透射后的出射光束入射至四象限偏振片组(18)，该四象限偏振片组(18)的出射光束由图像传感器(19)的光接收面接收，图像传感器(19)的信号输出端连接计算机(20)的图像信号输入端；
以第一傅里叶透镜(14)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(13)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；
第一傅里叶透镜(14)和第二傅里叶透镜(17)的焦距均为f；
矩形窗口(13)位于第一傅里叶透镜(14)的前焦面上；一维周期幅度光栅(15)和一维周期相位光栅(16)组成的双光栅位于第一傅里叶透镜(14)的后焦面上并且位于第二傅里叶透镜(17)的前焦面上；
图像传感器(19)位于第二傅里叶透镜(17)的后焦面上；
一维周期幅度光栅(15)的周期d与矩形窗口(13)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(16)的周期dphase与矩形窗口(13)沿y轴方向的宽度W之间满足关系：dphase≤2λf/W。
2.根据权利要求1所述的基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置，其特征在于：一维周期幅度光栅(15)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。
3.根据权利要求1所述的基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置，其特征在于：
一维周期相位光栅(16)为相位为0和π的二值光栅。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置，其特征在于：四象限偏振片组(18)为四片偏振片组成的2×2阵列，该四片偏振片的排布沿逆时针方向为依次旋转45°角。
5.根据权利要求1所述的基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置，其特征在于：线偏振片(2)的透光轴与x轴呈45°角。
6.根据权利要求1所述的基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置，其特征在于：所述λ/4波片(12)沿与x轴呈45°角的方向放置。
7.根据权利要求1所述的基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置，其特征在于：所述矩形窗口(13)为L×W＝6.33mm×3.16mm的窗口。
8.一种基于权利要求1所述基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置的检测方法，其特征在于：它的实现过程如下：
打开光源(1)，使光源(1)发射的光束经线偏振片(2)和第一偏振分光棱镜(3)后分成偏振方向相互垂直的物光束和参考光束；物光束和参考光束经第二偏振分光棱镜(11)汇合后，依次通过λ/4波片(12)、矩形窗口(13)、第一傅里叶透镜(14)、一维周期幅度光栅(15)、一维周期相位光栅(16)、第二傅里叶透镜(17)和四象限偏振片组(18)，四象限偏振片组(18)出射的偏振光束在图像传感器(19)平面上产生干涉图样，计算机(20)将采集获得的干涉图样依据矩形窗口(13)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，四幅干涉图样按顺序的强度分布顺次为I1、I2、I3和I4，根据四幅干涉图样的强度分布计算获得待测物体(5)的相位分布
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2012
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