CN102954758A - 基于同步载频移相的干涉检测装置与检测方法 - Google Patents

Abstract

基于同步载频移相的干涉检测装置与检测方法，属于光学干涉检测领域。它解决了现有同步载频移相干涉检测装置结构复杂及检测方法的数据处理复杂的问题。装置包括光源、偏振片、准直扩束系统、第一偏振分光棱镜、待测物体、第一反射镜、第二反射镜、第二偏振分光棱镜、λ/4波片、矩形窗口、第一傅里叶透镜、一维周期光栅、第二傅里叶透镜、偏振片组、图像传感器和计算机；方法为使光源发射的光束经第一偏振分光棱镜后分成物光束和参考光束，再将离焦光栅分光技术和偏振调制技术相结合，通过一次曝光采集获得两幅相移干涉图，并通过差动相减方法消除零频分量达到物体相位恢复的目的。本发明适用于微小物体的形貌检测。

Description

基于同步载频移相的干涉检测装置与检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于同步载频移相的干涉检测装置与检测方法，属于光学干涉检测领域。

背景技术

载频干涉利用具有一定夹角的物光和参考光发生干涉，可从形成的单幅载频干涉图获得待测物体的位相信息，从而适合用于运动物体或动态过程的实时测量，但是该方法为了能够从单幅干涉图样中再现物光的复振幅分布，需要倾斜物光和参考光以获得足够大夹角使干涉图样的零频分量、实像和共轭像在频谱面上分离，因此，不能充分利用图像传感器的横向分辨率或空间带宽积。

墨西哥学者C.Meneses-Fabian等提出利用4f共焦系统和一维光栅相结合实现载频调制方法(C.Meneses-Fabian，G.Rodriguez-Zurita.Carrier fringes in thetwo-aperture common-path interferometer.Optics Letters，2011，36(5)：642-644)。该方法将一维光栅置于4f共焦系统频谱面离焦处，通过引入离焦量获得载频干涉图，该方法不需倾斜物光和参考光，调整方便，成本低，但是该方法仍不能充分利用图像传感器的横向分辨率或空间带宽积。

西安光机所的姚保利等提出利用平行双光栅的同步载频移相干涉方法(P.Gao，B.L.Yao，I.Harder，J.Min，R.Guo，J.Zheng，T.Ye.Parallel two-step phase-shiftingdigital holograph microscopy based on a grating pair.J.Opt.Soc.Am.A2011，28(3)：434-440)。该方法通过调整平行双光栅间距调制载频，并结合偏振调制通过一次曝光获得两幅相移载频干涉图。该方法通过将两幅相移干涉图样相减来消除零频分量，从而降低了对干涉图样中载频量的要求，同时提高了对CCD的空间分辨率和空间带宽积的利用率，但是该方法光利用率高，数据处理复杂，并需通过测量条纹确定载频量。

发明内容

本发明是为了解决现有同步载频移相干涉检测装置结构复杂及检测方法的数据处理复杂的问题，提供一种基于同步载频移相的干涉检测装置与检测方法。

本发明所述基于同步载频移相的干涉检测装置，它包括光源，它还包括偏振片、准直扩束系统、第一偏振分光棱镜、待测物体、第一反射镜、第二反射镜、第二偏振分光棱镜、λ/4波片、矩形窗口、第一傅里叶透镜、一维周期光栅、第二傅里叶透镜、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，

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入射至第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜的反射光束经待测物体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一维周期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偏振片组，该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；

一维周期光栅位于第一傅里叶透镜的后焦f-Δf处并且位于第二傅里叶透镜的前焦f+Δf处，其中Δf为一维周期光栅的离焦量，Δf大于0并且小于f；

图像传感器位于第二傅里叶透镜的后焦面上；

一维周期光栅的周期d与矩形窗口沿x轴方向的长度D之间满足关系：d＝2λf/D。

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。

偏振片组由两片偏振片组成，该两片偏振片形成1×2阵列，该两片偏振片的透光轴与x轴分别呈0°和45°。

λ/4波片快轴与x轴呈45°。

偏振片的透光轴与x轴呈45°。

基于上述基于同步载频移相的干涉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偏振片和准直扩束系统的准直扩束后形成线偏振光，该线偏振光通过第一偏振分光棱镜后分成物光束和参考光束；

汇合于第二偏振分光棱镜的物光束和参考光束通过λ/4波片和矩形窗口后，再依次经过第一傅里叶透镜、一维周期光栅、第二傅里叶透镜和偏振片组后，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两幅干涉图样，通过计算得到待测物体的相位分布

其中，O′为待测物体的复振幅分布，Im()表示取虚部，Re()表示取实部，

O′＝FT^-1{FT{(I₁-I₂)·R_E}·H_W}，

其中，FT表示傅里叶变换，FT^-1表示逆傅里叶变换，H_W为低通滤波的传递函数，R_E为根据一维周期光栅的离焦量Δf，得到的数字参考波R_E(x，y)：

R_E(x，y)＝exp(-i2πxΔf/f/d)，

I₁为由偏振片组中一片偏振片滤波得到的干涉图强度分布，该偏振片的透光轴与x轴呈0°，I₂为由偏振片组中另一片偏振片滤波得到的干涉图强度分布，该另一片偏振片的透光轴与x轴呈45°，

I₁(x，y)＝|R|²+|O|²+R^*O+RO^*，

I₂(x，y)＝|R|²+|O|²+exp(-iα)R^*O+exp(iα)RO^*，

其中，R表示参考光，R^*表示R的复共轭，O表示物光，O^*表示O的复共轭，α＝π/2为载波相移量。

本发明的优点是：本发明方法针对现有技术的不足之处，克服了本领域的技术偏见，将离焦光栅分光技术和偏振调制技术相结合，通过一次曝光采集获得两幅相移干涉图，并通过差动相减方法消除零频分量达到物体相位恢复的目的，不仅方法简单易行，光利用率高，而且可充分利用图像传感器CCD的横向分辨率和空间带宽积。

计算机采集获得的两幅载频干涉图样对比度相同，载频确定容易，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，

本发明装置结构简单，成本低；在操作中不需要改变光路，也不需要倾斜或移动任何实验器件，操作方便灵活，稳定性高。

附图说明

图1为本发明干涉检测装置的结构示意图；

图2为偏振片组中两片偏振片的偏振方向示意图；

图3为图像传感器平面上产生干涉图样；

图4为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的两幅干涉图样；

图5为待测物体的相位分布图；

图6为沿图5中虚线方向上的待测物体的相位一维分布曲线图。

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同步载频移相的干涉检测装置，它包括光源1，它还包括偏振片2、准直扩束系统3、第一偏振分光棱镜4、待测物体5、第一反射镜6、第二反射镜7、第二偏振分光棱镜8、λ/4波片9、矩形窗口10、第一傅里叶透镜11、一维周期光栅12、第二傅里叶透镜13、偏振片组14、图像传感器15和计算机16，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入射至第一偏振分光棱镜4，第一偏振分光棱镜4的反射光束经待测物体5后入射至第一反射镜6，第一反射镜6的反射光束作为物光束入射至第二偏振分光棱镜8；

第一偏振分光棱镜4的透射光束经第二反射镜7反射后作为参考光束入射至第二偏振分光棱镜8；

汇合于第二偏振分光棱镜8的物光束和参考光束经过λ/4波片9和矩形窗口10后入射至第一傅里叶透镜11，经第一傅里叶透镜11汇聚后的出射光束通过一维周期光栅12后入射至第二傅里叶透镜13，经第二傅里叶透镜13透射后的出射光束入射至偏振片组14，该偏振片组14的出射光束由图像传感器15的光接收面接收，图像传感器15的图像信号输出端连接计算机16的图像信号输入端；

以第一傅里叶透镜11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10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11和第二傅里叶透镜14的焦距均为f；

矩形窗口10位于第一傅里叶透镜11的前焦面上；

一维周期光栅12位于第一傅里叶透镜11的后焦f-Δf处并且位于第二傅里叶透镜13的前焦f+Δf处，其中Δf为一维周期光栅12的离焦量，Δf大于0并且小于f；

图像传感器15位于第二傅里叶透镜13的后焦面上；

一维周期光栅12的周期d与矩形窗口10沿x轴方向的长度D之间满足关系：d＝2λf/D。

本实施方式中，准直扩束后的线偏振平行光，通过第一偏振分光棱镜4后分成偏振方向相互垂直的物光束和参考光束。待测物体5和第一反射镜6放置在第一偏振分光棱镜4的反射方向上，第二反射镜7放置在第一偏振分光棱镜4的透射方向上。

光源1可以采用波长为632.8nm的He-Ne激光器；一维周期光栅12可以采用周期d＝50μm的Ronchi光栅；

第一傅里叶透镜11和第二傅里叶透镜13的焦距f均可以为250mm。

矩形窗口10可以为L×W＝6.33mm×3.16mm的窗口，L为矩形窗口10沿x轴方向的长度，W为矩形窗口10沿y轴方向的宽度。

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，一维周期光栅12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。

具体实施方式三：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，偏振片组14由两片偏振片组成，该两片偏振片形成1×2阵列，该两片偏振片的透光轴与x轴分别呈0°和45°。

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，λ/4波片9快轴与x轴呈45°。

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轴呈45°。

具体实施方式六：下面结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式为基于实施方式一所述基于同步载频移相的干涉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发射的光束经偏振片2和准直扩束系统3的准直扩束后形成线偏振光，该线偏振光通过第一偏振分光棱镜4后分成物光束和参考光束；

汇合于第二偏振分光棱镜8的物光束和参考光束通过λ/4波片9和矩形窗口10后，再依次经过第一傅里叶透镜11、一维周期光栅12、第二傅里叶透镜13和偏振片组14后，在图像传感器15平面上产生干涉图样，如图3所示，

将计算机16采集获得的干涉图样根据矩形窗口10的小窗口的尺寸分割获得两幅干涉图样，如图4所示，通过计算得到待测物体5的相位分布

如图5和图6所示，

其中，O′为待测物体的复振幅分布，Im()表示取虚部，Re()表示取实部，

O′＝FT^-1{FT{(I₁-I₂)·R_E}·H_W}，

其中，FT表示傅里叶变换，FT^-1表示逆傅里叶变换，H_W为低通滤波的传递函数，R_E为根据一维周期光栅12的离焦量Δf，得到的数字参考波R_E(x，y)：

R_E(x，y)＝exp(-i2πxΔf/f/d)，

I₁为由偏振片组14中一片偏振片滤波得到的干涉图强度分布，该偏振片的透光轴与x轴呈0°，I₂为由偏振片组14中另一片偏振片滤波得到的干涉图强度分布，该另一片偏振片的透光轴与x轴呈45°，

I₁(x，y)＝|R|²+|O|²+R^*O+RO^*，

I₂(x，y)＝|R|²+|O|²+exp(-iα)R^*O+exp(iα)RO^*，

其中，R表示参考光，R^*表示R的复共轭，O表示物光，O^*表示O的复共轭，α＝π/2为载波相移量。

本实施方式中，I₁(x，y)-I₂(x，y)＝[1-exp(-iα)]R^*O+[1-exp(iα)]RO^*，是为了去除直流量的处理过程。

I₁(x，y)-I₂(x，y)消除了直流成分的影响，其频谱由[1-exp(-iα)]R^*O和[1-exp(iα)]RO^*两部分组成，且这两部分沿频谱中心对称分布。

将公式I₁(x，y)-I₂(x，y)＝[1-exp(-iα)]R^*O+[1-exp(iα)]RO^*与公式：

R_E(x，y)＝exp(-i2πxΔf/f/d)式相乘得到：

(I₁-I₂)·R_E＝[1-exp(-iα)]R^*O·R_E+[1-exp(iα)]RO^*·R_E，

这样[1-exp(-iα)]R^*O·R_E移动到了频谱的中心，[1-exp(iα)]RO^*·R_E则移到了离频谱中心更远的地方，因此，通过低通滤波H_W，得到O′＝[1-exp(-iα)]R^*O·R_E。

Claims (6)

1.一种基于同步载频移相的干涉检测装置，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)、第一偏振分光棱镜(4)、待测物体(5)、第一反射镜(6)、第二反射镜(7)、第二偏振分光棱镜(8)、λ/4波片(9)、矩形窗口(10)、第一傅里叶透镜(11)、一维周期光栅(12)、第二傅里叶透镜(13)、偏振片组(14)、图像传感器(15)和计算机(16)，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入射至第一偏振分光棱镜(4)，第一偏振分光棱镜(4)的反射光束经待测物体(5)后入射至第一反射镜(6)，第一反射镜(6)的反射光束作为物光束入射至第二偏振分光棱镜(8)；

第一偏振分光棱镜(4)的透射光束经第二反射镜(7)反射后作为参考光束入射至第二偏振分光棱镜(8)；

汇合于第二偏振分光棱镜(8)的物光束和参考光束经过λ/4波片(9)和矩形窗口(10)后入射至第一傅里叶透镜(11)，经第一傅里叶透镜(11)汇聚后的出射光束通过一维周期光栅(12)后入射至第二傅里叶透镜(13)，经第二傅里叶透镜(13)透射后的出射光束入射至偏振片组(14)，该偏振片组(14)的出射光束由图像传感器(15)的光接收面接收，图像传感器(15)的图像信号输出端连接计算机(16)的图像信号输入端；

以第一傅里叶透镜(11)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(10)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(11)和第二傅里叶透镜(14)的焦距均为f；

矩形窗口(10)位于第一傅里叶透镜(11)的前焦面上；

一维周期光栅(12)位于第一傅里叶透镜(11)的后焦f-Δf处并且位于第二傅里叶透镜(13)的前焦f+Δf处，其中Δf为一维周期光栅(12)的离焦量，Δf大于0并且小于f；

图像传感器(15)位于第二傅里叶透镜(13)的后焦面上；

一维周期光栅(12)的周期d与矩形窗口(10)沿x轴方向的长度D之间满足关系：d＝2λf/D。

2.根据权利要求1所述的基于同步载频移相的干涉检测装置，其特征在于：一维周期光栅(12)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。

3.根据权利要求1或2所述的基于同步载频移相的干涉检测装置，其特征在于：偏振片组(14)由两片偏振片组成，该两片偏振片形成1×2阵列，该两片偏振片的透光轴与x轴分别呈0°和45°。

4.根据权利要求3所述的基于同步载频移相的干涉检测装置，其特征在于：λ/4波片(9)快轴与x轴呈45°。

5.根据权利要求1或4所述的基于同步载频移相的干涉检测装置，其特征在于：偏振片(2)的透光轴与x轴呈45°。

6.一种基于权利要求1所述基于同步载频移相的干涉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)发射的光束经偏振片(2)和准直扩束系统(3)的准直扩束后形成线偏振光，该线偏振光通过第一偏振分光棱镜(4)后分成物光束和参考光束；

汇合于第二偏振分光棱镜(8)的物光束和参考光束通过λ/4波片(9)和矩形窗口(10)后，再依次经过第一傅里叶透镜(11)、一维周期光栅(12)、第二傅里叶透镜(13)和偏振片组(14)后，在图像传感器(15)平面上产生干涉图样，

将计算机(16)采集获得的干涉图样根据矩形窗口(10)的小窗口的尺寸分割获得两幅干涉图样，通过计算得到待测物体(5)的相位分布

其中，O′为待测物体的复振幅分布，Im()表示取虚部，Re()表示取实部，

O′＝FT^-1{FT{(I₁-I₂)·R_E}·H_W}，

其中，FT表示傅里叶变换，FT^-1表示逆傅里叶变换，H_W为低通滤波的传递函数，R_E为根据一维周期光栅(12)的离焦量Δf，得到的数字参考波R_E(x，y)：

R_E(x，y)＝exp(-i2πxΔf/f/d)，

I₁为由偏振片组(14)中一片偏振片滤波得到的干涉图强度分布，该偏振片的透光轴与x轴呈0°，I₂为由偏振片组(14)中另一片偏振片滤波得到的干涉图强度分布，该另一片偏振片的透光轴与x轴呈45°，

I₁(x，y)＝|R|²+|O|²+R^*O+RO^*，

I₂(x，y)＝|R|²+|O|²+exp(-iα)R^*O+exp(iα)RO^*，

其中，R表示参考光，R^*表示R的复共轭，O表示物光，O^*表示O的复共轭，α＝π/2为载波相移量。

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