CN103048268B - 基于微偏振片阵列的数字电子剪切散斑干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于微偏振片阵列的数字电子剪切散斑干涉仪，包括激光器、位于激光器出射光束光路上的扩束镜和被测物体；还包括位于从被测物体表面反射的光束的光路上且用于得到偏振方向相互垂直的两束相干线偏振光的剪切器、设置从剪切器出射的光束的光路上的微偏振片阵列、与微偏振片阵列相连的感光元件和与感光元件相连的用于对感光元件采集的信号进行传输和处理的处理设备。优点：一次曝光即可获得多次相移，可达到实时检测的效果；光路中简化了产生相移的装置；由于产生相移的微偏振片阵列直接集成到感光元件上，抗振要求降低。

Description

基于微偏振片阵列的数字电子剪切散斑干涉仪

技术领域

本发明涉及一种电子剪切散斑干涉仪，尤其是一种涉及无损、非接触式检测技术领域的可实时获得四幅相移图像的基于微偏振片阵列的数字电子剪切散斑干涉仪。

背景技术

微偏振片阵列是一种用于测量光线经过不同透过方向的偏振片后各个偏振方向的光强的器件，通常与图像传感器(例如数码相机)搭配使用从而获得包含由该微偏振片阵列测得的各偏振分量的图像，并可以进行实时相移分析。目前微偏振片阵列制备方法主要有基于聚乙烯醇薄膜刻蚀、基于光控取向的液晶材料以及基于金属纳米光栅几种。

随着产品质量和可靠性指标的不断提升，需要采用无损检测方法来研究和检测材料存在的缺陷。由于具备全场、非接触和无污染等诸多优点，诸如热成像、全息成像术、电子散斑干涉术(ESPI)和电子剪切散斑干涉术(ESSPI)等光学检测技术在无损检测领域得到了广泛的应用。

ESSPI是一种基于计算机数据处理、相移技术和干涉术的激光测量技术，与其他干涉技术采用两束相同的光束产生干涉条纹的原理不同，ESSPI采用剪切器将物体表面两个点的光波反射到成像平面上的同一点以产生散斑干涉像而无需采用另外的参考光束，因此是一种自参考干涉系统。

在数字电子剪切散斑干涉术中先后出现了多种剪切成像的技术：剪切凌镜法、双孔离焦剪切、迈克尔逊干涉光路图像剪切以及沃拉斯顿棱镜剪切。其中剪切棱镜法是最早用来实现图像剪切的方法，其核心剪切原件为光学棱镜。其装置特点为在透镜前放置一个光学棱镜，由于光学棱镜将入射光光强分开成错位的两束光，从而实现两束光剪切。双孔离焦剪切法是在成像透镜的前或后表面附近开两个对称的小孔，根据透镜成像原理，通过离焦成像实现两图像剪切。迈克尔逊干涉光路图像剪切方法是采用迈克尔逊光路实现两图像剪切。沃拉斯顿棱镜是常用的剪切元件，一般采用双折射晶体制成，利用光的双折射特性，再结合使用偏振片从而实现图像的错位成像，该方法即为沃拉斯顿棱镜剪切法。

在中国专利200520040730.0中，张熹等人提出了一种迈克尔逊式的剪切散斑干涉仪，并采用精密电驱动元件来驱动透射光平移机构平行移动来获得不同的相移图，但由于每移动到一个位置采集到的图像只能够得到一副相移图像，因此不能实时得到四幅相移图像。本专利提出了一种基于微偏振片阵列的剪切散斑干涉仪，可实现一次曝光即可得到四幅相移图像。

在非专利文献“Pixelated phase-mask dynamic interferometer”(SPIE，Vol.5531，2004)中，JamesMillerd等人提出了将微偏振片阵列结构应用到全息干涉测量光路中，并得到了一次曝光即可获得四幅相移图，但未见有报道将微偏振片阵列应用于剪切散斑干涉光路中。本专利将微偏振片阵列应用于剪切散斑干涉光路，可制备出基于微偏振片阵列的电子剪切散斑干涉仪，可实时获得四幅相移图像。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是：提出了基于微偏振片阵列实现一次曝光即可获得多个相移量的数字电子剪切散斑干涉仪，解决了传统的数字电子剪切散斑干涉仪需要多次曝光才能够获得多个相移图像的问题，同时简化了以往干涉仪中用来产生相移量的装置，可实现实时检测。

本发明的技术方案是基于微偏振片阵列的数字电子剪切散斑干涉仪，包括激光器、位于激光器出射光束光路上的扩束镜和被测物体；还包括位于从被测物体表面反射的光束的光路上且用于得到偏振方向相互垂直的两束相干线偏振光的剪切器、设置从剪切器出射的光束的光路上的微偏振片阵列、与微偏振片阵列相连的感光元件和与感光元件相连的用于对感光元件采集的信号进行传输和处理的处理设备。

作为本发明的进一步改进，所述剪切器包括位于从被测物体表面反射的光束的光路上的透镜、位于从透镜透射出的光束的光路上的偏振分光棱镜、位于偏振分光棱镜透射出的光束光路上的第一四分之一波片、位于第一四分之一波片透射出光束的光路上的第一反射机构、位于偏振分光棱镜反射出的光束的光路上的第二四分之一波片、位于第二四分之一波片透射出光束的光路上的第二反射机构和位于偏振分光棱镜上第二次透射与反射出的光束的光路上的第三四分之一波片。

作为本发明的进一步改进，所述第一四分之一波片与第二四分之一波片垂直。

作为本发明的进一步改进，所述第三四分之一波片与第一四分之一波片垂直且同时与第二四分之一波片平行。

作为本发明的进一步改进，所述第一反射机构与第二反射机构均包括反射镜和与反射镜相连的用来调节反射镜偏转角度的偏转机构。

作为本发明的进一步改进，所述剪切器包括位于从被测物体表面反射的光束的光路上的透镜、位于从透镜透射出的光束的光路上的沃伦斯顿棱镜和位于从沃伦斯顿棱镜出射光束的光路上的第三四分之一波片。

作为本发明的进一步改进，所述的处理设备为计算机或微处理器。

本发明的有益效果是：1、一次曝光即可获得多次相移，可达到实时检测的效果；2、光路中简化了产生相移的装置；3、由于产生相移的微偏振片阵列直接集成到感光元件上，抗振要求降低。

附图说明

图1是微偏振片阵列结构示意图。

图2是微偏振片阵列内的微偏振片产生四步相移的原理示意图。

图3是本发明基于微偏振片阵列的迈克尔逊式的数字电子剪切散斑干涉仪的结构示意图。

图4是本发明基于微偏振片阵列的沃伦斯顿棱镜式的数字电子剪切散斑干涉仪的结构示意图。

其中：1、激光器，2、扩束镜，3、被测物体，4、偏振分光棱镜，5、第一四分之一波片，6、第一反射机构，7、第二四分之一波片，8、第二反射机构，9、第三四分之一波片，10、微偏振片阵列，11、感光元件，12、处理设备，13、透镜，14、沃伦斯顿棱镜。

具体实施方式

结合附图1-附图4对本发明进一步说明：

本发明为实现一次曝光得到四个相移量，在感光元件11前面附着了微偏振片阵列10，微偏振片阵列10的示意图如图1所示，每一个像素单元都为一个偏振片，其透射方向如图所示方向，微偏振片阵列与感光元件10配套使用，紧贴在感光元件10上面。微偏振片阵列的单元尺寸与感光元件10像素单元尺寸相同，即一一对应关系。

本发明的基于微偏振片阵列的数字电子剪切散斑干涉仪，包括激光器1、扩束镜2、被测物体3、剪切器、微偏振片阵列10、感光元件11和处理设备12。

本发明所述的微偏振片阵列10为现有技术中的微偏振片阵列，其结构如图1所示。

本发明所述的感光元件11为现有技术中的CCD或CMOS等感光元件。

本发明所述的处理设备12为现有技术中的计算机或微处理器。

本发明所述的激光器1和扩束镜2均为现有技术，其具体的结构本发明不做详细的描述。

本发明中的剪切器有两种具体的实施方式：

实施方式一：包括，偏振分光棱镜4、第一四分之一波片5、第一反射机构6、第二四分之一波片7、第二反射机构8、第三四分之一波片9和透镜13。如图3所示。

其中所述的偏振分光棱镜4、第一四分之一波片5、第二四分之一波片7、第三四分之一波片9和透镜13均为现有技术，其具体的结构本发明不做详细的描述。

其中第一反射机构6与第二反射机构8均包括反射镜和与反射镜相连的用来调节反射镜偏转角度的偏转机构。前述的偏转机构为现有技术，具体结构本发明不做详细描述。

实施方式二：包括，透镜13、沃伦斯顿棱镜14和第三四分之一波片9。如图4所示。

其中所述的沃伦斯顿棱镜14为现有技术中的沃伦斯顿棱镜，其具体的结构本发明不做详细的描述。

本发明的基于微偏振片阵列的数字电子剪切散斑干涉仪，包括激光器1、位于激光器1出射光束光路上的扩束镜2和被测物体3；还包括位于从被测物体3表面反射的光束的光路上且用于得到偏振方向相互垂直的两束相干线偏振光的剪切器、设置从剪切器出射的光束的光路上的微偏振片阵列10、与微偏振片阵列10相连的感光元件11和与感光元件11相连的用于对感光元件11采集的信号进行传输和处理的处理设备12。

剪切器的实施方式一：

剪切器包括位于从被测物体3表面反射的光束的光路上的透镜13、位于从透镜13透射出的光束的光路上的偏振分光棱镜4、位于偏振分光棱镜4透射出的光束光路上的第一四分之一波片5、位于第一四分之一波片5透射出光束的光路上的第一反射机构6、位于偏振分光棱镜4反射出的光束的光路上的第二四分之一波片7、位于第二四分之一波片7透射出光束的光路上的第二反射机构8和位于偏振分光棱镜4上第二次透射与反射出的光束的光路上的第三四分之一波片9。第一四分之一波片5与第二四分之一波片7垂直。第三四分之一波片9与第一四分之一波片5垂直且同时与第二四分之一波片7平行。

基于前述实施方式一的剪切器的结构本发明提出一种基于微偏振片阵列的迈克尔逊式的数字电子剪切散斑干涉仪，其具体的结构如图3所示。

基于微偏振片阵列的迈克尔逊式的数字电子剪切散斑干涉仪的工作过程如下所述：

由激光器1发出的激光经过扩束镜2扩束后照射到待测物体3上，待测物体3漫反射的光经透镜13会聚到达偏振分光棱镜4，此时入射光被分成两束，第一束为透射光，偏振方向为平行于纸面所在平面；第二束为反射光，偏振方向垂直于纸面所在平面。第一束透射光经偏振分光棱镜4透射后经过第一四分之一波片5，第一四分之一波片5放置时快轴与纸面成-45°(或45°)，即经偏振分光棱镜4透射的光与该四分之一波片5的快轴夹角为45°(或-45°)，因此经过四分之一波片5后的光为左旋圆偏振光(或右旋圆偏振光)。左旋圆偏振光(或右旋圆偏振光)到达第一反射机构6后被反射，再一次经过第一四分之一波片5，光由左旋圆偏振光(或右旋圆偏振光)变为线偏振光，此时的偏振方向与第一次经过第一四分之一波片5之前的方向成90°，也即垂直于纸面所在平面，满足偏振分光棱镜4的反射条件，反射的光到达第三四分之一波片9。第二束反射光经偏振分光棱镜4反射光经过第二四分之一波片7，该第二四分之一波片7放置时快轴与纸面所在平面成45°(或-45°)，即经偏振分光棱镜反射的光与该第二四分之一波片7的夹角成45°(或-45°)，因此经过第二四分之一波片7的光为左旋圆偏振光(或右旋圆偏振光)。左旋圆偏振光(或右旋圆偏振光)到达第二反射机构8后被反射，再一次经过第二四分之一波片7，光由左旋圆偏振光(或右旋圆偏振光)变为线偏振光，此时的偏振方向与第一次经过第二四分之一波片7之前的方向成90°，也即平行于纸面所在平面，满足偏振分光棱镜4的透射条件，透射的光到达第三四分之一波片9。因此第二次经过偏振分光棱镜4透射和反射的光到达第三四分之一波片9，两束光的偏振方向互相垂直，第三四分之一波片9放置时快轴与偏振分光棱镜透射光方向成-45°(或45°)，透过第三四分之一波片9的光分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光(或右旋圆偏振光和左旋圆偏振光)。经过微偏振片阵列10后，引入了四步相移，之后被感光元件11接收，采集信号传输到处理设备12进行处理。

本发明的基于微偏振片阵列的迈克尔逊式的数字电子剪切散斑干涉仪可以实现灵敏度的调节：手动旋转第一反射机构6的偏转机构或者第二反射机构8中的偏转机构中的任意一个，都可以实现错位像的错位方向及角度的变化，这就实现了基于微偏振片阵列的迈克尔逊式的数字电子剪切散斑干涉仪的灵敏度调节。

当两束偏振方向互相垂直的偏振光(振幅分别为E1和E2，光强为I1和I2，位相差为Δφ)穿过第三四分之一波片9时两束偏振光的偏振方向与第三四分之一波片9分别成±45°时，透过第三四分之一波片9的光分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，两束圆偏振光经过微偏振片阵列10时，透过微偏振片阵列10内的微偏振片的光强与微偏振片阵列10内的微偏振片的透偏振方向有关。如图2所示。

假定微偏振片阵列10内的微偏振片的透射方向与第三四分之一波片10的快轴的夹角为α，则感光元件11所接受的光强信息为

$I=1/2(I_1+I_{2}2\sqrt{I_1{I}_2}\cos (\mathrm{\Δ\φ}+2\mathrm{\α}))$

现有技术中的微偏振片阵列10的每四个微偏振片单元构成一个超像素，这四个微偏振片的偏振方向与第三四分之一波片的快轴夹角分别为0，1/4π，1/2π，3/4π。

由上述公式，则得到下述四个相移公式：

$I_a=1/2(I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos \left(\mathrm{\Δ\φ}\right))$

$I_b=1/2(I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos (\mathrm{\Δ\φ}+\mathrm{\π}/2))$

$I_c=1/2(I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos (\mathrm{\Δ\φ}+\mathrm{\π}))$

$I_d=1/2(I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos (\mathrm{\Δ\φ}+3/2\mathrm{\π}))$

因此一次曝光即可得到了四步相移的光强图像，相位差Δφ的值为

$\mathrm{\Δ\φ}=\mathrm{ATAN}\left(\frac{I_c-I_a}{I_d-I_b}\right)$

本发明还提出了另一种剪切器，其结构为：所述剪切器包括位于从被测物体3表面反射的光束的光路上的透镜13、位于从透镜13透射出的光束的光路上的沃伦斯顿棱镜14和位于从沃伦斯顿棱镜14出射光束的光路上的第三四分之一波片9。

基于前述的另一种剪切器本发明提出一种基于微偏振片阵列的沃伦斯顿棱镜式的数字电子剪切散斑干涉仪，其具体的结构如图4所示。

基于微偏振片阵列的沃伦斯顿棱镜式的数字电子剪切散斑干涉仪的工作过程如下所述：

基于微偏振片阵列的沃伦斯顿棱镜式的数字电子剪切散斑干涉仪包括激光器1，扩束镜2，被测物体3，沃伦斯顿棱镜14，第三四分之一波片9，微偏振片阵列10，感光元件11，处理设备12以及透镜13。

其中沃伦斯顿棱镜14为现有技术中的沃伦斯顿棱镜，其具有双折射特性，对于一束入射光，出射光分为两束，两束光成一定夹角，都为线偏振光，并且偏振方向互相垂直，存在一定的相位差Δφ。传统方法通过在x方向移动沃伦斯顿棱镜来对两束光引入额外的相移(0，1/4π，1/2π，3/4π)，以此来解算出Δφ，因此该方法也需要多次曝光来实现记录多幅相位差时的光强图像，不能达到实时的效果。本方法通过添加微偏振片阵列11来实现了一次曝光获得多幅相位差时的光强图像。

由激光器1发出的激光经过扩束镜2扩束后照射到被测物体3上，被测物体3反射的光到达沃伦斯顿棱镜13，出射光分为两束线偏振光，一束光的偏振方向平行于纸面所在平面，另一束光的偏振方向垂直于纸面所在平面，这两束光到达第三四分之一波片9，第三四分之一波片9放置时快轴与纸面所在平面成-45°(或45°)，两束线偏振光透过第三四分之一波片9后的光分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光(或右旋圆偏振光和左旋圆偏振光)。经过微偏振片阵列10后，引入了四步相移，之后被感光元件11接收，被采集信号传输到处理设备12进行处理。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.基于微偏振片阵列的数字电子剪切散斑干涉仪，包括激光器(1)、位于激光器(1)出射光束光路上的扩束镜(2)和被测物体(3)；其特征在于：还包括位于从被测物体(3)表面反射的光束的光路上且用于得到偏振方向相互垂直的两束相干线偏振光的剪切器、设置从剪切器出射的光束的光路上的微偏振片阵列(10)、与微偏振片阵列(10)相连的感光元件(11)和与感光元件(11)相连的用于对感光元件(11)采集的信号进行传输和处理的处理设备(12)；所述微偏振片阵列的单元尺寸与感光元件像素单元尺寸相同，即一一对应关系。

2.根据权利要求1所述的基于微偏振片阵列的数字电子剪切散斑干涉仪，其特征在于：所述剪切器包括位于从被测物体(3)表面反射的光束的光路上的透镜(13)、位于从透镜(13)透射出的光束的光路上的偏振分光棱镜(4)、位于偏振分光棱镜(4)透射出的光束光路上的第一四分之一波片(5)、位于第一四分之一波片(5)透射出光束的光路上的第一反射机构(6)、位于偏振分光棱镜(4)反射出的光束的光路上的第二四分之一波片(7)、位于第二四分之一波片(7)透射出光束的光路上的第二反射机构(8)和位于偏振分光棱镜(4)上第二次透射与反射出的光束的光路上的第三四分之一波片(9)。

3.根据权利要求2所述的基于微偏振片阵列的数字电子剪切散斑干涉仪，其特征在于：所述第一四分之一波片(5)与第二四分之一波片(7)垂直。

4.根据权利要求2或3所述的基于微偏振片阵列的数字电子剪切散斑干涉仪，其特征在于：所述第三四分之一波片(9)与第一四分之一波片(5)垂直且同时与第二四分之一波片(7)平行。

5.根据权利要求2所述的基于微偏振片阵列的数字电子剪切散斑干涉仪，其特征在于：所述第一反射机构(6)与第二反射机构(8)均包括反射镜和与反射镜相连的用来调节反射镜偏转角度的偏转机构。

6.根据权利要求1所述的基于微偏振片阵列的数字电子剪切散斑干涉仪，其特征在于：所述剪切器包括位于从被测物体(3)表面反射的光束的光路上的透镜(13)、位于从透镜(13)透射出的光束的光路上的沃伦斯顿棱镜(14)和位于从沃伦斯顿棱镜(14)出射光束的光路上的第三四分之一波片(9)。

7.根据权利要求1所述的基于微偏振片阵列的数字电子剪切散斑干涉仪，其特征在于：所述的处理设备为计算机或微处理器。