CN103245285B - 一种反射式点衍射载波同步移相干涉检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学干涉检测领域，特别涉及一种反射式点衍射载波同步移相干涉检测装置及其专用的检测方法。反射式点衍射载波同步移相干涉检测装置，包括光源、准直扩束系统，第一偏振片、四分之一波片、第一透镜、非偏振分光棱镜、第二偏振片、第一平面反射镜，第二平面反射镜，第二透镜，偏振分光棱镜，第一图像传感器，第二图像传感器。本发明兼顾了CCD带宽利用率、CCD视场利用率、测量实时性、抗干扰能力和系统复杂性，使系统的整体性能有了提高；本发明结构简单，成本低，不需光栅、偏振片组等特殊光学元件；通过引入显微物镜，该方法可应用于显微测量中；本发明装置在操作中不需要改变光路操作方便灵活，稳定性高，系统复杂性低。

Description

一种反射式点衍射载波同步移相干涉检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于光学干涉检测领域，特别涉及一种反射式点衍射载波同步移相干涉检测装置及其专用的检测方法。

背景技术

光学移相干涉测量是一种非接触、高精度的全场测量方法，被广泛的应用于光学表面、形变及厚度等测量领域。常用的干涉方法有离轴干涉法、时间共轴干涉法及空间共轴干涉法等。离轴干涉法通过在物光和参考光之间引入倾角，使干涉图产生载波，从而将恢复相位所需的项与干扰项分离。但是，载波的引入使得CCD的带宽不能被充分利用。时间和空间共轴干涉法不需要引入载波，而是直接记录物体的相位变化产生的干涉图，因此CCD的带宽利用率高，但该方法需要记录多幅（通常大于等于三幅）干涉图来消除干扰项，同时时间共轴干涉法需在不同时间记录多幅图像，虽然能够充分利用CCD的有效视场，但降低了测量的实时性；空间共轴干涉法在一个CCD上同时记录多幅图像，虽然提高了测量的实时性，但降低了CCD视场利用率。

西安光机所的姚保利等提出一种兼顾测量实时性、CCD带宽利用率和CCD视场利用率的干涉方法，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（P.Gao,B.L.Yao,I.Harder,J.Min,R.Guo,J.Zheng,T.Ye.Paralleltwo-stepphase-shiftingdigitalholographmicroscopybasedonagratingpair.J.Opt.Soc.Am.A2011,28(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同时获得两幅载波相移干涉图，并通过两幅图相减消去了直流分量。该方法降低了离轴结构对CCD带宽的要求，而且相对于时间共轴结构提高了测量实时性，相对空间共轴结构提高了CCD视场利用率。但是该装置采用分离光路结构，抗干扰能力有待于进一步提高。

相对于分离光路结构，共光路结构有非常好的抗干扰能力，点衍射式干涉方法就是其中一种。西安光机所的郭荣礼等提出了一种反射式点衍射显微干涉仪（R.Guo,B.Yao,P.Gao,J.Min,J.Zheng,T.Ye.ReflectivePoint-diffractionmicroscopicinterferometerwithlongtermstability.COL2011,9(12):120002.），在一个标准4f光学系统中引入非偏振分光棱镜产生两束光，通过对其中一束光使用反射式针孔滤波，从而形成参考光，另一束光被反射镜反射后与参考光一起共路传播。该方法具有非常好的抗干扰能力，但是存在时间相移共轴方法的不足，而且需要执行机构移动偏振片实现移相，增加了系统的复杂性。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有更高的稳定性，计算效率更高的反射式点衍射载波同步移相干涉检测装置。本发明方法还在于提供一种反射式点衍射载波同步移相干涉检测装置专用的检测方法。

本发明的目的是这样实现的：

反射式点衍射载波同步移相干涉检测装置，包括光源、准直扩束系统、第一偏振片、四分之一波片、第一透镜、非偏振分光棱镜、第二偏振片、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第二透镜、偏振分光棱镜、第一图像传感器、第二图像传感器，光源发射的光束经准直扩束系统后依次通过第一偏振片、四分之一波片和待测物体，经第一透镜聚焦后的光束被非偏振分光棱镜分成反射的物光和透射的参考光；物光经过第二偏振片滤波后照射在第一平面反射镜上，参考光照射在第二平面反射镜上；经过反射的物光和参考光经非偏振分光棱镜汇合成一束后依次通过第二透镜和分光面与入射光束呈45°角的偏振分光棱镜后形成两幅干涉图，分别被第一图像传感器和第二图像传感器采集到计算机中。

第一平面反射镜位于第一透镜的焦平面上，所述的第二平面反射镜位于第二透镜的焦平面上。

第一偏振片和四分之一波片以按照产生圆偏振光的方式放置，即第一偏振片的偏振方向和四分之一波片轴方向夹角为45°。

第二偏振片按照透光轴与水平方向夹角为﹢45°或-45°进行放置。

第二平面反射镜的反射面大小与系统输入孔径在傅里叶平面产生的艾里斑大小一致。

第一平面反射镜可以进行与水平方向偏转角为θ的转动。

待测物体和第一透镜之间还可以依次放置显微物镜和校正物镜。

反射式点衍射载波同步移相干涉检测方法，包括如下步骤：

（1）调整光源，使光源发射的光束经准直扩束系统、第一偏振片和四分之一波片后形成扩束的圆偏振光，该光束经过待测物体、第一透镜和非偏振分光棱镜后形成聚焦的物光和参考光，该物光和参考光分别被第一平面反射镜和第二平面反射镜反射后共同经第二透镜和偏振分光棱镜形成两幅干涉图I₁和I₂，分别被第一图像传感器和第二图像传感器同时采集；

（2）根据平面反射镜的偏转角θ确定数字参考波：

$\mathrm{Rr}=\exp (-i\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}x\sin \mathrm{\θ})$

其中，λ为光源波长，x为水平坐标轴；

（3）计算被测物体的复振幅c'(x,y)：

c'(x,y)=IFT{FT{Rr(I₁-I₂)}·LF}

其中，LF表示低通滤波，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换；

（4）计算被测物体的相位分布

其中，Im表示取虚部，Re表示取实部。本发明的有益效果在于：

1.本发明兼顾了CCD带宽利用率、CCD视场利用率、测量实时性、抗干扰能力和系统复杂性，使系统的整体性能有了提高；

2.本发明结构简单，成本低，不需光栅、偏振片组等特殊光学元件；

3.通过引入显微物镜，该方法可应用于显微测量中；

4.本发明装置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，系统复杂性低。

附图说明

图1为反射式点衍射载波同步移相干涉检测装置的配置结构示意图；

图2为反射式点衍射载波同步移相干涉显微检测装置的配置结构示意图。

具体实施方式

本发明的一种反射式点衍射载波同步移相的干涉检测装置，包括光源、准直扩束系统，它还包括第一偏振片、四分之一波片、待测物体、第一透镜、非偏振分光棱镜、第二偏振片、平面反射镜，带有小孔的平面反射镜，第二透镜，偏振分光棱镜，第一图像传感器，第二图像传感器；

按照光的路径描述，光源发射的光束经准直扩束系统后依次通过第一偏振片、四分之一波片和待测物体，经第一透镜聚焦后的光束被非偏振分光棱镜分成反射的物光和透射的参考光；物光经过第二偏振片滤波后照射在第一平面反射镜上，参考光照射在第二平面反射镜上；经过反射的物光和参考光经非偏振分光棱镜汇合成一束后依次通过第二透镜和分光面与入射光束呈45°角的偏振分光棱镜后形成两幅干涉图，分别被第一图像传感器和第二图像传感器采集到计算机中。

第一平面反射镜位于第一透镜的焦平面上，所述的第二平面反射镜位于第二透镜的焦平面上。

第一偏振片和四分之一波片以按照产生圆偏振光的方式放置，即第一偏振片的偏振方向和四分之一波片轴方向夹角为45°。

第二偏振片按照透光轴与水平方向夹角为±45°进行放置。

第二平面反射镜的反射面大小与系统输入孔径在傅里叶平面产生的艾里斑大小一致。

第一平面反射镜按照与水平方向成θ角的方向放置。

待测物体和第一透镜之间还可以依次放置显微物镜和校正物镜。

反射式点衍射载波同步移相干涉检测方法，包括如下步骤：

（1）调整光源，使光源发射的光束经准直扩束系统、第一偏振片和四分之一波片后形成扩束的圆偏振光，该光束经过待测物体、第一透镜和非偏振分光棱镜后形成聚焦的物光和参考光，该物光和参考光分别被第一平面反射镜和第二平面反射镜反射后共同经第二透镜和偏振分光棱镜形成两幅干涉图I₁和I₂，分别被第一图像传感器和第二图像传感器同时采集；

（2）根据平面反射镜的偏转角θ确定数字参考波：

$\mathrm{Rr}=\exp (-i\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}x\sin \mathrm{\θ})$

其中，λ为光源波长，x为为水平坐标轴；

（3）计算被测物体的复振幅c'(x,y)：

c'(x,y)=IFT{FT{Rr(I₁-I₂)}·LF}

其中，LF表示低通滤波，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换。

（4）计算被测物体的相位分布

其中，Im表示取虚部，Re表示取实部。

下面结合附图对本发明的实施实例作详细说明。

图中件号说明：1光源，2准直扩束系统，3第一偏振片，4四分之一波片，5待测物体，6第一透镜，7非偏振分光棱镜，8第二偏振片，9第一平面反射镜，10第二平面反射镜，11第二透镜，12偏振分光棱镜，13第一图像传感器,14第二图像传感器，15显微物镜，16校正物镜。

本发明的装置包括：光源1、准直扩束系统2、第一偏振片3、四分之一波片4、待测物体5、第一透镜6、非偏振分光棱镜7、第二偏振片8、第一平面反射镜9、第二平面反射镜10、第二透镜11、偏振分光棱镜12、第一图像传感器13和第二图像传感器14，其中光源1为波长632.8nm的He-Ne激光；被测物5位于第一透镜6的前焦面上；第一平面反射镜9和第二平面反射镜10，位于第一透镜6的后焦面和第二透镜11的前焦面上；第一透镜6和第二透镜11的焦距均为f=200mm；第一图像传感器13和第二图像传感器14均位于第二透镜11的后焦面上。该装置光的运行路径为：光源1发射的光束经准直扩束系统2后依次通过第一偏振片3四分之一波片4和待测物体5，经第一透镜6后聚焦的光束被非偏振分光棱镜7分成反射的物光和透射的参考光，被第一平面反射镜9反射和第二偏振片8滤波的物光与第二平面反射镜10反射的参考光经非偏振分光棱镜7汇合成一束；光束经第二透镜11和偏振分光棱镜12后形成干涉图，被第一图像传感器13和第二图像传感器14采集到计算机中。

被第一图像传感器13和第二图像传感器14采集到的干涉图像可分别表示为I₁和I₂，根据平面反射镜9的偏转角θ可以得到数字参考波：

$\mathrm{Rr}=\exp (-i\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}x\sin \mathrm{\θ})---\left(1\right)$

其中，λ为光源波长，x为为水平坐标轴；

接着，利用下式计算被测物体5的复振幅c'(x,y)：

c'(x,y)=IFT{FT{Rr(I₁-I₂)}·LF}（2）

其中，LF表示低通滤波，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换。最后，根据下式得到被测物体5的相位分布可以使用下式得到：

其中，Im表示取虚部，Re表示取实部。

若已知被测物体5的折射率n，则可以得到其厚度变化w(x,y)：

此实施实例具有非常好的稳定性，相位恢复所需的两个干涉图样是同时生成，进一步降低了干扰，提高测量速度，而且由于恢复算法简单，系统的复杂度进一步降低了。

Claims (9)

1.一种反射式点衍射载波同步移相干涉检测装置的检测方法，包括光源(1)、准直扩束系统(2)、第一偏振片(3)、四分之一波片(4)、第一透镜(6)、非偏振分光棱镜(7)、第二偏振片(8)、第一平面反射镜(9)、第二平面反射镜(10)、第二透镜(11)、偏振分光棱镜(12)、第一图像传感器(13)、第二图像传感器(14)，光源(1)发射的光束经准直扩束系统(2)后依次通过第一偏振片(3)、四分之一波片(4)和待测物体(5)，经第一透镜(6)聚焦后的光束被非偏振分光棱镜(7)分成反射的物光和透射的参考光；物光经过第二偏振片(8)滤波后照射在第一平面反射镜(9)上，参考光照射在第二平面反射镜(10)上；经过反射的物光和参考光经非偏振分光棱镜(7)汇合成一束后依次通过第二透镜(11)和分光面与入射光束呈45°角的偏振分光棱镜(12)后形成两幅干涉图，分别被第一图像传感器(13)和第二图像传感器(14)采集到计算机中；其特征在于，包括如下步骤：

(1)调整光源，使光源发射的光束经准直扩束系统、第一偏振片和四分之一波片后形成扩束的圆偏振光，该光束经过待测物体、第一透镜和非偏振分光棱镜后形成聚焦的物光和参考光，该物光和参考光分别被第一平面反射镜和第二平面反射镜反射后共同经第二透镜和偏振分光棱镜形成两幅干涉图I₁和I₂，分别被第一图像传感器和第二图像传感器同时采集；

(2)根据平面反射镜的偏转角θ确定数字参考波：

$Rr=\exp (-i\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}xsin\mathrm{\θ})$

其中，λ为光源波长，x为水平坐标轴；

(3)计算被测物体的复振幅c'(x,y)：

c'(x,y)＝IFT{FT{Rr(I₁-I₂)}·LF}

其中，LF表示低通滤波，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换；

(4)计算被测物体的相位分布

其中，Im表示取虚部，Re表示取实部；被测物体的厚度变化w(x,y)：

2.根据权利要求1所述的一种反射式点衍射载波同步移相干涉检测装置的检测方法，其特征在于：所述的第一平面反射镜(9)位于第一透镜(6)的焦平面上，所述的第二平面反射镜(10)位于第二透镜(11)的焦平面上。

3.根据权利要求1或2所述的一种反射式点衍射载波同步移相干涉检测装置的检测方法，其特征在于：所述的第一偏振片(3)和四分之一波片(4)以按照产生圆偏振光的方式放置，即第一偏振片(3)的偏振方向和四分之一波片(4)轴方向夹角为45°。

4.根据权利要求1或2所述的一种反射式点衍射载波同步移相干涉检测装置的检测方法，其特征在于：所述的第二偏振片(8)按照透光轴与水平方向夹角为﹢45°或-45°进行放置。

5.根据权利要求3所述的一种反射式点衍射载波同步移相干涉检测装置的检测方法，其特征在于：所述的第二偏振片(8)按照透光轴与水平方向夹角为﹢45°或-45°进行放置。

6.根据权利要求1或2所述的一种反射式点衍射载波同步移相干涉检测装置的检测方法，其特征在于：所述第二平面反射镜(10)的反射面大小与系统输入孔径在傅里叶平面产生的艾里斑大小一致。

7.根据权利要求5所述的一种反射式点衍射载波同步移相干涉检测装置的检测方法，其特征在于：所述第二平面反射镜(10)的反射面大小与系统输入孔径在傅里叶平面产生的艾里斑大小一致。

8.根据权利要求7所述的一种反射式点衍射载波同步移相干涉检测装置的检测方法，其特征在于：所述的第一平面反射镜(9)可以进行与水平方向偏转角为θ的转动。

9.根据权利要求1或2所述的一种反射式点衍射载波同步移相干涉检测装置的检测方法，其特征在于：所述的待测物体(5)和第一透镜(6)之间还可以依次放置显微物镜(15)和校正物镜(16)。