CN103712554A - 基于正交偏振光的双通道时空混合相移菲佐干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于正交偏振光的双通道时空混合相移菲佐干涉仪，包括光源及光源调整单元、分光准直单元、信号提取和时域相移单元、成像单元、空域相移单元、图像采集单元，光源及光源调整单元包括光源、滤光片、偏振调整器和光束扩展透镜与空间滤波组件，分光准直单元包括第一非偏振分光棱镜和准直透镜，成像单元为成像物镜，空域相移单元包括1/2波片、第二非偏振分光棱镜、x向偏振片和z向偏振片，构成双通道，图像采集单元包括x向CCD和z向CCD，第一非偏振分光棱镜处于x方向与z方向相交的交点处，z向CCD和x向CCD在两个通道上，用于采集待测量物体的具有相移量的干涉条纹图。该干涉仪具有正交偏振空域相移和时域相移功能。

Description

基于正交偏振光的双通道时空混合相移菲佐干涉仪

技术领域

本发明申请涉及光学干涉测量仪器，具体是指一种既利用波片产生正交偏振光和实现空域同时相移、又能够用波片或压电陶瓷PZT实现时域相移的基于正交偏振光的双通道时空混合相移菲佐干涉仪。

背景技术

相移干涉测量术Phase Shifting Interferometry，PSI是一种通过光电图像传感器如CCD记录相移量单调变化的序列相移干涉数字图像，经过一定的相移算法计算出干涉条纹图的相位分布，继而实现相应物理量测量的高精度干涉测量方法，测量精度可<0.1nm。广泛应用于光学表面检测、三维形貌测量、形变测量和数字全息等领域。

通常的相移干涉测量术是在不同时刻采集具有不同相移量的时域相移干涉图，测量结果容易受到外界的振动和空气扰动的影响，而且这种方法难以用于动态相位测量。解决这些问题的途径有两个：一是保持环境的稳定；二是在同一时刻在不同位置同时采集具有不同相移量的多幅同时相移干涉图，称为空域同时相移方法。同时相移干涉测量方法既可解决传统相移干涉测量方法易受环境干扰问题，也可以用于动态过程的相位测量，可以采用单图像传感器方式和多图像传感器方式实现。

使用单图像传感器实现空域同时相移的方法有三种：一是光栅相移法，利用衍射光栅将入射的干涉光场分为沿不同方向传播的光束，再通过1/4波片和偏振片将三束光变换为相移量分别为-90°、0°、90°的三束光波，分别被同一图像传感器的三个区域采集，形成三幅相移干涉图；第二种是区域相移法，用全息光学元件将同一正交圆偏振干涉光场按分振幅法分解为向四个不同方向的区域传输的光束，每一区域的干涉光场通过不同方向取向的线状栅后形成相移量分别为0°、90°、180°、270°的相移干涉光场，这些干涉光场分别被同一图像传感器的四个区域采集为四幅相移干涉图；第三种是单元相移法，此法在一个图像传感器上以四个像素为一个单元，每个单元中的四个像素分别被制作上不同取向的线状栅，形成一个对正交圆偏振干涉光场分别产生0°、90°、180°、270°相移量的相移单元，干涉光场被图像传感器采集后，分别将每个相移单元具有相同相移量像素重新组合后，成为四幅相移干涉图，此法是目前实现动态相位测量较好的相移方法，但是在干涉条纹数密度大时误差比较大。所有使用单图像传感器实现空域同时相移都面临着横向分辨率不足的问题，特别是在对采样条件要求高的数字全息中。

使用多图像传感器实现空域同时相移时，通常先将产生干涉的两束光变为偏振方向互为垂直的正交偏振光，通过1/2波片后形成两个相位差为180°的干涉光场，该干涉光场由分光镜BS分为传输方向相互垂直的两部分，一部分由偏振分束镜PBS分为两束，分别被两个图像传感器采集后成为相移量为0°和180°的相移干涉图，另一部分再通过一个1/4波片后形成相移量为90°和270°两个干涉光场，由偏振分束镜PBS分为两束，分别被两个图像传感器采集后成为相移量为90°和270°的相移干涉图。根据相移算法的要求，通常需要在三个或四个相移通道上采用三到四个图像传感器。

除了实现相移的方法外，干涉仪的光路结构也是影响测量结果的重要因素。采用泰曼格林干涉仪TwymanGreen Interferometer或马赫曾德干涉仪MachZehnderInterferometer等参考光路与测试光路不共路的干涉仪时，因两条光路容易受到不同的干扰以及两条光路中光学元件的不一致，其干涉条纹稳定性和测量结果的精度都难免受到影响。而在菲佐Fizeau干涉仪光路结构下，除了较小的测试段外，参考光路与测试光路都是共路的，这样可以大大降低光学元件不一致对结果的影响，而且也容易保持干涉条纹的稳定性。但是，菲佐干涉仪也存在干涉条纹对比度调节不方便、调整灵活性不足等问题。

发明内容

本发明申请的目的在于提供一种基于正交偏振光的双通道时空混合相移菲佐干涉仪，该干涉仪具有正交偏振空域相移功能和具备时域相移功能。

本发明的上述目的可以通过如下技术方案来实现的：基于正交偏振光的双通道时空混合相移菲佐干涉仪，其特征在于：所述干涉仪包括光源及光源调整单元、分光准直单元、信号提取和时域相移单元、成像单元、空域相移单元、图像采集单元，其中，所述的光源及光源调整单元包括光源、滤光片、偏振调整器和光束扩展透镜与空间滤波组件，所述的分光准直单元包括第一非偏振分光棱镜和准直透镜，所述的光源、滤光片、偏振调整器、光束扩展透镜与空间滤波组件、第一非偏振分光棱镜、准直透镜和信号提取和时域相移单元沿z方向的正方向依次设置，信号提取和时域相移单元正对待测量物体，所述的成像单元为成像物镜，所述的空域相移单元包括1/2波片、第二非偏振分光棱镜、x向偏振片和z向偏振片，构成双通道，所述的图像采集单元包括x向CCD和z向CCD，所述的成像物镜、1/2波片、第二非偏振分光棱镜、x向偏振片和x向CCD沿x方向的正方向依次设置，1/2波片的快轴方向与x方向呈22.5°的夹角，并且所述的第一非偏振分光棱镜处于x方向与z方向相交的交点处，所述的z向偏振片与x向偏振片以所述的第二非偏振分光棱镜为基点，按照相互垂直偏振位置的方向放置，z向偏振片和z向CCD沿与z方向的负方向相平行的方向设置，z向CCD和x向CCD在两个通道上，用于采集待测量物体的具有相移量的干涉条纹图。

本发明中，所述的偏振调整器为1/2波片。

本发明中，所述第二非偏振分光棱镜和x向偏振片之间还增设有1/4波片，该1/4波片的快轴方向与x方向呈45°的夹角，用于采集相移量为90°的条纹图，使得两步算法提取的相位更精确。

本发明中，所述的信号提取和时域相移单元包括偏振分光棱镜、可移动平台和固定平台，所述固定平台具有压电陶瓷微位移器，可移动平台安装在固定平台上，并且与压电陶瓷微位移器相连接，能够在压电陶瓷微位移器驱动下产生相移，所述的偏振分光棱镜安装在可移动平台上，与可移动平台联动，所述的偏振分光棱镜位于z方向上，位于准直透镜与待测量物体之间，并且正对待测量物体。本发明中，所述的信号提取和时域相移单元还增设有反射镜，所述的反射镜也安装在可移动平台上，反射镜正对偏振分光棱镜，并且垂直于y方向。该信号提取和时域相移单元采用侧向参考光结构，镀有高反射膜的偏振分光棱镜侧向反射面作为参考面，还增设有反射镜，便于使参考面与待测量物表面保持相同的距离，具有针对不同表面反射率物体进行干涉条纹对比度调整的功能，同时还能够避免消偏振物体对测量结果的影响。

本发明中各单元功能如下：

光源及光源调整单元：光源提供干涉仪的测量光波；可变中密度滤光片用于调整测量光波强度；偏振调整器使光源发出的光波成为与入射面法线的方向成一定夹角的线偏振光波，并用于调整干涉条纹的对比度，对于线偏振激光光源，偏振调整器采用1/2波片，对于非线偏振光源，偏振调整器采用偏振片；光束扩展透镜与空间滤波组件用于将测量光波调整为光强分布均匀的球面光波。

分光准直单元：第一非偏振分光棱镜用于将测量光波引入信号提取单元，并将返回的载有被测量物体信号物光波和参考光波反射到后续的测量单元；准直透镜将球面光波变为准直光波。

信号提取和时域相移单元有两种可选择的侧向参考光结构，分别如图2所示的无反射镜结构和图3所示的有反射镜结构。

在图2所示的无反射镜结构中，偏振分光棱镜用于将入射光束分离为传输方向相互垂直、偏振面相互正交的测量光束和参考光束，其A面作为参考反射面，A面上镀的高反射膜用于反射参考光束，测量光束经过待测量物体调制反射后成为物光束。可移动平台用于固定偏振分光棱镜并在固定平台的压电陶瓷PZT驱动下产生相移，固定平台中安装有压电陶瓷PZT微位移器，用于连接可移动平台并产生相移。

在图3所示的结构中，偏振分光棱镜用于将入射光束分离为传输方向相互垂直、偏振面相互正交的测量光束和参考光束，反射镜用于反射参考光束，测量光束经过待测量物体调制反射后形成物光束。固定平台用于固定偏振分光棱镜并与可移动平台连接，可移动平台用于连接固定平台和反射镜，并在安装在固定平台中的压电陶瓷PZT驱动下产生相移，固定平台中安装有压电陶瓷PZT微位移器，用于连接可移动平台并产生相移。

成像单元为成像物镜用于使从信号提取和时域相移单元传输过来的会聚光变为接近平行的光束，调整图像探测器上的光束尺寸。

空域相移单元：1/2波片将正交偏振的物光和参考光变为平行于和垂直于入射面的均含调制测量光和参考光的两束同向偏振光，形成相位差为180°的两个干涉光场，第二非偏振分光棱镜使这两个干涉光场分离为传播方向相互垂直、偏振方向相互正交的空间相移干涉光场，两个偏振片z向偏振片与x向偏振片按相互垂直偏振位置放置，不插入1/4波片时，两个干涉光场的相移量为180°，插入1/4波片后，两个干涉光场的相移量为90°。

图像采集单元：两个CCD用于在两个通道上采集相移量为90°或180°干涉条纹图。

本发明的上述目的还可以通过如下技术方案来实现：基于正交偏振光的双通道时空混合相移菲佐干涉仪，其特征在于：所述干涉仪包括光源及光源调整单元、分光准直单元、信号提取单元、成像单元、空域相移单元、图像采集单元，其中，所述的光源及光源调整单元包括光源、滤光片、偏振调整器和光束扩展透镜与空间滤波组件，所述的分光准直单元包括第一非偏振分光棱镜和准直透镜，所述的光源、滤光片、偏振调整器、光束扩展透镜与空间滤波组件、第一非偏振分光棱镜、准直透镜和信号提取单元沿z方向的正方向依次设置，信号提取单元正对待测量物体，所述的成像单元为成像物镜，所述的空域相移单元包括1/4波片、1/2波片、第二非偏振分光棱镜、x向偏振片和z向偏振片，所述的图像采集单元包括x向CCD和z向CCD，所述的成像物镜、1/4波片、1/2波片、第二非偏振分光棱镜、x向偏振片和x向CCD沿x方向的正方向依次设置，1/4波片的快轴方向与x方向呈45°的夹角，1/2波片的快轴方向与x方向呈22.5°的夹角，并且所述的第一非偏振分光棱镜处于x方向与z方向相交的交点处，所述的z向偏振片与x向偏振片以所述的第二非偏振分光棱镜为基点，按照相互垂直偏振位置的方向放置，z向偏振片和z向CCD沿与z方向的负方向相平行的方向设置，z向CCD和x向CCD在两个通道上，用于采集待测量物体的具有相移量的干涉条纹图。

本发明中，所述的偏振调整器为1/2波片。

本发明中，所述第二非偏振分光棱镜和x向偏振片之间还增设有1/2波片，该1/2波片的快轴方向与x方向呈22.5°的夹角，用于采集相移量为90°的条纹图，使得两步算法提取的相位更精确。

本发明中，所述的信号提取单元包括偏振分光棱镜、固定平台和固定平台座，所述的固定平台安装在固定平台座上，所述的偏振分光棱镜安装在固定平台上，所述的偏振分光棱镜位于z方向上，位于准直透镜与待测量物体之间，并且正对待测量物体。

本发明中，所述的信号提取单元还增设有反射镜，所述的反射镜也安装在固定平台座上，反射镜正对偏振分光棱镜，并且垂直于y方向。

本发明中各单元功能如下：光源及光源调整单元：光源提供干涉仪的测量光波；可变中密度滤光片用于调整测量光波强度；偏振调整器使光源发出的光波成为与入射面法线方向成一定夹角的线偏振光波，并用于调整干涉条纹的对比度，对于线偏振激光光源，偏振调整器采用1/2波片，对于非线偏振光源，偏振调整器采用偏振片；光束扩展透镜与空间滤波组件用于将测量光波调整为光强分布均匀的球面光波。

分光准直单元：第一非偏振分光棱镜用于将测量光波引入信号提取单元，并将返回的载有被测量物体信号物光波和参考光波反射到后续的测量单元；准直透镜将球面光波变为准直光波。

信号提取单元有两种可选的侧向参考光结构，分别如图5和图6所示。

在图5所示的结构中，偏振分光棱镜用于将入射光束分离为传输方向相互垂直、偏振面相互正交的测量光束和参考光束，其A面作为参考反射面，镀在A面上的高反射膜用于反射参考光束，测量光束经过待测量物体调制反射后形成物光束。固定平台用于固定偏振分光棱镜并与固定平台相连接。

在图6所示的结构中，偏振分光棱镜用于将入射光束分离为传输方向相互垂直、偏振面相互正交的测量光束和参考光束，反射镜用于反射参考光束，测量光束经过待测量物体调制反射后形成物光束。固定平台用于固定偏振分光棱镜，固定平台用于固定反射镜和固定平台。

成像单元为成像物镜，用于使从信号提取单元传输过来的会聚变为接近平行的光束，调整图像探测器上的光斑大小。

时域与空域相移单元：该单元由1/4波片、1/2波片、第二非偏振分光棱镜、1/2波片、偏振片和偏振片组成。

1/4波片和1/2波片将正交偏振的物光和参考光的光束转变为平行和垂直于入射面的方向均含物光和参考光的一对正交偏振光，形成相位差为180°的两个干涉光场，旋转1/2波片可以在物光和参考光中引入时域相移，非偏振分光棱镜使这两个相互正交的干涉光场分离为传播方向相互垂直的空间相移干涉光场，两个偏振片z向偏振片与x向偏振片按偏振方向相互垂直位置放置，分别用于分离出平行和垂直于入射面的干涉光场，不插入1/2波片时，获得相移量为180°两个干涉光场，插入1/2波片后，变为相移量为90°的两个干涉光场。

图像采集单元：两个CCD用于在两个通道上采集相移量为90°或180°干涉条纹图。

本发明所涉及的干涉仪用正交偏振光作为测量光和参考光，用偏振分光棱镜分离测量光和参考光，用侧向反射面作为参考面，通过1/4波片或1/2波片的插入和移出，获得两个传播方向相互垂直、相位差分别为90°或180°的干涉光场，由两个光电图像传感器同时记录两个通道的干涉条纹图，通过两步相移算法计算出被测量物体的相位。该干涉仪同时还具有用波片或压电陶瓷PZT实现时域相移的功能。

与现有技术相比，该技术发明具有以下显著效果：

1、本发明申请为时空混合相移双通道菲佐干涉仪，结合两步相移算法，可以实现静态和动态相位测量，相对其他空域相移技术，降低了成本和技术难度，而且在使用空域载频测量方法时，还提高了空间分辨率。

2、本发明申请采用侧向参考面和偏振分光膜分离测量光和参考光方法，便于使参考面与待测量物表面保持相同的距离，具有针对不同表面反射率物体进行干涉条纹对比度调整的功能，同时还能够避免消偏振物体对测量结果的影响。

3、本发明申请所述干涉仪在具备空域同时相移功能的基础上，还具备时域相移功能，能够实现时域相移相位测量，也能够对测量系统进行校正。

4、本发明申请中、所示的带参考反射镜微位移装置除可用于进行相移相位测量外，还可以用于白光扫描干涉测量。

5、本发明申请中、所示的时域与空域相移单元，在通过不插入或插入后一个二分之一波片的空域相移方法获得相移量为180°或90°的两幅干涉条纹图外，还可以通过旋转前一个二分之一波片的进行时域相移，在两幅空域相移干涉条纹图中同时产生相同相移量的相移，获得两套相位差为180°或90°的相移干涉条纹图。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1本发明干涉仪实施例一的整体结构示意图；

图2是本发明干涉仪实施例一中无反射镜的信号提取和时域相移单元结构图；

图3是本发明干涉仪实施例一中有反射镜的信号提取和时域相移单元结构图；

图4本发明干涉仪实施例二的整体结构示意图；

图5是本发明干涉仪实施例二中无反射镜的信号提取和时域相移单元结构图；

图6是本发明干涉仪实施例二中有反射镜的信号提取和时域相移单元结构图。

附图标记说明

光源 101，滤光片 102，偏振调整器 103，光束扩展透镜与空间滤波组件 104，第一非偏振分光棱镜 105，准直透镜 106，信号提取和时域相移单元 107，待测量物体 108，成像物镜 109，1/2波片 110，第二非偏振分光棱镜 111，1/4波片 112，x向偏振片 113，z向偏振片 114，x向CCD 115，z向CCD 116，

偏振分光棱镜 1071，可移动平台 1072，固定平台 1073，反射镜 1074

光源 201，滤光片 202，偏振调整器 203，光束扩展透镜与空间滤波组件 204，第一非偏振分光棱镜 205，准直透镜 206，信号提取单元 207，待测量物体 208，成像物镜 209，1/4波片 210，1/2波片 211，第二非偏振分光棱镜 212，1/2波片 213，x向偏振片 214，z向偏振片 215，x向CCD 216，z向CCD 217，

偏振分光棱镜 2071，固定平台 2072，固定平台座 2073，反射镜 2074，

具体实施方式

本发明的实施方式以线偏振激光为光源进行具体说明。实施方式说明中，光束传输过程中的空间坐标系规定为：光束沿系统光轴传输的方向为z方向，即沿扩展透镜与空间滤波组件后形成的球面光波的中心线为z方向，且光线射出的方向为z方向的正方向，x方向垂直于入射面和z方向，y方向平行于入射面且与z方向垂直，x、y、z三个方向成右手坐标系。

实施例一

本发明基于正交偏振光的双通道时空混合相移菲佐干涉仪的实施例一如图1至图3所示，该干涉仪包括光源及光源调整单元、分光准直单元、信号提取和时域相移单元、成像单元、空域相移单元、图像采集单元，其中，光源及光源调整单元包括光源101、滤光片102、偏振调整器103和光束扩展透镜与空间滤波组件104，分光准直单元包括第一非偏振分光棱镜105和准直透镜106，偏振调整器103为1/2波片，光源101、滤光片102、偏振调整器103、光束扩展透镜与空间滤波组件104、第一非偏振分光棱镜105、准直透镜106和信号提取和时域相移单元107沿z方向的正方向依次设置，信号提取和时域相移单元107正对待测量物体108，成像单元为成像物镜109，空域相移单元包括1/2波片110、第二非偏振分光棱镜111、x向偏振片113和z向偏振片114，图像采集单元包括x向CCD115和z向CCD116，成像物镜109、1/2波片110、第二非偏振分光棱镜111、x向偏振片113和x向CCD115沿x方向的正方向依次设置，1/2波片110的快轴方向与x方向呈22.5°的夹角，并且第一非偏振分光棱镜105处于x方向与z方向相交的交点处，z向偏振片114与x向偏振片113以第二非偏振分光棱镜111为基点，按照相互垂直偏振位置的方向放置，z向偏振片114和z向CCD116沿与z方向的负方向相平行的方向设置，z向CCD116和x向CCD115在两个通道上，用于采集待测量物体108的具有相移量的干涉条纹图。

本实施例中，还可以在第二非偏振分光棱镜111和x向偏振片113之间增设有1/4波片112，该1/4波片112的快轴方向与x方向呈45°的夹角。

如图2所示，本实施例中的信号提取和时域相移单元107包括偏振分光棱镜1071、可移动平台1072和固定平台1073，固定平台1073具有压电陶瓷微位移器，可移动平台1072安装在固定平台1073上，并且与压电陶瓷微位移器相连接，能够在压电陶瓷微位移器驱动下产生相移，偏振分光棱镜1071安装在可移动平台1072上，与可移动平台1072联动，偏振分光棱镜1071位于z方向上，位于准直透镜106与待测量物体108之间，并且正对待测量物体108。

如图3所示，信号提取和时域相移单元107还增设有反射镜1074，反射镜1074也安装在可移动平台1072上，反射镜1074正对偏振分光棱镜1071，并且垂直于y方向。该信号提取和时域相移单元107采用侧向参考光结构，镀有高反射膜的偏振分光棱镜侧向反射面作为参考面，还增设有反射镜1074，便于使参考面与待测量物表面保持相同的距离，具有针对不同表面反射率物体进行干涉条纹对比度调整的功能，同时还能够避免消偏振物体对测量结果的影响。

本实施例的工作原理和工作过程如下：光源201采用激光器，由光源101发出的线偏振激光经可变中密度滤光片102衰减后，1/2波片103将激光偏振方向旋转到与x方向成一定夹角的线偏振光，夹角大小由干涉条纹对比度决定，经过扩展透镜与空间滤波组件104扩展滤波后，形成光强分布均匀的发散球面光波；光束扩展透镜与空间滤波组件104采用现有组件，能够将经1/2波片103来的线偏振光扩展滤波后，形成光强分布均匀的发散球面光波的组件即可，球面光波透过第一非偏振分光棱镜105后，被准直透镜106准直成平面光波。该平面波经过偏振分光棱镜1071时，x方向偏振分量被反射到参考面方向，经参考面偏振分光棱镜1071的A面或反射镜1074反射后形成参考光波，y方向偏振分量透射后照射到被测量物体表面，被待测量物体108反射后形成物光波。参考光波再次被偏振分光棱镜1071反射，物光波再次透过偏振分光棱镜1071，二者又被准直透镜106变换为会聚光波，经过第一非偏振分光棱镜105反射到成像物镜109，成像物镜109把会聚光波变为准直光波，并使光束横向尺寸与光电图像传感器的光敏面尺寸相匹配。由成像物镜109出来的准直光波通过快轴方向与x方向夹角为22.5°的1/2波片110后，将原x方向仅有参考光波、y方向仅有物光波的正交偏振光，变为x方向和y方向均含参考光波和物光波的正交偏振光，而且两个偏振方向干涉条纹之间的相移量为180°。再用一个第二非偏振分光棱镜111，将这个正交偏振光分解为传输方向相互垂直的两个正交偏振光，在透射方向放置偏振方向与y方向相同的x向偏振片113，获得沿y方向偏振的干涉光场；在反射方向放置偏振方向与x方向相同的z向偏振片114，获得沿x方向偏振的干涉光场；通过光电图像传感器x向CCD115和光电图像传感器z向CCD116分别采集记录，即可在两个通道上获得相移量为180°的两幅相移干涉条纹图。

要在两个通道上获得相移量为90°的两幅相移干涉条纹图，只需在第二非偏振分光棱镜111与x向偏振片113之间插入快轴方向与x方向夹角为45°的1/4波片112即可。

如果需要采用常用的相移方法如采用4步、5步或N步相移算法，或需要对系统进行校正时，只需启动图2所示固定平台1073或图3所示固定平台1073中的压电陶瓷PZT微位移器产生相移，即可通过两个通道上的光电图像传感器x向CCD115和z向CCD116获得两套相位差为90°或180°的时域相移干涉图。

实施例二

本发明基于正交偏振光的双通道时空混合相移菲佐干涉仪的实施例一如图4至图6所示，该干涉仪包括光源及光源调整单元、分光准直单元、信号提取单元、成像单元、空域相移单元、图像采集单元，其中，光源及光源调整单元包括光源201、滤光片202、偏振调整器203和光束扩展透镜与空间滤波组件204，分光准直单元包括第一非偏振分光棱镜205和准直透镜206，偏振调整器203为1/2波片，光源201、滤光片202、偏振调整器203、光束扩展透镜与空间滤波组件204、第一非偏振分光棱镜205、准直透镜206和信号提取单元207沿z方向的正方向依次设置，信号提取单元207正对待测量物体208，成像单元为成像物镜209，空域相移单元包括1/4波片210、第二非偏振分光棱镜212、x向偏振片214和z向偏振片215，图像采集单元包括x向CCD216和z向CCD217，成像物镜209、1/4波片210、、第二非偏振分光棱镜212、x向偏振片214和x向CCD216沿x方向的正方向依次设置，1/4波片210的快轴方向与x方向呈45°的夹角，-，并且第一非偏振分光棱镜205处于x方向与z方向相交的交点处，z向偏振片215与x向偏振片214以第二非偏振分光棱镜212为基点，按照相互垂直偏振位置的方向放置，z向偏振片215和z向CCD217沿与z方向的负方向相平行的方向设置，z向CCD217和x向CCD216在两个通道上，用于采集待测量物体208的具有相移量的干涉条纹图。

本实施例中，还可以在第二非偏振分光棱镜212和x向偏振片214之间还增设有1/2波片213，该1/2波片213的快轴方向与x方向呈22.5°的夹角。

如图4所示，本实施例中的时域相移由1/2波片211实施，1/2波片211固定在1/4波片210、第二非偏振分光棱镜212之间，通过1/2波片211的快轴方向与x方向夹角变化实施相移。

如图5所示，本实施例中的信号提取单元207包括偏振分光棱镜2071、固定平台2072和固定平台座2073，固定平台2072安装在固定平台座2073上，偏振分光棱镜2071安装在固定平台2072上，偏振分光棱镜2071位于z方向上，位于准直透镜206与待测量物体208之间，并且正对待测量物体208。

如图6所示，信号提取单元207还增设有反射镜2074，反射镜2074也安装在固定平台座2073上，反射镜2074正对偏振分光棱镜2071，并且垂直于y方向。信号提取单元207采用侧向参考光结构，镀有高反射膜的偏振分光棱镜侧向反射面作为参考面，还增设有反射镜2074，便于使参考面与待测量物表面保持相同的距离，具有针对不同表面反射率物体进行干涉条纹对比度调整的功能，同时还能够避免消偏振物体对测量结果的影响。

本实施例的工作原理和工作过程如下：光源201采用激光器，由光源201发出的线偏振激光经可变中密度滤光片202衰减后，1/2波片203将激光偏振方向旋转到与x方向成一定夹角的线偏振光，夹角大小由干涉条纹对比度决定，经过扩展透镜与空间滤波组件204扩展滤波后，形成光强分布均匀的发散球面光波；球面光波透过第一非偏振分光棱镜205，被准直透镜206准直成平面光波。该平面波经过偏振分光棱镜2071时，x方向偏振分量被反射到参考面方向，经参考面偏振分光棱镜2071的A面或反射镜2074反射后形成参考光波，y方向偏振分量透射后照射到被测量物体表面，被物体208反射后形成物光波。参考光波再次被偏振分光棱镜2071或反射镜2074反射，物光波再次透过偏振分光棱镜2071，二者又被准直透镜206变换为会聚光波，经过非偏振分光棱镜205反射到成像物镜209，成像物镜209把会聚光波变为准直光波，并使光束横向尺寸与光电图像传感器的尺寸相匹配。由成像物镜209出来的准直光波通过快轴方向与x方向夹角为45°的1/4波片将原来x方向仅有参考光波、y方向仅有物光波的正交偏振光，变为x方向和y方向均含物光波和参考光波的左右圆偏振光，这两个圆偏振方向干涉条纹之间的相移量为180°。1/2波片211在物光波与参考光波之间产生随该波片绕z方向旋转角度变化的相移量，相移量大小等于1/2波片211快轴与x方向夹角的4倍，可用于实现时域相移。再用第二非偏振分光棱镜212将这个正交偏振光分解为传输方向相互垂直的两个正交偏振光，在透射方向放置偏振方向与y方向相同的x向偏振片214，获得沿y方向偏振的干涉光场；在反射方向放置偏振方向与x方向相同的z向偏振片215，获得沿x方向偏振的干涉光场；通过光电图像传感器x向CCD216和光电图像传感器z向CCD217分别记录，即可在两个通道上获得相移量为180°的两幅相移干涉条纹图。

要在两个通道上获得相移量为90°的两幅相移干涉条纹图，只需在第二非偏振分光棱镜212与偏振片x向214之间插入快轴方向与x方向夹角为22.5°的1/2波片213即可。

如果需要采用常用的相移方法如采用4步、5步或N步相移算法，或需要对系统进行校正时，只需将1/2波片211绕z方向旋转，即可通过两个通道上的光电图像传感器x向CCD216和z向CCD217获得两套相位差为90°或180°的时域相移干涉图。

本发明的实施方式不限于此，在本发明上述基本技术思想前提下，按照本领域的普通技术知识和惯用手段对本发明内容所做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明申请保护范围之内。

Claims (8)

1.基于正交偏振光的双通道时空混合相移菲佐干涉仪，其特征在于：所述干涉仪包括光源及光源调整单元、分光准直单元、信号提取和时域相移单元、成像单元、空域相移单元、图像采集单元，其中，所述的光源及光源调整单元包括光源（101）、滤光片（102）、偏振调整器（103）和光束扩展透镜与空间滤波组件（104），所述的分光准直单元包括第一非偏振分光棱镜（105）和准直透镜（106），所述的光源（101）、滤光片（102）、偏振调整器（103）、光束扩展透镜与空间滤波组件（104）、第一非偏振分光棱镜（105）、准直透镜（106）和信号提取和时域相移单元（107）沿z方向的正方向依次设置，信号提取和时域相移单元（107）正对待测量物体（108），所述的成像单元为成像物镜（109），所述的空域相移单元包括1/2波片（110）、第二非偏振分光棱镜（111）、x向偏振片（113）和z向偏振片（114），构成双通道，所述的图像采集单元包括x向CCD（115）和z向CCD（116），所述的成像物镜（109）、1/2波片（110）、第二非偏振分光棱镜（111）、x向偏振片（113）和x向CCD（115）沿x方向的正方向依次设置，1/2波片（110）的快轴方向与x方向呈22.5°的夹角，并且所述的第一非偏振分光棱镜（105）处于x方向与z方向相交的交点处，所述的z向偏振片（114）与x向偏振片（113）以所述的第二非偏振分光棱镜（111）为基点，按照相互垂直偏振位置的方向放置，z向偏振片（114）和z向CCD（116）沿与z方向的负方向相平行的方向设置，z向CCD（116）和x向CCD（115）在两个通道上，用于采集待测量物体（108）的具有相移量的干涉条纹图。

2.根据权利要求1所述的基于正交偏振光的双通道时空混合相移菲佐干涉仪，其特征在于：所述第二非偏振分光棱镜（111）和x向偏振片（113）之间还增设有1/4波片（112），该1/4波片（112）的快轴方向与x方向呈45°的夹角，用于采集相移量为90°的条纹图，使得两步算法提取的相位更精确。

3.根据权利要求1或2所述的基于正交偏振光的双通道时空混合相移菲佐干涉仪，其特征在于：所述的信号提取和时域相移单元（107）包括偏振分光棱镜（1071）、可移动平台（1072）和固定平台（1073），所述固定平台（1073）具有压电陶瓷微位移器，可移动平台（1072）安装在固定平台（1073）上，并且与压电陶瓷微位移器相连接，能够在压电陶瓷微位移器驱动下产生相移，所述的偏振分光棱镜（1071）安装在可移动平台（1072）上，与可移动平台（1072）联动，所述的偏振分光棱镜（1071）位于z方向上，位于准直透镜（106）与待测量物体（108）之间，并且正对待测量物体（108）。

4.根据权利要求3所述的基于正交偏振光的双通道时空混合相移菲佐干涉仪，其特征在于：所述的信号提取和时域相移单元（107还增设有反射镜（1074），所述的反射镜（1074）也安装在可移动平台（1072）上，反射镜（1074）正对偏振分光棱镜（1071），并且垂直于y方向。

5.基于正交偏振光的双通道时空混合相移菲佐干涉仪，其特征在于：所述干涉仪包括光源及光源调整单元、分光准直单元、信号提取单元、成像单元、空域相移单元、图像采集单元，其中，所述的光源及光源调整单元包括光源（201）、滤光片（202）、偏振调整器（203）和光束扩展透镜与空间滤波组件（204），所述的分光准直单元包括第一非偏振分光棱镜（205）和准直透镜（206），所述的光源（201）、滤光片（202）、偏振调整器（203）、光束扩展透镜与空间滤波组件（204）、第一非偏振分光棱镜（205）、准直透镜（206）和信号提取单元（207）沿z方向的正方向依次设置，信号提取单元（207）正对待测量物体（208），所述的成像单元为成像物镜（209），所述的空域相移单元包括1/4波片（210）、1/2波片（211）、第二非偏振分光棱镜（212）、x向偏振片（214）和z向偏振片（215），构成双通道，所述的图像采集单元包括x向CCD（216）和z向CCD（217），所述的成像物镜（209）、1/4波片（210）、1/2波片（211）、第二非偏振分光棱镜（212）、x向偏振片（214）和x向CCD（216）沿x方向的正方向依次设置，1/4波片（210）的快轴方向与x方向呈45°的夹角，所述的第一非偏振分光棱镜（205）处于x方向与z方向相交的交点处，所述的z向偏振片（215）与x向偏振片（214）以所述的第二非偏振分光棱镜（212）为基点，按照相互垂直偏振位置的方向放置，z向偏振片（215）和z向CCD（217）沿与z方向的负方向相平行的方向设置，z向CCD（217）和x向CCD（216）在两个通道上，用于采集待测量物体（208）的具有相移量的干涉条纹图。

6.根据权利要求5所述的基于正交偏振光的双通道时空混合相移菲佐干涉仪，其特征在于：所述第二非偏振分光棱镜（212）和x向偏振片（214）之间还增设有1/2波片（213），该1/2波片（213）的快轴方向与x方向呈22.5°的夹角，用于采集相移量为90°的条纹图，使得两步算法提取的相位更精确。

7.根据权利要求5或6所述的基于正交偏振光的双通道时空混合相移菲佐干涉仪，其特征在于：所述的信号提取单元（207）包括偏振分光棱镜（2071）、固定平台（2072）和固定平台座（2073），所述的固定平台（2072）安装在固定平台座（2073）上，所述的偏振分光棱镜（2071）安装在固定平台（2072）上，所述的偏振分光棱镜（2071）位于z方向上，位于准直透镜（206）与待测量物体（208）之间，并且正对待测量物体（208）。

8.根据权利要求7所述的基于正交偏振光的双通道时空混合相移菲佐干涉仪，其特征在于：所述的信号提取单元（207）还增设有反射镜（2074），所述的反射镜（2074）也安装在固定平台座（2073）上，反射镜（2074）正对偏振分光棱镜（2071），并且垂直于y方向。

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