CN104457559A - 一种基于反射光栅的同步相移点衍射干涉检测方法 - Google Patents

Abstract

基于反射光栅的同步相移点衍射干涉检测方法属于光学干涉检测领域。该方法将测量光束经第一傅里叶透镜以及非偏振分光棱镜后分成参考光和物光；参考光经小孔反射镜滤波反射后射向非偏振分光棱镜，物光经反射光栅反射并衍射生成+1级、0级和-1级三束物光，射向非偏振分光棱镜；汇合于非偏振分光棱镜参考光和物光共同经过第二傅里叶透镜变换后射向图像传感器，通过一次曝光采集获得三幅强度分布分别为I₊₁、I₀和I_-1的干涉图；代入公式计算获得待测物体的相位分布；本发明兼顾了测量分辨力、测量效率以及测量窗口的视场，且检测系统结构简单，不需特殊光学元件，检测过程中无需任何机械移动。

Description

一种基于反射光栅的同步相移点衍射干涉检测方法

技术领域

本发明属于光学干涉检测技术领域，特别涉及一种基于反射光栅的同步相移点衍射干涉检测方法。

背景技术

光学干涉检测法因其非接触、分辨力高、无须对样品做特殊处理等独特特点，已被广泛的应用于光学表面、形变及厚度等检测领域。目前的光学干涉检测结构可分为分离光路和共光路两种：分离光路干涉仪，如泰曼-格林干涉仪、马赫-曾德干涉仪等因为参考光束和测量光束通过不同路径进行干涉，易受外界振动、温度起伏等影响。相比于分离光路干涉仪，共光路干涉仪因为参考光束和测量光束经过完全相同的光学路径进行干涉，其对外界振动、温度起伏等不敏感，具有抗干扰能力强等优点，在光学干涉检测领域备受关注。共光路干涉仪一种典型结构为点衍射干涉仪，但早期的点衍射干涉仪定量测量能力较差，为了弥补这一缺点，国内外学者作了很多有益尝试并逐渐提出反射式点衍射的结构。

以色列学者N.T.Shaked提出一种反射式离轴点衍射显微干涉仪(Shaked N.T.“Quantitative phase microscopy of biological samples using a portableinterferometer,”Opt.Lett.,37(11),2016-2018(2012).)，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通过非偏振分光棱镜与参考光再度汇合。该检测方法只需采集一幅干涉图便可获取定量相位信息，测量效率高，但因为方法基于离轴结构进行，牺牲了相机的空间带宽和空间采样能力，进而限制了系统空间分辨力，而且在相位恢复过程中容易丢失待测样品的高频信息。

西安光机所的郭荣礼等提出了一种反射式点衍射同轴显微干涉仪(R.Guo,B.Yao,P.Gao,J.Min,J.Zheng,T.Ye.“Reflective Point-diffraction microscopicinterferometer with long term stability.”COL 2011,9(12):120002.)，通过引入偏振相移技术，按时间顺序曝光采集四幅相移干涉图，但该方法需要旋转偏振元件来实现相移，操作复杂度高。

专利201310206690.1“一种反射式点衍射离轴同步移相干涉检测装置与检测方法”通过引入基于偏振分光棱镜的分光同步正交相移技术，通过一次曝光采集获得两幅正交相移，在保证测量效率的同时，提高了系统测量分辨力，但因为利用偏振方法引入相移，因而系统中需要偏振片、偏振分光棱镜等偏振元件，且相位恢复算法相对复杂。

为提高系统测量分辨力，简化系统结构，本发明人提出系列利用光栅引入相移的共路干涉检测方法与装置，如专利201410431707.8“基于反射光栅的相移点衍射干涉检测装置与方法”通过横向移动反射光栅获得不同相移的干涉图，进而利用相移法恢复待测物体相位，具有原理简单、调控精度高等优点，但是该方法需要在检测过程中移动光栅来获得多幅相移图恢复相位，造成检测方法的实时性差；专利CN 102538986 B“基于三窗口的共光路干涉检测方法与装置”将测量窗口设置为三部分，结合一维透射周期光栅，通过一次曝光采集获得三幅干涉图完成测量，实时性好，但是该方法测量窗口视场利用率低。

发明内容

本发明是为了解决现有反射式点衍射结构存在的问题，提供一种基于反射光栅的同步相移点衍射干涉检测方法。

本发明所属的基于反射光栅的同步相移点衍射干涉检测方法，包括以下步骤：

(a)调整光源，使光源发射的光束经准直扩束系统准直扩束后经过窗口形成平行测量光束，该测量光束照射待测物体后，射向第一傅里叶透镜，经其傅里叶变换后再经非偏振分光棱镜后形成参考光和物光；

(b)参考光聚焦入射至小孔反射镜，经其滤波反射后再次射回非偏振分光棱镜，物光聚焦入射至反射光栅，其特征是经其反射并衍射生成+1级、0级和-1级三束物光，且该三束物光光场分布满足：O_n(x,y)＝C_n·O(x-nλf/d,y),其中C_n＝0.5exp(i2πnu₀/d)·sinc(n/2)，u₀为反射光栅的初始偏移量，d为反射光栅周期，n为衍射级次，O(x,y)为平行测量光束照射待测物体后的光场分布，λ为光源的波长，f为透镜的焦距，而后三束光射回非偏振分光棱镜；

(c)汇合于非偏振分光棱镜参考光和物光共同进入第二傅里叶透镜，经其变换后射向图像传感器，由图像传感器及与图像传感器相连的计算机通过一次曝光采集获得三幅强度分布分别为I₊₁、I₀和I_-1的干涉图样；

(d)待测物体的相位分布可由以下公式计算获得：

其中P()进行归一化处理并线性拉伸到-1～+1之间。

本发明对比已有技术有以下特点和有益效果：

1.利用反射光栅生成三级衍射光，结合反射式点衍射干涉系统，只需一次曝光采集干涉图便可完成待测物体相位恢复，这是区别于现有技术的创新点；

2.本发明兼顾了测量分辨力、测量效率以及测量窗口的视场，检测所需系统结构简单，不需特殊光学元件，检测过程中无需任何机械移动。

附图说明

图1为本发明基于反射光栅的同步相移点衍射干涉检测方法示意图；

图2为计算机通过一次曝光采集获得的三幅干涉图样；

图3为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

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明方法利用的装置包括：光源1，准直扩束系统2、窗口3、待测物体4、第一傅里叶透镜5、非偏振分光棱镜6、小孔反射镜7、反射光栅8、第二傅里叶透镜9和图像传感器10及与图像传感器相连的计算机11，其中光源1为波长632.8nm的He-Ne激光；窗口3的孔径为1.8mm；第一傅里叶透镜5和第二傅里叶透镜9的焦距均为f＝250mm；小孔反射镜7的小孔直径为30μm，反射光栅8为周期d＝100μm且安装在微位移平台的反射式Ronchi光栅，小孔反射镜7和反射光栅8均位于第一傅里叶透镜5和第二傅里叶透镜9的共轭焦面上；图像传感器10位于第二傅里叶透镜9的后焦面上。该装置光的运行路径为：光源1发出的光，通过准直扩束系统2的准直扩束后，再通过窗口3和待测物体4，射向第一傅里叶透镜5和非偏振分光棱镜6后形成参考光和物光，参考光聚焦入射至小孔反射镜7，经其滤波反射后再次射向非偏振分光棱镜6，物光聚焦入射至反射光栅8，经其反射并衍射生成+1级、0级和-1级三束物光，射向非偏振分光棱镜6，最后射向图像传感器10形成干涉图样，与计算机11共同作用完成检测。

利用上述装置，本发明检测方法的具体实施方式包括以下步骤：

(a)调整光源1，使光源发射的光束经准直扩束系统2准直扩束后形成平行光束，该平行光束依次经过窗口3和待测物体4后，射向第一傅里叶透镜5，经其傅里叶变换后再经非偏振分光棱镜6后形成参考光和物光；

(b)参考光聚焦入射至小孔反射镜7，经其滤波反射后再次射向非偏振分光棱镜6，物光聚焦入射至反射光栅8，经其反射并衍射生成+1级、0级和-1级三束物光，射向非偏振分光棱镜6；

(c)汇合于非偏振分光棱镜6参考光和物光共同进入第二傅里叶透镜9，经其变换后射向图像传感器10，由图像传感器10及与图像传感器相连的计算机11通过一次曝光采集获得三幅强度分布分别为I₊₁、I₀和I_-1的干涉图；

(d)待测物体4的相位分布可由以下公式计算获得：

其中P()进行归一化处理并线性拉伸到-1～+1之间。

本发明兼顾了测量分辨力、测量效率以及测量窗口的视场，且系统结构简单，不需特殊光学元件和任何机械移动。

Claims (1)

1.一种基于反射光栅的同步相移点衍射干涉检测方法，其特征在于：包括以下步骤，

(a)调整光源，使光源发射的光束经准直扩束系统准直扩束后经过窗口形成平行测量光束，该测量光束照射待测物体后，射向第一傅里叶透镜，经其傅里叶变换后再经非偏振分光棱镜后形成参考光和物光；

(b)参考光聚焦入射至小孔反射镜，经滤波反射后再次射回非偏振分光棱镜，物光聚焦入射至反射光栅，经反射衍射生成+1级、0级和-1级三束物光，且三束物光光场分布满足：O_n(x,y)＝C_n·O(x-nλf/d,y),其中C_n＝0.5exp(i2πnu₀/d)·sinc(n/2)，u₀为反射光栅的初始偏移量，d为反射光栅周期，n为衍射级次，O(x,y)为平行测量光束照射待测物体后的光场分布，λ为光源的波长，f为透镜的焦距，而后三束光射回非偏振分光棱镜；

(c)汇合于非偏振分光棱镜参考光和物光共同进入第二傅里叶透镜，经其变换后射向图像传感器，由图像传感器及与图像传感器相连的计算机通过一次曝光采集获得三幅强度分布分别为I₊₁、I₀和I_-1的干涉图样；

(d)待测物体的相位分布

其中P()进行归一化处理并线性拉伸到-1～+1之间。