CN105300272A - 基于微偏振片阵列的动态点衍射干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微偏振片阵列的动态点衍射干涉仪，包括激光器、位于激光器出射光束光路上的扩束准直系统、起偏器、第一四分之一波片和聚焦透镜；还包括衍射针孔位于聚焦透镜焦点处的衍射模板、衍射光路中的第二四分之一波片、被测件、成像透镜、微偏振片阵列和感光元件。由衍射模板的小孔中衍射的一部分光经第二四分之一波片到达被测件，由被测件反射的光再次经过第二四分之一波片后被衍射模板反射，经成像透镜和微偏振片阵列被感光元件接收；由衍射模板的小孔中衍射的另一部分光直接经成像透镜和微偏振片阵列被感光元件接收。本发明一次曝光即可获得四幅相移图像，达到实时检测的效果；简化了产生相移的装置，抗振要求降低。

Description

基于微偏振片阵列的动态点衍射干涉仪

技术领域

本发明属于光学测量领域，具体是一种基于微偏振片阵列的动态点衍射干涉仪。

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，并可以进行实施相移分析。目前微偏振片阵列的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。

随着微电子、航天航空等高科技前沿领域对于光学球面面形精度的要求不断提高，同时也对球面检测精度提出了很高的要求。虽然Twyman-Green型、Fizeau型球面干涉检测系统以及绝对检测法等传统球面干涉检测技术仍是目前应用最广的检测手段，但其精度都受到了参考标准镜面形精度的限制，因而难以满足高精度球面检测的需求。

点衍射干涉仪检测技术的基本思想是利用点衍射原理来获得理想球面波，并将衍射波前的一部分作为参考波前，另一部分作为检测波前，通过测量检测波前与参考波前的相位差，得到被测件的面形误差。利用点衍射原理获得理想球面波前，避免了传统干涉检测系统中由于标准镜面形误差对于系统检测精度的限制，因而可以达到衍射极限性能的分辨率，并使得检测精度具有较好的再现性。

在点衍射干涉中，要测量检测波前与参考波前的相位差，采用相移的方法，通过采集多帧相移图像计算得到。目前的点衍射干涉技术中，通过压电陶瓷改变物光或参考光的光程实现相移，这种技术需要在不同光程时刻分别记录干涉图像，因此只能应用于静态和准静态测量，对抗振要求较高。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于微偏振片阵列实现一次曝光即可获得多幅相移图像的点衍射干涉仪，解决了传统点衍射干涉仪需要多次曝光才能获得多幅相移图像的问题，同时简化了以往点衍射干涉仪中用来产生相移量的装置，可实现实时检测，降低了抗振要求。

本发明的技术解决方案是：

一种基于微偏振片阵列的动态点衍射干涉仪，包括激光器、沿该激光器出射光束光路上依次放置的扩束准直系统、起偏器、第一四分之一波片和聚焦透镜，以及位于该聚焦透镜焦点处的衍射模板，其特点在于，沿所述的衍射模板一部分衍射光束光路上依次设置有第二四分之一波片和被测件，沿该衍射模板另一部分衍射光束光路上依次设置有成像透镜、微偏振片阵列和感光元件；由所述的衍射模板衍射的一部分衍射光经第二四分之一波片到达被测件后被反射，该被测件反射的光再次经过第二四分之一波片到达衍射模板后反射，该被衍射模板反射的光经成像透镜和微偏振片阵列被感光元件接收；由所述的衍射模板的衍射的另一部分衍射光直接经成像透镜和微偏振片阵列被感光元件接收；所述微偏振片阵列单元尺寸与感光元件像素尺寸相同，即一一对应关系,微偏振片阵列集成在感光元件靶面上，并且两者的单元相互对准。

作为本发明的进一步改进，所述的基于微偏振片阵列的动态点衍射干涉仪，其特征在于：微偏振片阵列的每相邻2×2单元的透偏振方向分别为0°，45°，90°和135°，所述微偏振片阵列单元尺寸与感光元件的像素尺寸相同，微偏振片阵列集成在感光元件靶面上，并且两者的单元相互对准。

作为本发明的进一步改进，所述的基于微偏振片阵列的动态点衍射干涉仪，其特征在于：衍射模板包括玻璃基底、金属反射膜和衍射针孔，金属反射膜镀于玻璃基底上，金属反射膜中心设有一个衍射针孔；聚焦透镜出射的光束依次经过玻璃基底和金属反射膜上的衍射针孔。

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是本发明基于微偏振片阵列的动态点衍射干涉仪示意图。

图2是微偏振片阵列结构示意图。

其中：1、激光器，2、扩束准直系统，3、起偏器，4、第一四分之一波片，5、聚焦透镜，6、衍射模板，7、第二四分之一波片，8、被测件，9、成像透镜，10、微偏振片阵列，11、感光元件，61、玻璃基底，62、金属反射膜，63、衍射针孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明的基于微偏振片阵列的动态点衍射干涉仪，包括激光器1、扩束准直系统2、起偏器3、第一四分之一波片4、聚焦透镜5、衍射模板6、第二四分之一波片7、被测件8、成像透镜9、微偏振片阵列10和感光元件11。

本发明为实现一次曝光得到四个相移量，在感光元件11前面集成了微偏振片阵列10，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2所示，每个像素单元都为一个偏振片，其透偏振方向如图所示方向，偏振片阵列与感光元件11配套使用，紧贴在感光元件11上面。微偏振片阵列10的单元尺寸与感光元件11像素单元尺寸相同，即一一对应关系。

本发明所述的衍射模板6为现有技术中的衍射模板，包括玻璃基底61、金属反射膜62和衍射针孔63。

本发明所述的激光器1、扩束准直系统2、起偏器3、第一四分之一波片4、聚焦透镜5、第二四分之一波片7、成像透镜9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。

本发明的基于微偏振片阵列的动态点衍射干涉仪的具体结构如图1所示，其工作过程如下所述：

由激光器1发出的激光经扩束准直系统2扩束后照射到起偏器3上，经起偏器3透射的光为特定方向的线偏振光，线偏振光经第一四分之一波片4后为左旋圆偏振光(或右旋圆偏振光)。左旋圆偏振光(或右旋圆偏振光)经聚焦透镜5汇聚后聚焦到衍射模板6的衍射针孔63处，衍射出左旋圆偏振(或右旋圆偏振)球面波。由衍射针孔63衍射的左旋圆偏振(或右旋圆偏振球面波)球面波，一部分直接经成像透镜9和偏振片阵列10到达感光元件11，该部分光为参考光；另一部分透过第二四分之一波片7照射到被测件8上，经被测件8反射的光再次经过第二四分之一波片7到达衍射模板6，被衍射模板6上的金属反射膜62反射后经成像透镜9和微偏振片阵列10到达感光元件11，该部分光为物光。由于物光两次经过第二四分之一波片7，其偏振态反向，由左旋圆偏振(或右旋圆偏振)变为右旋圆偏振(或左旋圆偏振)，因此透过微偏振片阵列10之前的物光和参考光分别为右旋圆偏振和左旋圆偏振(或左旋圆偏振和右旋圆偏振)，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内的微偏振片单元的光强与微偏振片阵列10内的微偏振片单元的透偏振方向有关。

两束光的光强分别为I₁和I₂，位相差为Δφ，微偏振片阵列10的微偏振片单元的透偏振方向为α，则感光元件11所接收到的光强信息为

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

现有技术中的微偏振片阵列10的每相邻2×2个微偏振片单元构成一个超像素，这四个微偏振片单元的透偏振方向分别为0,1/4π，1/2π和3/4π。

由上述公式，感光元件11每相邻2×2像素单元记录的光强值不同，得到下述四个相移公式：

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

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

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

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

因此一次曝光即可得到四幅相移图像，相位差Δφ的值为

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

由衍射模板6的衍射针孔63衍射的参考光为理想的球面波，通过计算两束光的相位差，即可获得被测球面的面形误差。

Claims (3)

1.一种基于微偏振片阵列的动态点衍射干涉仪，包括激光器(1)、沿该激光器出射光束光路上依次放置的扩束准直系统(2)、起偏器(3)、第一四分之一波片(4)和聚焦透镜(5)，以及位于该聚焦透镜(5)焦点处的衍射模板(6)，其特征在于，沿所述的衍射模板(6)一部分衍射光束光路上依次设置有第二四分之一波片(7)和被测件(8)，沿该衍射模板(6)另一部分衍射光束光路上依次设置有成像透镜(9)、微偏振片阵列(10)和感光元件(11)；由所述的衍射模板(6)衍射的一部分衍射光经第二四分之一(7)波片到达被测件(8)后被反射，该被测件(8)反射的光再次经过第二四分之一波片(7)到达衍射模板(6)后反射，该被衍射模板(6)反射的光经成像透镜(9)和微偏振片阵列(10)被感光元件(11)接收；由所述的衍射模板(6)的衍射的另一部分衍射光直接经成像透镜(9)和微偏振片阵列(10)被感光元件(11)接收；所述微偏振片阵列(10)单元尺寸与感光元件(11)像素尺寸相同，即一一对应关系,微偏振片阵列(10)集成在感光元件(11)靶面上，并且两者的单元相互对准。

2.根据权利要求1所述的基于微偏振片阵列的动态点衍射干涉仪，其特征在于：所述的微偏振片阵列的每相邻2×2单元的透偏振方向分别为0°，45°，90°和135°。

3.根据权利要求1所述的基于微偏振片阵列的动态点衍射干涉仪，其特征在于：所述的衍射模板(6)包括玻璃基底(61)、金属反射膜(62)和衍射针孔(63)，所述的金属反射膜(62)镀于玻璃基底(61)上，所述的衍射针孔(63)设置于金属反射膜(62)的中心；聚焦透镜(5)出射的光束依次经过玻璃基底(61)和金属反射膜(62)上的衍射针孔(63)。