CN105300273B - 条纹对比度可调的动态点衍射干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种条纹对比度可调的动态点衍射干涉仪，包括短相干激光器、可调中性滤波片、二分之一波片、偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第一角反射镜、第二四分之一波片、第二角反射镜、显微物镜、光纤、衍射模板、被测件、第三四分之一波片、成像透镜、微偏振片阵列和感光元件。本发明实现一次曝光即可获得一次曝光即可获得四幅相移图像，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；干涉条纹对比度可调，适用于不同反射率的球面检测。
Description
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条纹对比度可调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
为了解决现有方法中存在的问题，本发明提出了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。另外本发明的点衍射干涉仪条纹对比度可调节，从而实现对待测球面，尤其是低反射率球面的高精度测量。
本发明的技术解决方案是：
一种条纹对比度可调的动态点衍射干涉仪，包括短相干激光器、沿该短相干激光器出射光束光路上依次放置的可调中性滤波片、二分之一波片和偏振分光棱镜，沿该偏振分光棱镜的透射光路上依次设置有第一四分之一波片和第一角反射镜，沿该偏振分光棱镜的反射光束光路上依次设置有第二四分之一波片和第二角反射镜，其特点在于，所述的偏振分光棱镜的第四方设置有显微物镜，使分别由第一角反射镜和第二角反射镜反射的光束经偏振分光棱镜汇聚在所述的显微物镜上，该显微物镜通过光纤与衍射模板相连，沿该衍射模板一部分衍射光束光路上设置有被测件，沿该衍射模板另一部分衍射光束光路上依次设置有第三四分之一波片、成像透镜、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到达被测件后被反射，由该被测件反射的光到达衍射模板后再次被反射，该被衍射模板反射的光，经依次第三四分之一波片、成像透镜和微偏振片阵列后被感光元件接收；由衍射模板的衍射的另一部分衍射光直接经所述的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，所述的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。
偏振分光棱镜将入射光分为两束互相垂直的线偏振光：透射的线偏振光经过第一四分之一波片后到达第一角反射镜，经第一角反射镜反射后再次经过第一四分之一波片到达偏振分光棱镜，偏振方向旋转了90度，经偏振分光棱镜反射到达显微物镜，称之为第一光束；反射的线偏振光经过第二四分之一波片后到达第二角反射镜，经第二角反射镜反射后再次经过第二四分之一波片到达偏振分光棱镜，偏振方向旋转了90度，经偏振分光棱镜透射到达显微物镜，称之为第二光束。两束互相垂直的线偏振光沿光纤传播到达衍射模板，衍射出两束偏振方向互相垂直的近似标准球面波。两束球面光波分别有一部分到达被测件，经被测件表面反射后回到衍射模板，经衍射模板的金属反射膜反射后，经四分之一波片、成像透镜和微偏振片阵列后到达感光元件，为物光；两束球面光波分别有另一部分直接经四分之一波片、成像透镜和偏振片阵列直接到达感光元件，为参考光。调节第二角反射镜的位置，以改变第二光束的光程，使得第一光束的物光与第二光束的参考光的光程差在短相干激光器的相干长度内，能够发生干涉，产生干涉条纹，而第一光束的参考光和第二光束的物光不能与其他光束发生干涉，成为背景光。通过调节二分之一波片的角度调节两束光的光强比，可以调节干涉条纹对比度。
作为本发明的进一步改进，所述的条纹对比度可调的动态点衍射干涉仪，其特征在于：第二角反射镜可沿其光轴方向移动。
作为本发明的进一步改进，所述的条纹对比度可调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，所述的条纹对比度可调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；光纤出射端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；
4、条纹对比度可调，适用于不同反射率球面测量。
附图说明
图1是本发明基于微偏振片阵列的条纹对比度可调的动态点衍射干涉仪。
图2是微偏振片阵列结构示意图。
其中：1、短相干激光器，2、可调中性密度滤波片，3、二分之一波片，4、偏振分光棱镜，5、第一四分之一波片，6、第一角反射镜，7、第二四分之一波片，8、第二角反射镜，9、显微物镜，10、光纤，11、衍射模板，12、被测件，13、第三四分之一波片，14、成像透镜，15、微偏振片阵列，16、感光元件。
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。
请参阅图1，图1是本发明基于微偏振片阵列的条纹对比度可调的动态点衍射干涉仪，如图所示，一种条纹对比度可调的动态点衍射干涉仪，包括短相干激光器1、位于短相干激光器1出射光束光路上的可调中性滤波片2、位于可调中性滤波片2透射光束光路上的二分之一波片3、位于二分之一波片3透射光束光路上的偏振分光棱镜4、位于偏振分光棱镜4透射光路上的第一四分之一波片5、位于第一四分之一波片5透射光束光路上的第一角反射镜6、位于偏振分光棱镜4反射光束光路上的第二四分之一波片7、位于第二四分之一波片7透射光束光路上的第二角反射镜8、位于第一角反射镜6和第二角反射镜8反射光束经偏振分光棱镜4汇聚光束光路上的显微物镜9、与显微物镜相连的光纤10、与光纤10出光端相连的衍射模板11、位于衍射模板11一部分衍射光束光路中的被测件12、位于衍射模板11另一部分衍射光束光路中的第三四分之一波片13、位于第三四分之一波片13出射光束光路上的成像透镜14、位于成像透镜14出射光路上且单元尺寸与感光元件16像素尺寸相同的微偏振片阵列15和偏振片阵列15集成在一起的感光元件16，由衍射模板11衍射的一部分光到达被测件12，由被测件12反射的光被衍射模板11反射，经第三四分之一波片13、成像透镜14和微偏振片阵列15被感光元件16接收；由衍射模板11的衍射的另一部分光直接经成像透镜14和微偏振片阵列15被感光元件16接收；所述微偏振片阵列15的单元尺寸与感光元件16像素单元尺寸相同，即一一对应关系。
本发明为实现一次曝光得到四个相移量，在感光元件16前面集成了微偏振片阵列15，微偏振片阵列15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16配套使用，紧贴在感光元件16上面。微偏振片阵列的单元尺寸与感光元件16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11为现有技术中的衍射模板，包括玻璃基底111、金属反射膜112和衍射针孔113。
本发明所述的短相干激光器1、可调中性滤波片2、二分之一波片3、偏振分光棱镜4、第一四分之一波片5、第一角反射镜6、第二四分之一波片7、第二角反射镜8、显微物镜9、光纤10、第三四分之一波片13、成像透镜14、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16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：
由短相干激光器1发出的激光经可调中性滤波器2和二分之一波片2照射到偏振分光棱镜4上，分成两束互相垂直的线偏振光：透射的线偏振光经第一四分之一波片5透射和第一角反射镜6反射后，再次到达偏振分光棱镜4，线偏振方向旋转了90°，满足偏振分光棱镜4的反射条件，被偏振分光棱镜4反射，为第一光束；由二分之一波片2照射到偏振分光棱镜4后被反射的线偏振光经第二四分之一波片7和第二角反射镜8反射后，再次到达偏振分光棱镜4，线偏振方向旋转了90°，满足偏振分光棱镜4的透射条件，被偏振分光棱镜4透射，为第一光束。第一光束和第二光束仍为互相垂直的线偏振光，经偏振分光棱镜4汇合后，经显微物镜9后沿光纤10传输，到达衍射模板11后经衍射模板的衍射针孔113发生衍射，衍射出两束偏振方向互相垂直的理想球面波。对于每一束光束，一部分衍射光照射到被测件12后被其表面反射，反射的光经衍射模板11上的金属反射膜112反射后，经四分之一波片13、成像透镜14和微偏振片阵列15后被感光元件16接收，该部分光束为物光；另一部分衍射光直接经四分之一波片13、成像透镜14和微偏振片阵列15后被感光元件16接收，该部分光束为参考光。由于所用激光器1为短相干激光器，同一束光衍射后的物光和参考光光程差超过了短相干激光的相干长度，不能发生干涉。调节第二角反射镜8沿其光轴方向移动，使得第二光束的参考光与第一光束的物光的光程差在相干长度内，能够发生干涉，生成干涉条纹；而第二光束的物光与第一光束的参考光都不能与其他光束发生干涉，生成背景光。通过调节二分之一波片3的角度，可以调节经偏振分光棱镜4反射和透射的两束光强比，即第一光束和第二光束的光强比，从而调节干涉条纹对比度。
对于发生相干的由第二光束的参考光与第一光束的物光，两束光为互相垂直的线偏振光，经过第三四分之一波片13后，两束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)，两束圆偏振光经过微偏振片阵列15时，透过微偏振片阵列15内的微偏振片单元的光强与微偏振片阵列15内的微偏振片单元的透偏振方向有关。
两束相干光的光强分别为I1和I2，位相差为Δφ，微偏振片阵列15的微偏振片单元的透偏振方向为α，则感光元件16所接收到的光强信息为
现有技术中的微偏振片阵列15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16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：
因此一次曝光即可得到四幅相移图像，相位差Δφ的值为
由衍射模板11的衍射针孔113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 (4)
1.一种条纹对比度可调的动态点衍射干涉仪，包括短相干激光器(1)、沿该短相干激光器(1)出射光束光路上依次放置的可调中性滤波片(2)、二分之一波片(3)和偏振分光棱镜(4)，沿该偏振分光棱镜(4)的透射光路上依次设置有第一四分之一波片(5)和第一角反射镜(6)，沿该偏振分光棱镜(4)的反射光束光路上依次设置有第二四分之一波片(7)和第二角反射镜(8)，其特征在于，所述的偏振分光棱镜(4)的第四方设置有显微物镜(9)，使分别由第一角反射镜(6)和第二角反射镜(8)反射的光束经偏振分光棱镜(4)汇聚在所述的显微物镜(9)上，该显微物镜(9)通过光纤(10)与衍射模板(11)相连，沿该衍射模板(11)一部分衍射光束光路上设置有被测件(12)，沿该衍射模板(11)另一部分衍射光束光路上依次设置有第三四分之一波片(13)、成像透镜(14)、偏振片阵列(15)和感光元件(16)；由所述的衍射模板(11)衍射的一部分衍射光到达被测件(12)后被反射，由该被测件(12)反射的光到达衍射模板(11)后再次被反射，该被衍射模板(11)反射的光，经依次第三四分之一波片(13)、成像透镜(14)和微偏振片阵列(15)后被感光元件(16)接收；由衍射模板(11)的衍射的另一部分衍射光直接经所述的成像透镜(14)和微偏振片阵列(15)被感光元件(16)接收；所述微偏振片阵列(15)的单元尺寸与感光元件(16)像素单元尺寸相同，即一一对应关系，所述的微偏振片阵列(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所述的条纹对比度可调的动态点衍射干涉仪，其特征在于：所述的第二角反射镜(8)可沿自身光轴方向移动。
3.根据权利要求1所述的条纹对比度可调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°。
4.根据权利要求1所述的条纹对比度可调的动态点衍射干涉仪，其特征在于：所述的衍射模板(11)包括玻璃基底(111)、金属反射膜(112)和衍射针孔(113)，金属反射膜(112)镀于玻璃基底(111)上，所述的衍射针孔(113)设置在金属反射膜(112)的中心，所述的光纤(10)出射端的光束依次经过玻璃基底(111)和金属反射膜(112)上的衍射针孔(113)。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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