CN114459619B - 一种相移量实时在线测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相移量实时在线测量装置及方法，该装置包括Wollaston棱镜、可移动透镜、偏振片和图像传感器。该发明根据Wollaston棱镜的偏振分光特性，将从偏振干涉测量光场分离出的共路传输正交偏振光变为偏振方位相互垂直、传输方向有一定夹角的两束光波，经可移动透镜合束后，通过偏振片将二者投影到相同偏振态，最后由相移量测量数字相机采集得到空间载频干涉条纹。利用相移量测量相机与干涉测量系统自身携带的相机同步地采集相移干涉条纹图，即可利用相移量测量数字相机采集得到的空间载频干涉图高精度地提取出与测量光场同步的相移量。从而消除相移与标称值不符而产生的相位测量误差，大幅度提高相移干涉测量的精度。

Description

一种相移量实时在线测量装置及方法
技术领域
本发明涉及相移干涉测量技术领域，具体涉及一种相移量实时在线测量装置及方法。
背景技术
相移干涉测量技术作为一种通用的数据获取以及数据分析方法，凭借高精度、非侵入、无损伤等优点已经成为相位测量以及波前检测的重要手段。相移干涉测量技术的基本原理是在干涉仪的参考臂中放置精密的相移器，从而改变干涉仪中参考相位的大小，然后由电荷耦合器件记录一系列相移干涉图。通过这种方式将参考波前与被测波前的相位差以光强的形式记录下来，并结合相移算法，实现全场相位信息的定量测量。
在常用的相移干涉测量技术中，通常需要提前知道相移量的大小，并且相移量等于或固定于特定步长，这就要求对相移器进行严格的标定校准。但标定完成后的相移器在使用中存在一些问题。第一，安装过程中不可避免地会引入二次装配误差；第二，不同相移器会受到环境因素以及自身特性的影响，导致实际获得的相移量与预设相移量之间存在一定误差，例如使用液晶可变相位延迟器进行相移时容易受到环境温度以及入射光与其慢轴夹角的影响；第三，受测量系统稳定性和外界干扰影响，标定好的相移量与相移干涉图中的实际相移量不一致。由于标定相移量与实际相移量误差是限制相移干涉测量技术测量精度的一个最重要误差源，因此需要解决如何准确获得相移干涉图的实际相移量这一问题，从而提高相移干涉测量技术的测量精度。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种相移量实时在线测量装置及方法。该装置根据Wollaston棱镜的偏振分光特性，利用偏振相移干涉测量系统的参考波前与被测波前成功地构造出一组载频干涉条纹用于相移量的高精度提取。将该装置外接至偏振干涉测量系统中，能够实时、动态和在线地获得偏振相移干涉测量系统中相移器提供的相移量，从而消除由于相移不准而引入的测量误差，大幅度提高相移干涉测量技术的检测精度。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
第一方面，本发明提供一种相移量实时在线测量装置，用于偏振相移干涉测量系统，包括沿光路依次设置的Wollaston棱镜、可移动透镜、偏振片和图像传感器；
所述Wollaston棱镜的慢轴沿坐标轴x轴方向；
所述可移动透镜能够沿坐标轴x轴方向滑动，当需要测量相移量的偏振相移干涉测量系统照明光源为相干光时，将可移动透镜通过滑动移出光路；当需要测量相移量的偏振相移干涉测量系统照明光源为非相干光时，将可移动透镜通过滑动添加至光路中，将两束具有一定角度的正交偏振光汇聚至同一位置，从而实现参考波与被测波的波前匹配，最终获得高对比度的干涉条纹；
所述偏振片的透光轴在坐标轴x-y平面内且与x轴夹角为45°；
所述图像传感器采集载频干涉条纹后，利用傅里叶变换算法计算得到偏振相移干涉测量系统中相移器提供的相移量。
进一步地，所述图像传感器为单色黑白图像传感器。
第二方面，本发明提供一种相移量实时在线测量方法，采用所述相移量实时在线测量装置，包括以下步骤：
第1步：首先将偏振相移干涉测量系统出射的正交偏振光通过分光棱镜分为两个部分，其中第一部分由偏振相移干涉测量系统自身携带的相机采集，第二部分则进入相移量实时在线测量装置之中；
第2步：进入相移量实时在线测量装置的正交偏振光被Wollaston棱镜分开一定角度；
第3步：若偏振相移干涉测量系统照明光源为相干光，则将可移动透镜滑入或滑出光路，若偏振相移干涉测量系统照明光源为非相干光，则需要将可移动透镜滑入光路，将两束具有一定角度的正交偏振光汇聚至同一位置，从而实现参考波与被测波的波前匹配，最终获得具有较高对比度的干涉条纹；
第4步：经过可移动透镜的光由偏振片调整偏振方向后发生干涉并形成载频干涉条纹，随后载频干涉条纹由图像传感器采集；
第5步：控制偏振相移干涉测量系统的相移器进行相移，其中被测光场的干涉图由偏振相移干涉测量系统自身的相机采集，与此同时相移量实时在线测量装置生成的载频干涉条纹由图像传感器采集；
第6步：通过图像传感器获得载频干涉条纹后，利用傅里叶变换算法计算得到偏振相移干涉测量系统中相移器提供的相移量；
第7步：将计算得到的相移量代入偏振相移干涉测量系统自身相机采集得到的干涉图之中，从而实现被测光场的相位重建。
第三方面，本发明提供一种偏振相移干涉测量系统，基于压电陶瓷精密位移台相移的数字全息显微术，包括：激光器、起偏器、扩束准直镜、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、四分之一波片、第一反射镜、压电陶瓷精密位移台、二分之一波片、第二反射镜、载物台、无限远成像显微物镜、镜筒透镜、非偏振分光棱镜、第一检偏器、第一图像传感器、Wollaston棱镜、第二检偏器和第二图像传感器；
所述激光器发出线偏振光，偏振方向沿坐标轴x轴方向；
所述起偏器的透光轴在坐标轴x-y平面内且与x轴夹角为45°；
所述扩束准直镜将激光器发出光束的直径扩大10倍；
所述四分之一波片的慢轴在坐标轴x-y平面内且与x轴夹角为45°；
所述二分之一波片的慢轴在坐标轴x-z平面内且与x轴夹角为45°；
所述第一检偏器的透光轴在坐标轴x-y平面内且与x轴夹角为45°；
激光器出射的线偏振光经过起偏器调整偏振方向后垂直入射至扩束准直镜进行扩束，扩束后的光线经过第一偏振分光棱镜被分为P光与S光；其中P光经过第二偏振分光振棱镜与四分之一波片后入射在第一反射镜上，随后经过第二偏振分光棱镜反射并穿过二分之一波片后作为参考光，而S光由第二反射镜反射后穿过载物台上的待测物体，经物体散射后的成像光束被无限远成像物镜收集并通过镜筒透镜汇聚作为物光；物光与参考光由非偏振分光棱镜进行合束，透过非偏振分光棱镜的光经过第一检偏器调整偏振态后发生干涉并由第一图像传感器采集得到数字全息图；由非偏振分光棱镜反射的光则进入相移量实时在线测量装置；测量时，通过电源控制压电陶瓷精密位移台进行相移，由第一图像传感器采集得到一系列相移数字全息图，此时，相移量实时在线测量装置中的第二图像传感器同步采集一些列相移载频干涉图；通过采集得到的相移载频干涉图计算得到压电陶瓷精密位移台提供的相移量，并根据计算得到的相移量选取四幅相位差为0.5π弧度的相移数字全息图从而实现相位重建。
进一步地，所述激光器发出中心波长为632.8nm的线偏振光。
进一步地，所述第一图像传感器和第二图像传感器为单色黑白图像传感器。
第四方面，本发明提供一种偏振相移干涉测量系统，基于液晶空间光调制器相移的数字全息显微术，包括：激光器、起偏器、扩束准直镜、液晶空间光调制器、偏振分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜、载物台、无限远成像显微物镜、镜筒透镜、非偏振分光棱镜、第一检偏器、第一图像传感器、Wollaston棱镜、第二检偏器和第二图像传感器；
所述激光器发出线偏振光，偏振方向沿坐标轴x轴方向；
所述起偏器的透光轴在坐标轴x-y平面内且与x轴夹角为45°；
所述扩束准直镜将激光器发出光束的直径扩大10倍；
所述液晶空间光调制器的慢轴沿坐标轴x轴方向；
所述第一检偏器的透光轴在坐标轴x-y平面内且与x轴夹角为45°；
激光器出射的线偏振光经过起偏器调整偏振方向后垂直入射至扩束准直镜进行扩束，扩束后的光线经过液晶空间光调制器后由偏振分光棱镜分为P光与S光；P光和S光分别入射在第一反射镜上与第二反射镜上，随后S光经过载物台上的待测物体后被无限远成像物镜收集并通过镜筒透镜汇聚作为物光；而P光经过第一反射镜后作为参考光；物光与参考光由非偏振分光棱镜进行合束，透过非偏振分光棱镜的光经过第一检偏器调整偏振态后发生干涉并由第一图像传感器采集得到数字全息图；由非偏振分光棱镜反射的光则进入相移量实时在线测量装置；测量时，通过电源控制液晶空间光调制器进行相移，由第一图像传感器采集得到一系列相移数字全息图，此时，相移量实时在线测量装置中的第二图像传感器同步采集一些列相移载频干涉图；通过采集得到的相移载频干涉图计算得到液晶空间光调制器提供的相移量，并根据计算得到的相移量选取四幅相位差为0.5π弧度的相移数字全息图从而实现相位重建。
进一步地，所述激光器发出中心波长为632.8nm的线偏振光。
第五方面，本发明提供一种偏振相移干涉测量系统，基于液晶相位延迟器相移的微分干涉相衬显微术，包括：光源、偏振片、液晶可变相位延迟器、第一Nomarski棱镜、聚光镜、载物台、无限远成像物镜、第二Nomarski棱镜、镜筒透镜、非偏振分光棱镜、第一检偏器、第一图像传感器、Wollaston棱镜、可移动透镜、第二检偏器、第二图像传感器；
所述光源发出红光；
所述起偏器的透光轴在坐标轴x-y平面内且与x轴夹角为45°；
所述液晶可变相位延迟器的慢轴沿坐标轴x轴方向；
所述第一Nomarski棱镜与第二Nomarski棱镜的慢轴沿坐标轴x轴方向；
所述起偏器的透光轴在坐标轴x-y平面内且与x轴夹角为45°；
光源发出的光经过起偏器调整偏振方向后垂直入射至液晶可变相位延迟器上，从液晶可变相位延迟器出射的光被第一Nomarski棱镜分为具有一定夹角的两束光，且两束光的偏振态相互正交；两束正交偏振光由聚光镜准直后照射在载物台位置处的待测物体上，经物体散射后的成像光束被无限远成像物镜收集并汇聚在第二Nomarski棱镜位置处，此时由第一Nomarski棱镜分开的两束正交偏振光被第二Nomarski棱镜重新合束，随后由镜筒透镜汇聚后进入非偏振分光棱镜并实现分光；其透射光经过第一检偏器调整偏振状态后形成微分干涉图并被第一图像传感器采集；反射光则进入相移量实时在线测量装置；测量时，通过电源控制液晶可变相位延迟器进行相移，由第一图像传感器采集得到一系列相移微分干涉图，此时，相移量实时在线测量装置中的第二图像传感器同步采集一系列相移载频干涉图；通过采集得到的相移载频干涉图计算得到液晶可变相位延迟器提供的相移量，并根据计算得到的相移量选取四幅相位差为0.5π弧度的相移微分干涉图从而实现相位重建。
进一步地，所述光源发出中心波长为650nm、带宽为40nm的红光。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
(1)本发明所提供的相移量实时在线测量装置及方法利用偏光干涉方法得到载频干涉图，再通过载频干涉图求解偏振干涉测量系统中相移器引入的相移量，数据处理过程简单，测量精度高，计算速度快，能够实现相移量的实时、动态和在线地测量与标定。
(2)本发明所提供的相移量实时在线测量装置及方法结构简单且共路，具有较高的稳定性，并且不受相移器的种类以及性能的影响，消除由于相移不准而引入的测量误差，大幅度提高相移干涉测量技术的检测精度。
(3)本发明所提供的相移量实时在线测量装置及方法对偏振干涉测量系统获得干涉图的条纹数量没有要求，即使是同轴数字全息或微分干涉显微术等这类无明显干涉条纹的干涉测量系统，仍然能够实现相移量的实时、动态和在线地测量与标定。
(4)本发明所提供的相移量实时在线测量装置及方法对偏振干涉测量系统照明光源的相干性没有限制，无论是相干光照明或非相干光照明，都能够获得较高对比度的载频干涉条纹，从而实现相移量的实时、动态和在线地测量与标定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提出的一种相移量实时在线测量装置结构图；
图2为本发明提出的相移量实时在线测量装置应用于相移数字全息显微术的原理图，该系统利用压电陶瓷精密位移台(PZT)实现相移；
图3为本发明提出的相移量实时在线测量装置应用于相移数字全息显微术的原理图，该系统利用压液晶空间光调制器实现相移；
图4为本发明提出的相移量实时在线测量装置应用于相移微分干涉相衬显微术的原理图，该系统利用液晶相位可变延迟器实现相移；
图5为利用图2所示相移数字全息显微系统采集得到的数字全息图；
图6为利用图2所示相移数字全息显微系统中相移量实时在线测量装置采集得到的载频干涉图；
图7为利用载频干涉图计算得到的相移数字全息显微系统中压电陶瓷精密位移台(PZT)提供的相移量；
图8为根据计算得到的相移量选出相移间隔为0.5π弧度的四幅数字全息图；
图9为利用选出的四幅数字全息图计算得到的相位分布图；
图10为利用图4所示相移微分干涉相衬显微系统采集得到的微分干涉图；
图11为利用图4所示相移微分干涉相衬显微系统中相移量实时在线标定采集得到的载频干涉图；
图12为利用载频干涉图计算得到的相移微分干涉相衬显微系统中液晶可变相位延迟器提供的相移量；
图13为根据计算出的相移量选出相移间隔为0.5π弧度的四幅微分干涉图；
图14为利用选出的四幅微分干涉图计算得到的相位分布图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见附图1，本实施例提供一种相移量实时在线测量装置，用于偏振相移干涉测量系统，包括：Wollaston棱镜1、可移动透镜2、偏振片3和单色黑白图像传感器4。
所述Wollaston棱镜1的慢轴沿图示坐标轴x轴方向。
所述可移动透镜2能够沿图示坐标轴x轴方向滑动，当需要测量相移量的偏振相移干涉测量系统照明光源为相干光时，可以将可移动透镜2通过滑动移出光路，当需要测量相移量的偏振相移干涉测量系统照明光源为非相干光时，需要将可移动透镜2通过滑动添加至光路中，将两束具有一定角度的正交偏振光汇聚至同一位置，从而实现参考波与被测波的波前匹配，最终获得高对比度的干涉条纹。
所述偏振片3的透光轴在图示坐标轴x-y平面内且与x轴夹角为45°。
所述单色黑白图像传感器4采集载频干涉条纹后，利用傅里叶变换算法计算得到偏振相移干涉测量系统中相移器提供的相移量。
实施例2
本实施例提供一种相移量实时在线测量方法，采用所述相移量实时在线测量装置，包括以下步骤。
第1步：首先将偏振相移干涉测量系统出射的正交偏振光通过分光棱镜分为两个部分，其中第一部分由偏振相移干涉测量系统自身携带的相机采集，第二部分则进入相移量实时在线测量装置之中。
第2步：进入相移量实时在线测量装置的正交偏振光被Wollaston棱镜1分开一定角度；
第3步：若偏振相移干涉测量系统照明光源为相干光，则可以将可移动透镜2滑入或滑出光路，若偏振相移干涉测量系统照明光源为非相干光，则需要将可移动透镜2滑入光路，将两束具有一定角度的正交偏振光汇聚至同一位置，从而实现参考波与被测波的波前匹配，最终获得具有较高对比度的干涉条纹。
第4步：经过可移动透镜2的光由偏振片3调整偏振方向后发生干涉并形成载频干涉条纹，随后载频干涉条纹由黑白单色图像传感器4采集。
第5步：控制偏振相移干涉测量系统的相移器进行相移，其中被测光场的干涉图由偏振相移干涉测量系统自身的相机采集，与此同时相移量实时在线测量装置生成的载频干涉条纹由黑白单色图像传感器4采集。
第6步：通过单色黑白图像传感器4获得载频干涉条纹后，利用傅里叶变换算法计算得到偏振相移干涉测量系统中相移器提供的相移量。
第7步：将计算得到的相移量代入偏振相移干涉测量系统自身相机采集得到的干涉图之中，从而实现被测光场的相位重建。
实施例3
参见附图2，本实施例提供一种基于压电陶瓷精密位移台(PZT)相移的数字全息显微术偏振相移干涉测量系统，包括：激光器101、起偏器102、扩束准直镜103、第一偏振分光棱镜104、第二偏振分光棱镜105、四分之一波片106、第一反射镜107、压电陶瓷精密位移台(PZT)108、二分之一波片109、第二反射镜110、载物台111、无限远成像显微物镜112、镜筒透镜113、非偏振分光棱镜114、第一检偏器115、第一单色黑白图像传感器116、Wollaston棱镜117、第二检偏器118和第二单色黑白图像传感器119。
所述激光器101发出中心波长为632.8nm的线偏振光，偏振方向沿图示坐标轴x轴方向。
所述起偏器102的透光轴在图示坐标轴x-y平面内且与x轴夹角为45°。
所述扩束准直镜103能够将激光器101发出光束的直径扩大10倍。
所述四分之一波片106的慢轴在图示坐标轴x-y平面内且与x轴夹角为45°。
所述二分之一波片109的慢轴在图示坐标轴x-z平面内且与x轴夹角为45°。
所述检偏器115的透光轴在图示坐标轴x-y平面内且与x轴夹角为45°。
工作时，激光器101出射的线偏振光经过起偏器102调整偏振方向后垂直入射至扩束准直镜103进行扩束，扩束后的光线经过第一偏振分光棱镜104被分为P光与S光；其中P光经过第二偏振分光振棱镜105与四分之一波片106后入射在第一反射镜107上，随后经过第二偏振分光棱镜105反射并穿过二分之一波片109后作为参考光，而S光由第二反射镜110反射后穿过载物台111上的待测物体，经物体散射后的成像光束被无限远成像物镜112收集并通过镜筒透镜113汇聚作为物光；物光与参考光由非偏振分光棱镜114进行合束，透过非偏振分光棱镜114的光经过第一检偏器115调整偏振态后发生干涉并由第一单色黑白图像传感器116采集得到数字全息图；由非偏振分光棱镜114反射的光则进入相移量实时在线测量装置。测量时，通过电源控制压电陶瓷精密位移台(PZT)108进行相移，由第一单色黑白图像传感器116采集得到一系列相移数字全息图，此时，相移量实时在线测量装置中的第二单色黑白图像传感器119同步采集一些列相移载频干涉图。通过采集得到的相移载频干涉图计算得到压电陶瓷精密位移台(PZT)108提供的相移量，并根据计算得到的相移量选取四幅相位差为0.5π弧度的相移数字全息图从而实现相位重建。
实施例4
参见附图3，本实施例提供一种基于液晶空间光调制器相移的数字全息显微术偏振相移干涉测量系统，包括：激光器201、起偏器202、扩束准直镜203、液晶空间光调制器204、偏振分光棱镜205、第一反射镜206、第二反射镜207、载物台208、无限远成像显微物镜209、镜筒透镜210、非偏振分光棱镜211、第一检偏器212、第一单色黑白图像传感器213、Wollaston棱镜214、第二检偏器215和第二单色黑白图像传感器216。
所述激光器201发出中心波长为632.8nm的线偏振光，偏振方向沿图示坐标轴x轴方向。
所述起偏器202的透光轴在图示坐标轴x-y平面内且与x轴夹角为45°。
所述扩束准直镜203能够将激光器201发出光束的直径扩大10倍。
所述液晶空间光调制器204的慢轴沿图示坐标轴x轴方向。
所述第一检偏器212的透光轴在图示坐标轴x-y平面内且与x轴夹角为45°。
工作时，激光器201出射的线偏振光经过起偏器202调整偏振方向后垂直入射至扩束准直镜203进行扩束，扩束后的光线经过液晶空间光调制器204后由偏振分光棱镜205分为P光与S光；P光和S光分别入射在第一反射镜上206与第二反射镜207上，随后S光经过载物台208上的待测物体后被无限远成像物镜209收集并通过镜筒透镜210汇聚作为物光；而P光经过第一反射镜206后作为参考光；物光与参考光由非偏振分光棱镜211进行合束，透过非偏振分光棱镜211的光经过第一检偏器212调整偏振态后发生干涉并由第一单色黑白图像传感器213采集得到数字全息图；由非偏振分光棱镜211反射的光则进入相移量实时在线测量装置。测量时，通过电源控制液晶空间光调制器204进行相移，由第一单色黑白图像传感器213采集得到一系列相移数字全息图，此时，相移量实时在线测量装置中的第二单色黑白图像传感器216同步采集一些列相移载频干涉图。通过采集得到的相移载频干涉图计算得到液晶空间光调制器204提供的相移量，并根据计算得到的相移量选取四幅相位差为0.5π弧度的相移数字全息图从而实现相位重建。
实施例5
参见附图4，本实施例提供一种基于液晶相位延迟器相移的微分干涉相衬显微术偏振相移干涉测量系统，包括：光源301、偏振片302、液晶可变相位延迟器303、第一Nomarski棱镜304、聚光镜305、载物台306、无限远成像物镜307、第二Nomarski棱镜308、镜筒透镜309、非偏振分光棱镜310、第一检偏器311、第一单色黑白图像传感器312、Wollaston棱镜313、可移动透镜314、第二检偏器315和第二单色黑白图像传感器316。
所述光源301发出中心波长为650nm、带宽为40nm的红光。
所述起偏器302的透光轴在图示坐标轴x-y平面内且与x轴夹角为45°。
所述液晶可变相位延迟器303的慢轴沿图示坐标轴x轴方向。
所述第一Nomarski棱镜304与第二Nomarski棱镜308的慢轴沿图示坐标轴x轴方向。
所述起偏器302的透光轴在图示坐标轴x-y平面内且与x轴夹角为45°。
工作时，光源301发出的光经过起偏器302调整偏振方向后垂直入射至液晶可变相位延迟器303上，从液晶可变相位延迟器303出射的光被第一Nomarski棱镜304分为具有一定夹角的两束光，且两束光的偏振态相互正交；两束正交偏振光由聚光镜305准直后照射在载物台306位置处的待测物体上，经物体散射后的成像光束被无限远成像物镜307收集并汇聚在第二Nomarski棱镜308位置处，此时由第一Nomarski棱镜304分开的两束正交偏振光被第二Nomarski棱镜308重新合束，随后由镜筒透镜309汇聚后进入非偏振分光棱镜310并实现分光；其透射光经过第一检偏器311调整偏振状态后形成微分干涉图并被第一单色黑白图像传感器312采集。反射光则进入相移量实时在线测量装置。测量时，通过电源控制液晶可变相位延迟器303进行相移，由第一单色黑白图像传感器312采集得到一系列相移微分干涉图，此时，相移量实时在线测量装置中的第二单色黑白图像传感器316同步采集一系列相移载频干涉图。通过采集得到的相移载频干涉图计算得到液晶可变相位延迟器303提供的相移量，并根据计算得到的相移量选取四幅相位差为0.5π弧度的相移微分干涉图从而实现相位重建。
实验结果
为了测试本发明提供的一种用于偏振相移干涉测量系统的相移量实时在线测量装置及方法，分别搭建了实施例3、实施例4和实施例5提供的实验光路图，并进行相移量测量的实验验证。图2为实施例3提供的实验光路图，测量时，通过电源控制压电陶瓷精密位移台(PZT)108进行相移，其中电源电压由0伏均匀上升至8伏，步进电压为0.02伏，由第一单色黑白图像传感器116采集得到一系列相移数字全息图如图5所示，此时，相移量实时在线测量装置中的第二单色黑白图像传感器119同步采集一系列相移载频干涉图如图6所示。通过采集得到的相移载频干涉图计算得到压电陶瓷精密位移台(PZT)108提供的相移量如图7所示，并根据计算得到的相移量选取四幅相位差为0.5π弧度的相移数字全息图如图8所示，最后利用四步相移算法计算得到数字全息图的相位分布如图9所示。
实施例4是通过改变实验光路中的相移方式，同样获得了与图5至图9相同的结果。
图4为实施例5提供的实验光路图，测量时，通过电源控制液晶可变相位延迟器303进行相移，其中电源电压由0伏均匀上升至2.5伏，步进电压为0.01伏。由第一单色黑白图像传感器312采集得到一系列相移微分干涉图如图10所示，其中被测样品为直径7微米的聚苯乙烯微球。此时，相移量实时在线测量装置中的第二单色黑白图像传感器316同步采集一些列相移载频干涉图如图11所示。通过采集得到的相移载频干涉图计算得到液晶可变相位延迟器303提供的相移量如图12所示，并根据计算得到的相移量选取四幅相位差为0.5π弧度的相移微分干涉图如图13所示，最后利用四步相移算法计算得到聚苯乙烯微球的微分相位分布如图14所示。
本发明提供的一种用于偏振相移干涉测量系统的相移量实时在线测量装置及方法是利用偏振相移干涉测量系统的参考波前与被测波前构造一组载频干涉图，并通过载频干涉图求解偏振相移干涉测量系统中相移器引入的相移量，数据处理过程简单且不受偏振相移干涉测量系统中干涉图条纹数目的限制，能够实现相移量的实时、动态和在线地测量与标定。该装置结构简单且不受相移器的种类以及性能的影响，消除由于相移不准而引入的测量误差，大幅度提高相移干涉测量技术的检测精度。此外，参考波前与被测波前在相移量实时在线测量装置中具有完全一致的光程，因此无论系统采用相干光或非相干照明，都能够获得较高对比度的载频干涉条纹并实现相移量的高精度提取。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种相移量实时在线测量装置，用于偏振相移干涉测量系统，其特征在于，包括沿光路依次设置的Wollaston棱镜、可移动透镜、偏振片和图像传感器；
所述Wollaston棱镜的慢轴沿坐标轴x轴方向；
所述可移动透镜能够沿坐标轴x轴方向滑动，当需要测量相移量的偏振相移干涉测量系统照明光源为相干光时，将可移动透镜通过滑动移出光路；当需要测量相移量的偏振相移干涉测量系统照明光源为非相干光时，将可移动透镜通过滑动添加至光路中，将两束具有一定角度的正交偏振光汇聚至同一位置，从而实现参考波与被测波的波前匹配，最终获得高对比度的干涉条纹；
所述偏振片的透光轴在坐标轴x-y平面内且与x轴夹角为45°；
所述图像传感器采集载频干涉条纹后，利用傅里叶变换算法计算得到偏振相移干涉测量系统中相移器提供的相移量。
2.根据权利要求1所述的相移量实时在线测量装置，其特征在于，所述图像传感器为单色黑白图像传感器。
3.一种相移量实时在线测量方法，采用如权利要求1-2任一所述的相移量实时在线测量装置，其特征在于，包括以下步骤：
第1步：首先将偏振相移干涉测量系统出射的正交偏振光通过分光棱镜分为两个部分，其中第一部分由偏振相移干涉测量系统自身携带的相机采集，第二部分则进入相移量实时在线测量装置之中；
第2步：进入相移量实时在线测量装置的正交偏振光被Wollaston棱镜分开一定角度；
第3步：若偏振相移干涉测量系统照明光源为相干光，则将可移动透镜滑入或滑出光路，若偏振相移干涉测量系统照明光源为非相干光，则需要将可移动透镜滑入光路，将两束具有一定角度的正交偏振光汇聚至同一位置，从而实现参考波与被测波的波前匹配，最终获得具有较高对比度的干涉条纹；
第4步：经过可移动透镜的光由偏振片调整偏振方向后发生干涉并形成载频干涉条纹，随后载频干涉条纹由图像传感器采集；
第5步：控制偏振相移干涉测量系统的相移器进行相移，其中被测光场的干涉图由偏振相移干涉测量系统自身的相机采集，与此同时相移量实时在线测量装置生成的载频干涉条纹由图像传感器采集；
第6步：通过图像传感器获得载频干涉条纹后，利用傅里叶变换算法计算得到偏振相移干涉测量系统中相移器提供的相移量；
第7步：将计算得到的相移量代入偏振相移干涉测量系统自身相机采集得到的干涉图之中，从而实现被测光场的相位重建。
4.一种偏振相移干涉测量系统，基于压电陶瓷精密位移台相移的数字全息显微术，采用如权利要求1-2任一所述的相移量实时在线测量装置，其特征在于，包括：激光器、起偏器、扩束准直镜、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、四分之一波片、第一反射镜、压电陶瓷精密位移台、二分之一波片、第二反射镜、载物台、无限远成像显微物镜、镜筒透镜、非偏振分光棱镜、第一检偏器、第一图像传感器、Wollaston棱镜、第二检偏器和第二图像传感器；
所述激光器发出线偏振光，偏振方向沿坐标轴x轴方向；
所述起偏器的透光轴在坐标轴x-y平面内且与x轴夹角为45°；
所述扩束准直镜将激光器发出光束的直径扩大10倍；
所述四分之一波片的慢轴在坐标轴x-y平面内且与x轴夹角为45°；
所述二分之一波片的慢轴在坐标轴x-z平面内且与x轴夹角为45°；
所述第一检偏器的透光轴在坐标轴x-y平面内且与x轴夹角为45°；
激光器出射的线偏振光经过起偏器调整偏振方向后垂直入射至扩束准直镜进行扩束，扩束后的光线经过第一偏振分光棱镜被分为P光与S光；其中P光经过第二偏振分光振棱镜与四分之一波片后入射在第一反射镜上，随后经过第二偏振分光棱镜反射并穿过二分之一波片后作为参考光，而S光由第二反射镜反射后穿过载物台上的待测物体，经物体散射后的成像光束被无限远成像物镜收集并通过镜筒透镜汇聚作为物光；物光与参考光由非偏振分光棱镜进行合束，透过非偏振分光棱镜的光经过第一检偏器调整偏振态后发生干涉并由第一图像传感器采集得到数字全息图；由非偏振分光棱镜反射的光则进入相移量实时在线测量装置；测量时，通过电源控制压电陶瓷精密位移台进行相移，由第一图像传感器采集得到一系列相移数字全息图，此时，相移量实时在线测量装置中的第二图像传感器同步采集一些列相移载频干涉图；通过采集得到的相移载频干涉图计算得到压电陶瓷精密位移台提供的相移量，并根据计算得到的相移量选取四幅相位差为0.5π弧度的相移数字全息图从而实现相位重建。
5.根据权利要求4所述的偏振相移干涉测量系统，其特征在于，所述激光器发出中心波长为632.8nm的线偏振光。
6.根据权利要求4所述的偏振相移干涉测量系统，其特征在于，所述第一图像传感器和第二图像传感器为单色黑白图像传感器。
7.一种偏振相移干涉测量系统，基于液晶空间光调制器相移的数字全息显微术，采用如权利要求1-2任一所述的相移量实时在线测量装置，其特征在于，包括：激光器、起偏器、扩束准直镜、液晶空间光调制器、偏振分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜、载物台、无限远成像显微物镜、镜筒透镜、非偏振分光棱镜、第一检偏器、第一图像传感器、Wollaston棱镜、第二检偏器和第二图像传感器；
所述激光器发出线偏振光，偏振方向沿坐标轴x轴方向；
所述起偏器的透光轴在坐标轴x-y平面内且与x轴夹角为45°；
所述扩束准直镜将激光器发出光束的直径扩大10倍；
所述液晶空间光调制器的慢轴沿坐标轴x轴方向；
所述第一检偏器的透光轴在坐标轴x-y平面内且与x轴夹角为45°；
激光器出射的线偏振光经过起偏器调整偏振方向后垂直入射至扩束准直镜进行扩束，扩束后的光线经过液晶空间光调制器后由偏振分光棱镜分为P光与S光；P光和S光分别入射在第一反射镜上与第二反射镜上，随后S光经过载物台上的待测物体后被无限远成像物镜收集并通过镜筒透镜汇聚作为物光；而P光经过第一反射镜后作为参考光；物光与参考光由非偏振分光棱镜进行合束，透过非偏振分光棱镜的光经过第一检偏器调整偏振态后发生干涉并由第一图像传感器采集得到数字全息图；由非偏振分光棱镜反射的光则进入相移量实时在线测量装置；测量时，通过电源控制液晶空间光调制器进行相移，由第一图像传感器采集得到一系列相移数字全息图，此时，相移量实时在线测量装置中的第二图像传感器同步采集一些列相移载频干涉图；通过采集得到的相移载频干涉图计算得到液晶空间光调制器提供的相移量，并根据计算得到的相移量选取四幅相位差为0.5π弧度的相移数字全息图从而实现相位重建。
8.根据权利要求7所述的偏振相移干涉测量系统，其特征在于，所述激光器发出中心波长为632.8nm的线偏振光。
9.一种偏振相移干涉测量系统，基于液晶相位延迟器相移的微分干涉相衬显微术，采用如权利要求1-2任一所述的相移量实时在线测量装置，其特征在于，包括：光源、起偏器、液晶可变相位延迟器、第一Nomarski棱镜、聚光镜、载物台、无限远成像物镜、第二Nomarski棱镜、镜筒透镜、非偏振分光棱镜、第一检偏器、第一图像传感器、Wollaston棱镜、可移动透镜、第二检偏器、第二图像传感器；
所述光源发出红光；
所述起偏器的透光轴在坐标轴x-y平面内且与x轴夹角为45°；
所述液晶可变相位延迟器的慢轴沿坐标轴x轴方向；
所述第一Nomarski棱镜与第二Nomarski棱镜的慢轴沿坐标轴x轴方向；
光源发出的光经过起偏器调整偏振方向后垂直入射至液晶可变相位延迟器上，从液晶可变相位延迟器出射的光被第一Nomarski棱镜分为具有一定夹角的两束光，且两束光的偏振态相互正交；两束正交偏振光由聚光镜准直后照射在载物台位置处的待测物体上，经物体散射后的成像光束被无限远成像物镜收集并汇聚在第二Nomarski棱镜位置处，此时由第一Nomarski棱镜分开的两束正交偏振光被第二Nomarski棱镜重新合束，随后由镜筒透镜汇聚后进入非偏振分光棱镜并实现分光；其透射光经过第一检偏器调整偏振状态后形成微分干涉图并被第一图像传感器采集；反射光则进入相移量实时在线测量装置；测量时，通过电源控制液晶可变相位延迟器进行相移，由第一图像传感器采集得到一系列相移微分干涉图，此时，相移量实时在线测量装置中的第二图像传感器同步采集一系列相移载频干涉图；通过采集得到的相移载频干涉图计算得到液晶可变相位延迟器提供的相移量，并根据计算得到的相移量选取四幅相位差为0.5π弧度的相移微分干涉图从而实现相位重建。
10.根据权利要求9所述的偏振相移干涉测量系统，其特征在于，所述光源发出中心波长为650nm、带宽为40nm的红光。
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