CN114719741B - 一种共光路偏振点衍射同步移相干涉系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种共光路偏振点衍射同步移相干涉系统及方法，属于光学干涉检测领域；包括沿光路依次设置的测试光路、衍射光路和移相光路；所述测试光路包括沿光路依次设置的He‑Ne激光器、线偏振片、二分之一波片、第一四分之一波片、扩束镜和待测样品，用于获得待测信息；所述衍射光路包括沿光路依次设置的缩束镜、高倍物镜、针孔线偏振点衍射板和第一成像透镜，用于获得参考光与被测光；所述移相光路包括沿光路依次设置的第二四分之一波片、第二成像透镜和阵列式偏振相机，用于实现参考光与被测光之间的空间移相，同时形成四幅干涉图像。本发明测量精度高，结构紧凑，抗干扰性好，可实现动态面型的测量。
Description
技术领域
本发明属于光学干涉检测领域，具体涉及一种共光路偏振点衍射同步移相干涉系统及方法。
背景技术
点衍射干涉仪是Smartt在1972年提出的，其基本原理为采用尺寸接近于检测波长的微小结构产生近乎理想的球面波作为干涉检测系统中的参考波前，用来代替传统干涉仪中由标准面镜产生的参考球面波，不受参考标准元件精度的限制，从而实现了高精度的干涉检测。
移相干涉技术的原理是在干涉的参考波和待测波之间引入相对相位变化，并相应地采集得到多幅移相干涉图，利用算法对这些干涉图分析处理从而解调出待测波的波前相位，常被用来提高干涉检测的精度。传统点衍射干涉仪采用共路干涉的光路结构，待测光和参考光经过同样的路径传播，在两光束之间引入相对相移困难，目前已经提出了通过采用偏振光学元件、液晶光学元件和衍射光栅元件等共路点衍射移相干涉方法。
同步移相干涉技术是由移相干涉进一步发展而来的，需要在同一时刻采集多幅具有不同相位的干涉图像，实现动态干涉测量。
James E.Millerd和Neal J.Brock等人提出一种采用导电线栅的点衍射分束板来产生理想球面波的偏振移相点衍射干涉装置[James E.Millerd,Neal J.Brock,JamesC.Wyant,et al.Instantaneous phase-shift,point-diffractioninterferometer.SPIE,2004,5531:264-272.]。该装置结构紧凑易于装调，可达到很高的测量精度，但需要对点衍射板进行设计与定制，点衍射板制作复杂。
Robert M.Neal和James C.Wyant提出了一种偏振相移点衍射干涉装置[RobertM.Neal and James C.Wyant.Polarization phase-shifting point-diffractioninterferometer.Applied Optics,2006,45(15):3463-3476.]。该装置使参考光与测试光具有正交的偏振态，从而分开参考光与被测光，通过电光调制器改变被测光与参考光之间的相位差来实现相移。该装置结构简单，测量精度高，但无法同时获得多幅干涉图像，易受外部环境的变化，无法实现高速测量。
周翔等人提出一种准共路相移点衍射干涉装置[Xiang Zhou,Renhui Guo,etal.Dynamic wavefront measurement with a pinhole linear polarizer point-diffraction interferometer.Applied Optics,2017,56:8040-8047.]。该装置采用环形光路设计，同时获得偏振方向正交的参考光与被测光，利用环形结构使两束光反向传播，在整个系统中通过的光路路径相同，实现了参考光和被测光的准共光路，避免了环境振动等因素所带来的测试误差。但实验光路设计复杂，装调困难。
总体而言，现有的点衍射干涉装置大多无法在参考光与待测光共光路的情况下进行同步移相干涉测量，少有的准共路移相点衍射干涉仪光路也较复杂。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种共光路偏振点衍射同步移相干涉系统，利用针孔线偏振点衍射板的偏振线栅对不同偏振态光的不同响应，解决了参考光与被测光共光路的问题，利用阵列式偏振相机解决了时间相移无法同时获得干涉图像的问题，通过空间相移实现了同步测量。
本发明的技术方案是：一种共光路偏振点衍射同步移相干涉系统，其特征在于：包括沿光路依次设置的测试光路、衍射光路和移相光路；所述测试光路包括沿光路依次设置的He-Ne激光器、线偏振片、二分之一波片、第一四分之一波片、扩束镜和待测样品，用于获得待测信息；所述衍射光路包括沿光路依次设置的缩束镜、高倍物镜、针孔线偏振点衍射板和第一成像透镜，用于获得参考光与被测光；所述移相光路包括沿光路依次设置的第二四分之一波片、第二成像透镜和阵列式偏振相机，用于实现参考光与被测光之间的空间移相，同时形成四幅干涉图像。
本发明的进一步技术方案是：所述针孔线偏振点衍射板设置于所述高倍物镜与第一成像透镜的焦点处，包括保护层玻璃、金属线栅膜层、玻璃基底和衍射针孔；所述金属线栅膜层是由多个金属铝条以周期性排布组成的线栅结构，覆盖在玻璃基底与保护层玻璃之间；所述衍射针孔设置于针孔线偏振点衍射板的中心处，其直径与高倍物镜在针孔线偏振点衍射板上表面产生的艾里斑直径相当；衍射针孔贯穿保护层玻璃、金属线栅膜层和玻璃基底，使得会聚在针孔线偏振点衍射板的光束由中心衍射针孔依次经过保护层玻璃、金属线栅膜层、玻璃基底。
本发明的进一步技术方案是：所述金属线栅膜层的金属铝条宽44nm、长12.5mm、厚162nm。
本发明的进一步技术方案是：所述金属铝条以144nm周期性排布。
本发明的进一步技术方案是：所述阵列式偏振相机包括探测器和微偏振阵列，所述探测器上配有由一系列通光轴与x轴成0°、45°、90°、135°方向的偏振滤光片排列组成的微偏振阵列。
本发明的进一步技术方案是：将所述第一四分之一波片的快轴方向定义为x方向，线偏振片2的偏振方向与x方向成45°夹角；所述针孔线偏振点衍射板的线栅偏振方向与x方向成45°夹角；所述第二四分之一波片快轴方向沿x方向。
本发明的进一步技术方案是：所述干涉图像亮度的调节方法为，旋转所述线偏振片的旋转角度改变线偏振片偏振方向与所述第一四分之一波片快轴方向的夹角。
本发明的进一步技术方案是：所述干涉图像对比度的调节方法为，旋转所述二分之一波片的旋转角度改变二分之一波片快轴方向与所述第一四分之一波片快轴方向的夹角，通过匹配所述针孔线偏振点衍射板的衍射系数，进而实现干涉条纹对比度可调。
一种共光路偏振点衍射同步移相干涉系统获得干涉条纹的方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1：He-Ne激光器出射的光依次经过所述线偏振片、二分之一波片、第一四分之一波片后产生圆偏振光，再经过扩束镜使光束直径扩宽至与待测样品同尺寸，随后通过待测样品，获得待测信息；
步骤2：携带待测信息的圆偏振光依次经过缩束镜与高倍物镜会聚在针孔线偏振点衍射板的针孔处，偏振方向与金属铝条垂直的光束透射通过，该光束携带待测信息，作为待测光；偏振方向与金属铝条平行的光束衍射成近似标准球面波，作为参考光；
步骤3：参考光与待测光经过第一成像透镜准直变为平行光，随后经过第二四分之一波片与第二成像透镜，最终在阵列式偏振相机上得到四幅干涉条纹。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明通过小孔衍射产生的标准球面波代替传统干涉仪中由标准球面镜产生的标准球面波，不受参考标准元件精度的限制；利用针孔线偏振点衍射板的偏振线栅对不同偏振态光的不同响应实现了参考光与被测光共光路，减少了系统误差；利用阵列式偏振相机实现了同步相移，实现了动态干涉测量。
本发明中所用的针孔线偏振点衍射板可以通过在现有金属线栅偏振片上打孔实现，且系统所用元件采用共光轴放置，参考光与待测光始终共光路，系统结构简单紧凑，减少了系统误差。
本发明使用第二四分之一波片与阵列式偏振相机组合实现了同时在参考光与待测光之间引入4个相位差，得到四幅干涉图样，实现了同步移相干涉检测，适用于动态干涉测量。
本发明测量精度高，结构紧凑，抗干扰性好，可实现动态面型的测量。
附图说明
图1是共光路偏振点衍射同步移相干涉系统结构示意图；
图2是针孔线栅偏振点衍射板结构示意图；
图3是阵列式偏振相机结构示意图。
附图标记说明：1.He-Ne激光器，2.线偏振片，3.二分之一波片，4.第一四分之一波片，5.扩束镜，6.待测样品，7.缩束镜，8.高倍物镜，9.针孔线偏振点衍射板，10.第一成像透镜，11.第二四分之一波片，12.第二成像透镜，13.阵列式偏振相机，14.保护层玻璃，15.金属线栅膜层，16.玻璃基底，17.衍射针孔，18.微偏振阵列，19.探测器。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，一种共光路偏振点衍射同步移相干涉系统由测试光路、衍射光路、移相光路三部分组成。其中测试光路包括：He-Ne激光器1、线偏振片2、二分之一波片3、第一四分之一波片4、扩束镜5、待测样品6，将第一四分之一波片4的快轴方向定义为x方向，线偏振片2的偏振方向与x方向成45°夹角。衍射光路包括：缩束镜7、高倍物镜8、针孔线偏振点衍射板9、第一成像透镜10，线偏振点衍射板线栅偏振方向与x方向成45°夹角。移相光路由第二四分之一波片11、第二成像透镜12、阵列式偏振相机13组成，第二四分之一波片快轴方向沿x方向。上述元件均共光轴放置，针孔线偏振点衍射板设置在高倍物镜与第一成像透镜的焦点处。
按照光的路径描述，He-Ne激光器1出射的线偏振光依次经过线偏振片2、半波片3、第一四分之一波片4后产生圆偏振光，再经过扩束镜5使光束直径扩宽至与待测样品同尺寸，随后通过待测样品6，获得携带待测信息的圆偏振光；携带待测信息的圆偏振光依次经过缩束镜7与高倍物镜8会聚在针孔线偏振点衍射板9的针孔处，偏振方向与金属铝条垂直的光束透射通过，仍携带待测信息，作为待测光，偏振方向与金属铝条平行的光束衍射成近似标准球面波，作为参考光。参考光与待测光为偏振方向正交的两束线偏振光；两束光经过第一成像透镜10准直变为平行线偏振光，随后经过第二四分之一波片11变为左旋圆偏振光与右旋圆偏振光，经过第二成像透镜12的聚焦最终在阵列式偏振相机13上得到四幅干涉条纹图像。
如图2所示，针孔线偏振点衍射板包括保护层玻璃14、金属线栅膜层15、玻璃基底16和衍射针孔17。金属线栅膜层15镀在玻璃基底16与保护层玻璃14之间，衍射针孔17穿过保护层玻璃14、金属线栅膜层15、玻璃基底16。会聚在针孔线偏振点衍射板的针孔的圆偏振光依次经过保护层玻璃的衍射针孔、金属线栅膜层上的衍射针孔、玻璃基底上的衍射针孔。
如图3所示，阵列式偏振相机是在探测器19上配有由一系列通光轴与x轴成0°、45°、90°、135°方向的偏振滤光片排列组成的微偏振阵列18组成的。其实现同步相移的原理为：
假设经过针孔线偏振点衍射板后参考光偏振方向与第一四分之一波片的快轴方向成45°，其琼斯矩阵表示为：
经过针孔线偏振点衍射板后待测光偏振方向与第一四分之一波片的快轴方向成135°，其琼斯矩阵表示为：
参考光经过快轴方向与第一四分之一波片快轴方向同向的第二四分之一波片再经过阵列式偏振相机上0°偏振滤光片后，其琼斯矩阵表示为：
待测光经过快轴方向与第一四分之一波片快轴方向同向的第二四分之一波片再经过阵列式偏振相机上0°偏振滤光片后，其琼斯矩阵表示为：
两束偏振方向正交的待测光与参考光，经过四分之一片与0°偏振滤光片后，两束光之间引入了0相位。
参考光经过快轴方向与第一四分之一波片快轴方向同向的第二四分之一波片再经过阵列式偏振相机上45°偏振滤光片后，其琼斯矩阵表示为：
待测光经过快轴方向与第一四分之一波片快轴方向同向的第二四分之一波片再经过阵列式偏振相机上45°偏振滤光片后，其琼斯矩阵表示为：
两束偏振方向正交的待测光与参考光，经过四分之一波片与45°偏振滤光片后，两束光之间引入π/2相位。
参考光经过快轴方向与第一四分之一波片快轴方向同向的第二四分之一波片再经过阵列式偏振相机上90°偏振滤光片后，其琼斯矩阵表示为：
待测光经过快轴方向与第一四分之一波片快轴方向同向的第二四分之一波片再经过阵列式偏振相机上90°偏振滤光片后，其琼斯矩阵表示为：
两束偏振方向正交的待测光与参考光，经过四分之一波片与90°偏振滤光片后，两束光之间引入了-π相位。
参考光经过快轴方向与第一四分之一波片快轴方向同向的第二四分之一波片再经过阵列式偏振相机上135°偏振滤光片后，其琼斯矩阵表示为：
待测光经过快轴方向与第一四分之一波片快轴方向同向的第二四分之一波片再经过阵列式偏振相机上135°偏振滤光片后，其琼斯矩阵表示为：
两束偏振方向正交的待测光与参考光，经过四分之一波片与135°偏振滤光片后，两束光之间引入了-π/2相位。
两束偏振方向正交的线偏振光经过四分之一波片与微偏振阵列后，在两束光之间引入了-π、-π/2、0、π/2的相位，实现了同步相移。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种共光路偏振点衍射同步移相干涉系统，其特征在于：包括沿光路依次设置的测试光路、衍射光路和移相光路；所述测试光路包括沿光路依次设置的He-Ne激光器、线偏振片、二分之一波片、第一四分之一波片、扩束镜和待测样品，用于获得待测信息；所述衍射光路包括沿光路依次设置的缩束镜、高倍物镜、针孔线偏振点衍射板和第一成像透镜，用于获得参考光与被测光；所述移相光路包括沿光路依次设置的第二四分之一波片、第二成像透镜和阵列式偏振相机，用于实现参考光与被测光之间的空间移相，同时形成四幅干涉图像；
所述针孔线偏振点衍射板设置于所述高倍物镜与第一成像透镜的焦点处，包括保护层玻璃、金属线栅膜层、玻璃基底和衍射针孔；所述金属线栅膜层是由多个金属铝条以周期性排布组成的线栅结构，覆盖在玻璃基底与保护层玻璃之间；所述衍射针孔设置于针孔线偏振点衍射板的中心处，其直径与高倍物镜在针孔线偏振点衍射板上表面产生的艾里斑直径相当；衍射针孔贯穿保护层玻璃、金属线栅膜层和玻璃基底，使得会聚在针孔线偏振点衍射板的光束由中心衍射针孔依次经过保护层玻璃、金属线栅膜层、玻璃基底；
将所述第一四分之一波片的快轴方向定义为x方向，线偏振片的偏振方向与x方向成45°夹角；所述针孔线偏振点衍射板的线栅偏振方向与x方向成45°夹角；所述第二四分之一波片快轴方向沿x方向。
2.根据权利要求1所述共光路偏振点衍射同步移相干涉系统，其特征在于：所述金属线栅膜层的金属铝条宽44nm、长12.5mm、厚162nm。
3.根据权利要求2所述共光路偏振点衍射同步移相干涉系统，其特征在于：所述金属铝条以144nm周期性排布。
4.根据权利要求1所述共光路偏振点衍射同步移相干涉系统，其特征在于：所述阵列式偏振相机包括探测器和微偏振阵列，所述探测器上配有由一系列通光轴与x轴成0°、45°、90°、135°方向的偏振滤光片排列组成的微偏振阵列。
5.根据权利要求1所述共光路偏振点衍射同步移相干涉系统，其特征在于：所述干涉图像亮度的调节方法为，旋转所述线偏振片的旋转角度改变线偏振片偏振方向与所述第一四分之一波片快轴方向的夹角。
6.根据权利要求1所述共光路偏振点衍射同步移相干涉系统，其特征在于：所述干涉图像对比度的调节方法为，旋转所述二分之一波片的旋转角度改变二分之一波片快轴方向与所述第一四分之一波片快轴方向的夹角，通过匹配所述针孔线偏振点衍射板的衍射系数，进而实现干涉条纹对比度可调。
7.一种权利要求1-6任一项所述共光路偏振点衍射同步移相干涉系统获得干涉条纹的方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1：He-Ne激光器出射的光依次经过所述线偏振片、二分之一波片、第一四分之一波片后产生圆偏振光，再经过扩束镜使光束直径扩宽至与待测样品同尺寸，随后通过待测样品，获得待测信息；
步骤2：携带待测信息的圆偏振光依次经过缩束镜与高倍物镜会聚在针孔线偏振点衍射板的针孔处，偏振方向与金属铝条垂直的光束透射通过，该光束携带待测信息，作为待测光；偏振方向与金属铝条平行的光束衍射成近似标准球面波，作为参考光；
步骤3：参考光与待测光经过第一成像透镜准直变为平行光，随后经过第二四分之一波片与第二成像透镜，最终在阵列式偏振相机上得到四幅干涉条纹。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114719741A (zh) | 2022-07-08 |
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