CN115218823A - 一种测量干涉图像相位分布的五步相移信号处理光路 - Google Patents

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关裕
周胜
丁锦红
孙启国
吕洪波
何广平
司丽娜
豆照良
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Abstract

本发明提供了一种测量干涉图像相位分布的五步相移信号处理光路，包括四分之一波片、透射率为33％的部分反射镜、透射率均为50％的四个半透半反镜、五个偏振片及五个CCD探测器。本发明不需要旋转器件就可在同一时刻获得5个叠加了相等间隔相移的干涉图像，避免了旋转器件法导致的测量时间较长以及由此带来的测量误差，使解算被测物体相位信息的过程更加快速、精度更高。

Description

一种测量干涉图像相位分布的五步相移信号处理光路
技术领域
本发明涉及激光干涉计量技术领域，特别是一种测量干涉图像相位分布的五步相移信号处理光路。
背景技术
微分干涉相衬显微技术(DIC)是二十世纪中叶研究出的一种灵敏度高的检测手段，可以获得高精度的物体相位信息，在表面微观形貌、透明物体检测方面有独特优势。之后几十年间，Nomarski对关键器件-棱镜进行了改进，Delbert、Hartman等进行了量化测量理论的完善，由此微分干涉相衬技术实现了高精度的定量测量。二十一世纪以来，随着CCD、数据采集卡等后续信号处理技术及器件的飞速发展，其已经广泛应用于生物医学、材料、制造等领域。
典型的微分干涉相衬测量技术的测量原理为：白炽灯光源发出的光，经过起偏器后形成线偏振光，然后经Nomarski棱镜后被分成两束偏振方向互相垂直、传播方向之间有微小夹角的P、S偏振光，再通过透镜形成平行的、分离量(即剪切量)略小于透镜空间分辨率的两束光，然后通过被测相位物体。由于两束光略有分离，因此投射在物体的不同位置，造成两束光的光程不一致。两束光在重新合并后经过检偏器发生干涉。由于两束光的剪切量很小，不会形成类似迈克尔逊干涉仪的多个干涉条纹，而是会把物体相位信息变化以明暗变化的方式表现出来，形成相衬效果的干涉图像，从而敏锐地表现出物体相位分布。之后的图像处理有两种方式，一种方式是只定性地观测图像，一种是需要定量获得其图像各点的相位值。后者一般要在后续光路中添加可旋转的波片、偏振器等偏振器件，通过旋转器件来提供多个相移值，然后通过多步相移算法来还原出被测物体的相位信息。例如公开号为WO2021020604A1的专利文献，其光学模块中就设有旋转装置及线性偏振器，该技术通过旋转线性偏振器的偏振轴来调整偏振方向，以获得多个相移干涉图像，进而测算被测物体的相位信息。
这种通过偏振器件的旋转来获得相移的现有技术存在两个缺点：一是旋转偏振器件需要一定时间，且为了提供多个相移值，需要多次旋转偏振器件，这样不仅增加了测量时间，而且测量期间的环境扰动、CCD等电子器件的电流/电压噪声及漂移等因素也将降低测量结果的精度；二是旋转装置存在旋转角度的重复定位误差，会对计算结果带来一定误差。
为缩短测量时间、提高效率以及更高精度地获得被测物体的相位信息，本发明提出一种不需旋转偏振器件就能获得五个相移干涉图像的信号处理光路，可以即时获得五步相移干涉图像，解决了上述两个问题。
本发明也适用于用其他偏振干涉方法获得的图像的相位解析。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种测量干涉图像相位分布的五步相移信号处理光路，其可以同时获得5个叠加了相等间隔相移的干涉图像，使解算被测物体相位信息的过程更加快速、精度更高。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种测量干涉图像相位分布的五步相移信号处理光路，包括四分之一波片、若干偏振片及若干CCD探测器，还包括部分反射镜及若干半透半反镜；
初始入射光束经所述四分之一波片后入射至所述部分反射镜，经部分反射镜后的出射光束分别入射至第一半透半反镜和第二半透半反镜；
经第二半透半反镜后的一路出射光束经第一偏振片后其干涉信号被第一CCD探测器接收，另一路出射光束经第二偏振片后其干涉信号被第二CCD探测器接收；
经第一半透半反镜后的两路出射光束分别入射至第三半透半反镜和第四半透半反镜；
经第三半透半反镜后的一路出射光束经第三偏振片后其干涉信号被第三CCD探测器接收，另一路出射光束经第四偏振片后其干涉信号被第四CCD探测器接收；
经第四半透半反镜后的一路出射光束经第五偏振片后其干涉信号被第五CCD探测器接收，另一路出射光束弃用；
其中，所述第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片、第四偏振片、第五偏振片的透光轴方位角各不相同。
优选的，所述初始入射光束包含两个偏振方向互相垂直的P、S线偏振光的入射光束；所述四分之一波片的快轴与P、S偏振方向夹角为45°。
优选的，所述部分反射镜的透射率为33％。
优选的，所述第一半透半反镜、第二半透半反镜、第三半透半反镜、第四半透半反镜的透射率均为50％。
优选的，经所述部分反射镜以及所述第一半透半反镜、第二半透半反镜、第三半透半反镜、第四半透半反镜后的各出射光束的强度相等。
优选的，所述第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片、第四偏振片、第五偏振片的透光轴方位角分别为-90°、-45°、0、45°、90°。
本发明的积极效果：本发明不需要旋转器件就可在同一时刻获得5个叠加了相等间隔相移的干涉图像，避免了旋转器件法导致的测量时间较长以及由此带来的测量误差，即避免了由旋转器件过程中产生的环境扰动、电子器件的电流/电压噪声及漂移等因素引起的误差。此外，还避免了多次旋转器件带来的方位角重复定位误差。
附图说明
图1是本发明的光路原理图
图2a是本发明实施例中经第一CCD探测器而获得的干涉图像；
图2b是本发明实施例中经第二CCD探测器而获得的干涉图像；
图2c是本发明实施例中经第三CCD探测器而获得的干涉图像；
图2d是本发明实施例中经第四CCD探测器而获得的干涉图像；
图2e是本发明实施例中经第五CCD探测器而获得的干涉图像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
参照图1，本发明优选实施例提供一种测量干涉图像相位分布的五步相移信号处理光路，其包括：四分之一波片101，透射率为33％的部分反射镜102，透射率均为50％的第一半透半反镜116、第二半透半反镜103、第三半透半反镜108、第四半透半反镜115，第一偏振片104、第二偏振片106、第三偏振片109、第四偏振片111、第五偏振片113，第一CCD探测器105、第二CCD探测器107、第三CCD探测器110、第四CCD探测器112、第五CCD探测器114；
一束包含了两个偏振方向互相垂直的P、S线偏振光的初始入射光束，经过快轴与P、S偏振方向夹角为45°的四分之一波片101后，两个线偏振光被转换为左旋和右旋的圆偏振光，然后此圆偏振光束入射至所述部分反射镜102，经部分反射镜102后的出射光束分别入射至第一半透半反镜116和第二半透半反镜103；
经第二半透半反镜103后的一路出射光束经第一偏振片104后其干涉信号被第一CCD探测器105接收，另一路出射光束经第二偏振片106后其干涉信号被第二CCD探测器107接收；
经第一半透半反镜116后的两路出射光束分别入射至第三半透半反镜108和第四半透半反镜115；
经第三半透半反镜108后的一路出射光束经第三偏振片109后其干涉信号被第三CCD探测器110接收，另一路出射光束经第四偏振片111后其干涉信号被第四CCD探测器112接收；
经第四半透半反镜115后的一路出射光束经第五偏振片113后其干涉信号被第五CCD探测器114接收，另一路出射光束弃用。
其中，携带了被测物体相位信息的初始入射光束包含了两个偏振方向互相垂直的P、S线偏振光，即一束光含有P、S两个偏振分量。该光束经过四分之一波片101，该四分之一波片101的快轴与P、S偏振方向夹角为45°，其作用是将两个线偏振光被转换为左旋和右旋的圆偏振光，以使光束在后续光路中通过不同透光轴方向的偏振片时强度可以保持不变。之后光束被部分反射镜102和第一半透半反镜116分为3束强度相等的光束，再分别入射至第二半透半反镜103、第三半透半反镜108、第四半透半反镜115，3束强度相等的光束各自继续被该三个半透半反镜分成强度相等的2束光，最终形成了6束强度相等的光束。将其中1束光舍弃不用，其余5束光再各自经过第一偏振片104、第二偏振片106、第三偏振片109、第四偏振片111、第五偏振片113，五个偏振片的透光轴与P或S偏振方向夹角分别为-90°、-45°、0、45°、90°。这样，在五个偏振片的透光轴方向上形成了叠加有固定间隔相移的干涉信号，相移间隔分别为-π/2、-π/4、0、π/4、π/2。然后，这五个干涉信号再分别被第一CCD探测器105、第二CCD探测器107、第三CCD探测器110、第四CCD探测器112、第五CCD探测器114接收，形成5个干涉图像，如附图2a～图2e所示。
CCD接收的干涉光强如式(1)所示：
Figure BDA0003756636910000051
其中，I为CCD检测的光强，IA为直流光强，IB为干涉光强变化幅值，β为偏振器方位角，也即其在干涉信号上叠加的相移值，
Figure BDA0003756636910000052
为被测物体的相位信息。
将β＝-π/2、-π/4、0、π/4、π/2分别代入式(1)，可得：
Figure BDA0003756636910000061
用五步相移法求解即可得到被测物体的相位信息：
Figure BDA0003756636910000062
由于CCD记录了光束横截面各点的强度信息，因此得到是被测物体的相位分布信息
Figure BDA0003756636910000063
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种测量干涉图像相位分布的五步相移信号处理光路，包括四分之一波片、若干偏振片及若干CCD探测器，其特征在于：还包括部分反射镜及若干半透半反镜；
初始入射光束经所述四分之一波片后入射至所述部分反射镜，经部分反射镜后的出射光束分别入射至第一半透半反镜和第二半透半反镜；
经第二半透半反镜后的一路出射光束经第一偏振片后其干涉信号被第一CCD探测器接收，另一路出射光束经第二偏振片后其干涉信号被第二CCD探测器接收；
经第一半透半反镜后的两路出射光束分别入射至第三半透半反镜和第四半透半反镜；
经第三半透半反镜后的一路出射光束经第三偏振片后其干涉信号被第三CCD探测器接收，另一路出射光束经第四偏振片后其干涉信号被第四CCD探测器接收；
经第四半透半反镜后的一路出射光束经第五偏振片后其干涉信号被第五CCD探测器接收，另一路出射光束弃用；
其中，所述第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片、第四偏振片、第五偏振片的透光轴方位角各不相同。
2.根据权利要求1所述的一种测量干涉图像相位分布的五步相移信号处理光路，其特征在于：所述初始入射光束包含两个偏振方向互相垂直的P、S线偏振光的入射光束；所述四分之一波片的快轴与P、S偏振方向夹角为45°。
3.根据权利要求1所述的一种测量干涉图像相位分布的五步相移信号处理光路，其特征在于：所述部分反射镜的透射率为33％。
4.根据权利要求1所述的一种测量干涉图像相位分布的五步相移信号处理光路，其特征在于：所述第一半透半反镜、第二半透半反镜、第三半透半反镜、第四半透半反镜的透射率均为50％。
5.根据权利要求1所述的一种测量干涉图像相位分布的五步相移信号处理光路，其特征在于：经所述部分反射镜以及所述第一半透半反镜、第二半透半反镜、第三半透半反镜、第四半透半反镜后的各出射光束的强度相等。
6.根据权利要求1所述的一种测量干涉图像相位分布的五步相移信号处理光路，其特征在于：所述第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片、第四偏振片、第五偏振片的透光轴方位角分别为-90°、-45°、0、45°、90°。
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