CN207676126U - 相移干涉条纹生成系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种相移干涉条纹生成系统，该生成系统包括可发射线偏振光的光源，可将所述光源发出光线分设形成为参照光与物体光两束光的分光单元，以及可将参照光与物体光合并的合光单元，所述分光单元与所述合光单元之间形成有参照光传输光路以及物体光传输光路，所述合光单元的光线输出端设置有偏振检波器，通过旋转偏振检波器的角度，以产生相移干涉条纹。该实用新型实现了高速、高精度的四幅相移干涉条纹生成，极大程度上解决了以往相移干涉条纹生成装置低速、高额且精度差的问题，同时由于本实用新型装置的高速性在一定程度上也解决了由测量环境变动引起的测量不准等恶性问题。

Description

相移干涉条纹生成系统

技术领域

本实用新型属于数字全息领域，尤其涉及一种数字全息的干涉条纹的生成。

背景技术

数字全息是利用光学干涉及衍射原理的数字化光场重建的方法，它将反射光的不透明物体表面或者透过光的透明、半透明物体内部结构中每一个三维空间中的点看作为一个点光源，通过光学干涉和衍射的数学公式，利用计算机计算出这些点光源发光时光波相位，根据干涉测量法实现对不透明物体表面或者透明、半透明物体形状进行纳米级超精密的三维测量。

进行数字全息超精密三维测量时，需要干涉条纹的记录和物体光重建两个步骤。首先，使用可干涉距离较长的激光作为光源，使用分光器将一束激光分为两束，由于分光器的物理光学特性，分开的两束激光光波相位可认为相同或者相位差非常微小。其次，其中一束激光不透过任何物体或者不经过物体反射，在空间中传播，称为参照光；而另一束激光透过透明物体或者经过不透明物体的反射后在空间中传播，称为物体光；参照光和物体光传播到另外一个分光器上并进行合成，以相同光轴相同传播方向照射到数字相机传感器的相同位置上。参照光由于无阻碍地在空间中进行传播，照射到数字相机传感器上时的相位可认为与激光器发出的激光初始相位相同，可认为参照光相位值为0；物体光由于经过不透明物体表面反射或者透明物体透射而发生相位的改变。根据光学干涉条件，两列传播方向相同、路径相同、波长相同、相位差恒定、偏振方向相同的光波可在空间中形成明暗相间的干涉条纹，因此参照光和物体光在数字相机传感器表面上形成干涉条纹，其明暗振幅呈余弦波(cos)，其相位取决于物体光和参照光相位差的大小。进一步地，数字相机传感器将干涉条纹进行数字化，以数字图像的形式记录物体光和参照光的干涉条纹。由于数字相机传感器仅能够记录光强信息，因此对于余弦波(cos)振幅变化的干涉条纹，无法分辨物体光和参照光相位差的正与负。而在三维重建时正的相位差表示相对参照平面突起的形状，负的相位差表示相对参照平面凹陷的形状，因此为了精确计算相位差的正与负，必须使用数字菲涅耳衍射变换对干涉条纹进行数学计算，再通过菲涅耳变换域的带通滤波，得到正确的带有符号的相位差。最后，相位差变化2pi(即360°)表示与参照平面产生了一个光波长的距离差(光程差)，这就是干涉测量，利用干涉测量方法，当相位差变化超过2pi时则需要使用相位连接方法，这样就能够实现不透明物体表面形状或者透明物体形状的三维重建。由于可见光的波长单位为纳米，因此，数字全息三维测量能够实现纳米级超精密三维测量。

被记录下来的干涉条纹的质量直接决定测量结果的误差以及信噪比。在实际当中，一方面，由玻璃、云母或水晶制成的光学器件，其表面极易产生多次反射，这些反射光线会在数字相机传感器上产生干涉条纹，并作为噪声，与反映物体形变的物体光干涉条纹一同被记录下来，对测量造成极大不利影响。另一方面，数字全息测量中有一种叫做相移数字全息测量法，它通过改变参照光光程(3次，每次1/4光程，也即0.5pi相位值)，记录四幅不同参照光光程的干涉条纹图像，再利用相移法直接计算出带有符号的正确的参照光与物体光的相位差，并代入数字菲涅耳衍射变换，而无需在变换后再经过带通滤波处理，避免了干涉信息的丢失，极大提高了测量精度。

但是上述方法存在两个缺点，首先改变参照光光程需要用到压电微变形反射镜，这种反射镜价格昂贵；其次，数字全息三维测量要求压电微变形反射镜一次变形为数十至一百纳米，对于这样的要求，压电微变形反射镜的变形精度低下，所形成的干涉条纹相位差无法保持精确的0.5pi，也就无法高精度的三维测量；最后四幅相移干涉条纹图像不在同一时刻拍摄，且由于压电微变形反射镜的变形低速而导致拍摄缓慢，其过程中容易收到空气流动、环境振动、温度变化等外界因素的影响，例如空气流动会带来干涉条纹的变化，这样四幅干涉条纹的相移差不可能保持精确的0.5pi，对测量结果和测量精度造成极大恶性影响。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种干涉条纹生成系统以及干涉条纹生成方法，该实用新型可在极短时间内完成四幅相移干涉条纹的生成，且保证干涉条纹间相位差的高精度，极大程度上解决了以往干涉条纹生成装置中存在的价格昂贵、精度低下以及生成速度低下的问题，同时由于本实用新型的高速性在一定程度上也解决了由测量环境变动引起的测量不准等恶性问题。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种相移干涉条纹生成系统，包括可发射线偏振光的光源，可将所述光源发出光线分设形成为参照光与物体光两束光的分光单元，以及可将参照光与物体光合并的合光单元，所述分光单元与所述合光单元之间形成有参照光传输光路以及物体光传输光路，所述合光单元的光线输出端设置有可使偏振方向不同的参照光和物体光发生干涉以形成干涉条纹的偏振检波器，通过旋转偏振检波器的角度，以产生相移干涉条纹。

作为本实用新型的进一步优化，所述偏振检波器包括可将圆偏振光与线偏振光互转的调光单元，以及可透过单一方向偏振光的偏振板，所述调光单元与所述偏振板顺次间隔设置。

作为本实用新型的进一步优化，所述物体光传输光路包括顺次设置的第一非偏振分光器、透明目标物以及第二非偏振分光器，所述第一非偏振分光器与所述第二非偏振分光器对称设于所述目标物两侧，所述第一非偏振分光器与所述合光单元分别设置于所述分光单元的两个垂直的光线出射端。

作为本实用新型的进一步优化，所述物体光传输光路包括不透明目标物，所述物体光经过不透明目标物后发生反射。

作为本实用新型的进一步优化，所述光源的发出光线路径上设置有平面反射镜，该平面反射镜设置于所述分光单元的一侧，且该侧与所述光源分立两侧，经过平面反射镜的光线反射至所述分光单元。

作为本实用新型的进一步优化，所述分光单元与所述合光单元均为偏振分光器。

作为本实用新型的进一步优化，所述调光单元为1/4波长板。

作为本实用新型的进一步优化，所述光源与所述分光单元之间设置有1/2波长板，以发出具有一定偏振角的线偏振光。

一种相移干涉条纹生成方法，基于上述任一实施例所述相移干涉条纹生成系统，包括以下步骤：

启动相移干涉条纹生成系统；

多次旋转偏振板，使参照光与物体光的相位差形成不同角度，以获得相移干涉条纹图像；

根据获得的相移干涉条纹图像，计算相位值。

作为本实用新型的进一步优化，在旋转偏振板的步骤中，分四次旋转偏振板，旋转角度相对于初始角度依次为0度、45度、90度和135度，对应的干涉条纹相位变化相对于初始相位的干涉条纹为0度、90度、180度和270度。。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：

1、本实用新型的干涉条纹生成系统，通过设置偏振检波器，即可获得四幅相移干涉条纹图像，且高速旋转偏振板即可实时获得相移干涉条纹，极大程度上解决了以往干涉条纹生成装置中存在的价格昂贵、精度低下以及生成速度低下的问题，同时由于本实用新型的高速性在一定程度上也解决了由测量环境变动引起的测量不准等恶性问题。

2、本实用新型的干涉条纹生成系统，由1/4波长板和偏振板组成的偏振检波器价格便宜，相对于昂贵的压电微变形平面镜，成本较低，实现了极高的性价比。

附图说明

图1为本实用新型相移干涉条纹生成系统的框图示意；

图2为本实用新型相移干涉条纹生成系统第一种实施方式的结构示意图；

图3为本实用新型相移干涉条纹生成系统第二种实施方式的结构示意图；

图4为本实用新型相移干涉条纹生成方法中偏振板相对于初始角度旋转0度时的示意图；

图5为本实用新型相移干涉条纹生成方法中偏振板相对于初始角度旋转45度时的示意图；

图6为本实用新型相移干涉条纹生成方法中偏振板相对于初始角度旋转90度时的示意图；

图7为本实用新型相移干涉条纹生成方法中偏振板相对于初始角度旋转135度时的示意图；

图8为本实用新型生成的相移干涉条纹的示意图。

以上各图中：1、光源；11、1/2波长板；12、平面反射镜；2、分光单元；3、参照光传输光路；4、物体光传输光路；41、第一非偏振分光器；42、透明目标物；43、第二非偏振分光器；44、非透明目标物；5、合光单元；6、偏振检波器；61、调光单元；62、偏振板；63、数字相机传感器；7、1/4波长板。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本实用新型进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

另外，需要说明的是，本实用新型附图中部分光线为了与重合光线进行区分，便于观察，在该附图中均将重合光线进行了错位处理，但是实际中，该光线均是直线传输，并不会发生倾斜。

参见图1，是本实用新型相移干涉条纹生成系统的框图示意。如图所示，本实用新型的相移干涉条纹生成系统，包括可发射线偏振光的光源1，该光源1优选为具有固定波长的激光光源；可将所述光源1发出光线分设形成为参照光与物体光两束光的分光单元2，以及可将参照光与物体光合并的合光单元5，所述分光单元2与所述合光单元5之间形成有参照光传输光路3以及物体光传输光路4，所述合光单元5的光线输出端设置有可使偏振方向不同的参照光和物体光发生干涉以形成干涉条纹的偏振检波器6，通过旋转偏振检波器6的角度，以产生相移干涉条纹。

上述中，通过偏振检波器的设置获得四幅相移干涉条纹图像，且高速旋转偏振板即可实时获得相移干涉条纹，极大程度上解决了以往干涉条纹生成装置中存在的价格昂贵、精度低下以及生成速度低下的问题，同时由于其高速性在一定程度上也解决了由测量环境变动引起的测量不准等恶性问题，形成了稳定可靠的超精密数字全息三维测量。

进一步结合图2所示，所述偏振检波器6包括可将圆偏振光与线偏振光互转的调光单元61，以及可透过单一方向偏振光的偏振板62，所述调光单元61与所述偏振板62顺次间隔设置。上述中，所述调光单元61优选为1/4波长板，因该1/4波长板能够使直线偏振光变为在空间中旋转振动的圆偏振光，圆偏振光的偏振方向随传播以圆形发生改变，初始偏振方向由1/4波长板的旋转方向决定。同时，本实用新型的偏振检波器6进一步包括可采集形成相移干涉条纹的数字相机传感器63。

进一步参见图2，是本实用新型相移干涉条纹生成系统的第一种实施例示意图。如图2所示，该种实施方式下观测目标为透明物体，所述物体光传输光路包括顺次设置的第一非偏振分光器41、透明目标物42以及第二非偏振分光器43，所述第一非偏振分光器41与所述第二非偏振分光器42对称设于所述透明目标物42两侧，所述第一非偏振分光器41与所述合光单元5分别设置于所述分光单元2的两个垂直的光线出射端。同时，优选的，所述光源1与所述分光单元2之间设置有1/2波长板11，以发出具有一定偏振角的线偏振光。

为了进一步说明该实施方式，下面结合其光路具体说明：

光源1发出的线偏振光，透过1/2波长板11，调节1/2波长板11的旋转角度，使其输出具有一定偏振角的线偏振光。该线偏振光透过分光单元2后被分为两束，一束为物体光传输光路3，其初始为水平偏振光，另一束为参照光传输光路4，其初始为垂直偏振参照光，二者光强根据1/2波长板旋转角度而定，优选调整1/2波长板使二者光强相同。其中，水平偏振光经过第一非偏振分光器41的反射，透过细胞等透明目标物42发生相位改变，成为水平偏振物体光，经过第二非偏振分光器43反射。而垂直偏振参照光直接传播照射到用于参照光和物体光合成的合光单元5上，并与水平偏振物体光重合。合光单元5反射垂直偏振光，透过水平偏振光，因此，垂直偏振参照光和水平偏振物体光被无衰减地重合到一起，进入偏振检波器6，此时，由于垂直偏振参照光和水平偏振物体光的偏振方向不同，因此在进入偏振检波器6之前，二者不发生干涉现象。偏振检波器6由调光单元61和偏振板62组成，垂直偏振参照光和水平偏振物体光首先通过调光单元61，由线偏振光变为圆偏振光，此时，由于二者进入调光单元时的偏振方向不同，透过调光单元61时圆偏振的初始旋转方向相反，因此在空间中传播时圆偏振参照光和圆偏振物体光的偏振旋转方向相反，此时，由于二者偏振方向相反，因此不发生干涉现象。圆偏振参照光和圆偏振物体光透过偏振板62，成为线偏振参照光以及线偏振物体光，以相同偏振方向传播到数字相机传感器63的平面上，此时，由于二者偏振方向相同，相位差恒定，波长相同，传播方向相同，因此发生干涉现象。因光学器件表面多次反射等光学噪声的偏振方向不与入射的参照光和物体光相同，因此不可能在数字相机传感器63上与参照光和物体光一同发生干涉现象，以此可以通过光学的方法获得噪声小精度高的清晰干涉条纹，解决了普通光学干涉中信噪比小的问题，为精确数字全息三维测量提供了优质基础。

另一方面，偏振检波器中的偏振板62具有锁定圆偏振参照光和圆偏振物体光相位差的能力，在由于物体本身产生的物体光与参照光相位差之外，增加额外的设定相位差，实现相移干涉条纹的生成。

参见图3，图3为本实用新型第二种实施方式的结构示意图。如图3所示，该种实施方式下，观测目标为不透明目标物，在该种实施方式下，所述物体光传输光路4包括不透明目标物44，所述物体光经过不透明目标物后发生反射。所述光源1的发出光线路径上设置有平面反射镜12，该平面反射镜12设置于所述分光单元2的一侧，且该侧与所述光源分立两侧。这样，经过平面反射镜12的光线反射至所述分光单元2。同时，在该实施方式中，优选的，在分光单元2和平面反射镜12之间、在不透明目标物44与分光单元2之间，均设置有1/4波长板，以便于将圆偏振光转为线偏振光，以及将线偏振光转为圆偏振光。另外，在该实施例下，所述分光单元2和所述合光单元5为同一部件。

为了进一步说明该实施方式，下面结合其光路具体说明：

光源1发出线偏振光，经过1/2波长板被调整偏振角度后照射到分光单元3上。通过分光单元3，该线偏振激光被分为两束，一束为物体光传输光路3，其初始为水平偏振光，另一束为参照光传输光路4，其初始为垂直偏振参照光，二者光强根据1/2波长板旋转角度而定，优选调整1/2波长板使二者光强相同。物体光传输光路的水平偏振光，通过1/4波长板变为圆偏振光，经过平面反射镜的反射成为圆偏振参照光，再次通过1/4波长板成为垂直偏振参照光。同时通过分光单元2输出的另一束光为垂直偏振光，通过参照光传输光路上的1/4波长板变为圆偏振光，照射到不透明目标物上进行发射，成为圆偏振物体光，再次通过1/4波长板成为水平偏振物体光。垂直偏振参照光通过合光单元5被反射，水平偏振物体光直接通过合光单元5，二者被合光单元合成后形成一束光，此时由于二者偏振方向呈正交，因此不能产生干涉条纹。通过调光单元61后，垂直偏振参照光变为圆偏振参照光，水平偏振物体光变为圆偏振物体光，圆偏振参照光和圆偏振物体光的圆偏振旋转方向相反。二者通过偏振板62后被调制成偏振方向相同的线偏振参照光和线偏振物体光，此二者相位差恒定，偏振方向相同，传播方向相同，波长相同，因此在数字相机传感器63表面形成干涉。

该种实施方式下，与透明物体的干涉相同，光学器件表面的多次反射造成的噪声被由调光单元和偏振板构成的偏振检波器所消除，旋转偏振检波器中的偏振板可得用于计算带符号且正确的参照光和物体光相位差的相移干涉条纹。

上述中，优选的实施例为：所述分光单元与所述合光单元均为偏振分光器。所述调光单元为1/4波长板。

参见图4-图8，本实用新型还提供了一种相移干涉条纹生成方法，基于上述任一种实施例所述相移干涉条纹生成系统，包括以下步骤：

启动相移干涉条纹生成系统；

多次旋转偏振板，使参照光与物体光的相位差形成不同角度，以获得相移干涉条纹图像；

根据获得的相移干涉条纹图像，计算相位值。

具体的，在旋转偏振板的步骤中，分四次旋转偏振板，旋转角度相对于初始角度依次为0度、45度、90度和135度，对应的干涉条纹相位变化相对于初始角度的干涉条纹为0度、90度、180度和270度。

如图4-8所示，干涉条纹图像中的噪声小，旋转偏振板可得相位差为90度的相移干涉条纹，通过相移法计算可得正确的相位分布。

具体说明如下：

如图4所示，当偏振板的偏振角度与特定时刻圆偏振参照光的偏振方向相同时(假设为0度)，参照光直接通过偏振板成为线偏振光，而物体光需要旋转-90度才可以通过偏振板成为与参照光偏振方向相同的线偏振光，与参照光进行干涉。相当于物体光与参照光进行干涉之前，物体光发生了1/4波长的延迟，也即参照光相对物体光有了1/4波长的光程差，二者相位相差-90度。

如图5所示，当偏振板旋转45度时，参照光旋转45度，物体光旋转-45度后通过偏振板进行干涉，二者都经过45度方向相反的旋转，因此二者光程差相同，相位差为0度。

如图6所示，当偏振板旋转90度时，假设此刻与参照光偏振方向正交的物体光，其偏振方向与偏振板光栅方向相同，直接透过偏振板，而参照光则要旋转90度通过偏振板与物体光发生发射。此时，参照光相对物体光有了1/4波长的光程差，二者相位相差90度。

如图7所示，当偏振板旋转135度时，参照光旋转135度，物体光旋转-315度，透过偏振板发生干涉，此时物体光旋转-315度与旋转45度时的相位相同，因此，参照光与物体光之间有了1/2波长的光程差，二者相位相差180度。

通过上述，偏振板旋转0度、45度、90度、135度，所对应的参照光与物体光的额外相位差为-90度、0度、90度、180度，也即0度、90度、180度、270度，这个额外相位差即为干涉条纹的相移。数学公式表示如表1。

表1偏振板旋转角度与干涉条纹相移的关系

表1中各干涉条纹符合相移法公式，以45度差角旋转偏振板4次，即可获得四幅相移干涉条纹图像，高速旋转偏振板(100转/秒以上的速度)即可实时获得相移干涉条纹，极大的减少了因环境因素对测量的不良影响，形成稳定可靠的超精密数字全息三维测量。

同时由调光单元和偏振板组成的偏振检波器价格便宜，相对于昂贵的压电微变形平面镜，可实现极高性价比。为了对本申请的高性价比进行充分说明，表2中具体给出了价格对比，该表格中价格为2017年8月28日择选于物价局所出指导报价：

表2本申请相移干涉条纹系统与现有设备的对比

通过表2的上述对比可进一步看出，本申请的技术方案不仅控制精度更高，且本申请的技术方案因采用偏振板和1/4波长板替换现有中的压电微变形反射镜，价格远低于现有设备，具有充分的价格优势。

Claims (8)

1.一种相移干涉条纹生成系统，包括可发射线偏振光的光源，可将所述光源发出光线分设形成为参照光与物体光两束光的分光单元，以及可将参照光与物体光合并的合光单元，其特征在于：所述分光单元与所述合光单元之间形成有参照光传输光路以及物体光传输光路，所述合光单元的光线输出端设置有可使偏振方向不同的参照光和物体光发生干涉以形成干涉条纹的偏振检波器，通过旋转偏振检波器的角度，以产生相移干涉条纹。

2.根据权利要求1所述的相移干涉条纹生成系统，其特征在于：所述偏振检波器包括可将圆偏振光与线偏振光互转的调光单元，以及可透过单一方向偏振光的偏振板，所述调光单元与所述偏振板顺次间隔设置。

3.根据权利要求1或2所述的相移干涉条纹生成系统，其特征在于：所述物体光传输光路包括顺次设置的第一非偏振分光器、透明目标物以及第二非偏振分光器，所述第一非偏振分光器与所述第二非偏振分光器对称设于所述目标物两侧，所述第一非偏振分光器与所述合光单元分别设置于所述分光单元的两个垂直的光线出射端。

4.根据权利要求1或2所述的相移干涉条纹生成系统，其特征在于：所述物体光传输光路包括不透明目标物，所述物体光经过不透明目标物后发生反射。

5.根据权利要求4所述的相移干涉条纹生成系统，其特征在于：所述光源的发出光线路径上设置有平面反射镜，该平面反射镜设置于所述分光单元的一侧，且该侧与所述光源分立两侧，经过平面反射镜的光线反射至所述分光单元。

6.根据权利要求1所述的相移干涉条纹生成系统，其特征在于：所述分光单元与所述合光单元均为偏振分光器。

7.根据权利要求2所述的相移干涉条纹生成系统，其特征在于：所述调光单元为1/4波长板。

8.根据权利要求1所述的相移干涉条纹生成系统，其特征在于：所述光源与所述分光单元之间设置有1/2波长板，以发出具有一定偏振角的线偏振光。