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基于分光同步移相的干涉检测装置及检测方法
申请号：[1**********]6.7
申请日：2012-09-29
申请(专利权)人
地址
发明(设计)人
主分类号
分类号
公开(公告)号
公开(公告)日
专利代理机构
代理人哈尔滨工程大学150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南通大街145号（哈尔滨工程大学体育部）单明广 钟志 郝本功 窦峥 张雅彬 刁鸣G01B9/02(2006.01)IG01B9/02(2006.01)I G01B11/06(2006.01)I102914259A 2013-02-06哈尔滨市松花江专利商标事务所 23109张宏威
(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN102914259A*
(10)申请公布号 CN 102914259 A
(43)申请公布日 2013.02.06(12)发明专利申请
(21)申请号 [1**********]6.7
(22)申请日 2012.09.29
(71)申请人哈尔滨工程大学
地址150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南通
大街145号（哈尔滨工程大学体育部）
(72)发明人单明广 钟志 郝本功 窦峥
张雅彬 刁鸣
(74)专利代理机构哈尔滨市松花江专利商标事
务所 23109
代理人
张宏威
(51)Int.Cl.
G01B 9/02(2006.01)
G01B 11/06(2006.01)
权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 3 页权利要求书2页 说明书6页 附图3页
(54)发明名称
基于分光同步移相的干涉检测装置及检测方
法
(57)摘要
基于分光同步移相的干涉检测装置及检测方
法，属于光学干涉检测领域，本发明为解决现有光
学相移干涉检测方法操作复杂困难、测量精度低
的问题。本发明方案：光源发射的光束经偏振片
和准直扩束系统的准直扩束后形成线偏振光，该
线偏振光通过第一偏振分光棱镜后分成物光束和
参考光束；汇合于第二偏振分光棱镜的物光束和
参考光束通过λ/4波片和矩形窗口后，再依次经
过第一傅里叶透镜、一维周期光栅、第二傅里叶透
镜、消偏振分光棱镜和四象限偏振片组后，在图像
传感器平面上产生干涉图样，计算机将采集获得
的干涉图样处理，获取待测物体的相位分布。
C N 102914259 A
1. 一种基于分光同步移相的干涉检测装置，它包括光源（1），其特征在于：它还包括偏振片（2）、准直扩束系统（3）、第一偏振分光棱镜（4）、待测物体（5）、第一反射镜（6）、第二反射镜（7）、第二偏振分光棱镜（8）、λ/4波片（9）、矩形窗口（10）、第一傅里叶透镜（11）、一维周期光栅（12）、第二傅里叶透镜（13）、消偏振分光棱镜（14）、四象限偏振片组（15）、图像传感器（16）和计算机（17），其中λ为光源（1）发射光束的光波长，
光源（1）发射的光束经偏振片（2）入射至准直扩束系统（3）的光接收面，经该准直扩束系统（3）准直扩束后的出射光束入射至第一偏振分光棱镜（4），第一偏振分光棱镜（4）的反射光束经待测物体（5）后入射至第一反射镜（6），第一反射镜（6）的反射光束作为物光束入射至第二偏振分光棱镜（8）；第一偏振分光棱镜（4）的透射光束经第二反射镜（7）反射后作为参考光束入射至第二偏振分光棱镜（8）；
汇合于第二偏振分光棱镜（8）的物光束和参考光束经过λ/4波片（9）和矩形窗口（10）后入射至第一傅里叶透镜（11），经第一傅里叶透镜（11）汇聚后的出射光束通过一维周期光栅（12）后入射至第二傅里叶透镜（13），透射产生0和±1级衍射光，该衍射光经过消偏振分光棱镜（14）和四象限偏振片组（15）后的出射光束由图像传感器（16）的光接收面接收，图像传感器（16）的图像信号输出端连接计算机（17）的图像信号输入端；
以第一傅里叶透镜（11）光轴的方向为z 轴方向建立xyz 三维直角坐标系，所述矩形窗口（10）沿垂直于光轴的方向设置，并且沿x 轴方向均分为两个小窗口；
第一傅里叶透镜（11）和第二傅里叶透镜（13）的焦距均为f ；
矩形窗口（10）位于第一傅里叶透镜（11）的前焦面上；一维周期光栅（12）位于第一傅里叶透镜（11）的后焦面上并且位于第二傅里叶透镜（13）的前焦面上；
图像传感器（16）位于第二傅里叶透镜（13）的后焦面上；
一维周期光栅（12）的周期d 与矩形窗口（10）沿x 轴方向的长度D 之间满足关系：d=2λf/D。
2. 根据权利要求1所述的基于分光同步移相的干涉检测装置，其特征在于：消偏振分光棱镜（14）按照其分光面与x 轴和z 轴构成的平面平行的方式放置，入射光从与其分光面成45°或-45°角的斜面入射。
3. 根据权利要求1或2所述的基于分光同步移相的干涉检测装置，其特征在于：一维周期光栅（12）为二值一维周期光栅或正弦一维周期光栅或余弦一维周期光栅。
4. 根据权利要求1或2所述的基于分光同步移相的干涉检测装置，其特征在于：四象限偏振片组（15）为偏振方向依次逆时针旋转45°角的四片偏振片组成的2×2阵列，该四片偏振片沿逆时针方向排布。
5. 根据权利要求1或2所述的基于分光同步移相的干涉检测装置，其特征在于：偏振片（2）的透光轴与x 轴呈45°角。
6. 根据权利要求1或2所述的基于分光同步移相的干涉检测装置，其特征在于：所述λ/4波片（9）快轴沿与x 轴呈45°角的方向放置。
7. 根据权利要求1或2所述的基于分光同步移相的干涉检测装置，其特征在于：所述矩形窗口（10）为D×(D/2)=6.33mm×3.16mm的窗口。
8. 一种基于权利要求1所述基于分光同步移相的干涉检测装置的干涉检测方法，其特征在于：它的实现过程如下：
打开光源（1），使光源（1）发射的光束经偏振片（2）和准直扩束系统（3）的准直扩束后形成线偏振光，该线偏振光通过第一偏振分光棱镜（4）后分成物光束和参考光束；汇合于第二偏振分光棱镜（8）的物光束和参考光束通过λ/4波片（9）和矩形窗口（10）后，再依次经过第一傅里叶透镜（11）、一维周期光栅（12）、第二傅里叶透镜（13）、消偏振分光棱镜
（14）和四象限偏振片组（15）后，在图像传感器（16）平面上产生干涉图样，计算机（17）将采集获得的干涉图样依据矩形窗口（10）的小窗口的尺寸分割获得待测物体（5）的四幅干涉图样，该四幅干涉图样以右上角图像为第一幅干涉图样，并按照逆时针方向排布为第一至第四幅干涉图样，将第三幅干涉图样和第四幅干涉图样进行镜像翻转后，四幅干涉图样按顺序的强度分布顺次为I1、I2、I3和I4，根据四幅干涉图样的强度分布计算获得待测物体（5）
的相位分布
CN 102914259 A说 明 书基于分光同步移相的干涉检测装置及检测方法1/6页
技术领域
[0001] 本发明涉及基于分光同步移相的干涉检测装置及检测方法，属于光学干涉检测领域。
背景技术
光学移相干涉测量是一种非接触、高精度的全场测量方法，被广泛的应用于光学
表面、形变及厚度等测量领域，但传统的移相技术由于需要在不同时间采集多幅移相干涉图，不适合测量运动物体或动态过程。同步相移可在同一时间得到多幅相移干涉图，克服了传统时间相移干涉技术的缺点，可实现运动物体或动态过程的实时测量，近年来受到国内外学者的广泛关注。
[0003] 墨西哥学者G.Rodriguez-Zurita 等提出利用一维光栅和偏振调制方法相结合实现同步相移（G.Rodriguez-Zurita,C.Meneses-Fabian,N.I.Toto-Arellano,J. F.Vázquez-Castillo,C.Robledo-Sánchez.One-shot phase-shifting phase-grating interferometry with modulation of polarization:case of four interferograms. Opt.Express,2008,16(11)：7806-7817）。该方法利用光栅产生的0、±1和±2衍射光，结合偏振调制通过一次曝光获得四幅相移干涉图。该方法调整方便，成本低，且可实现实时测量，但是因为利用多级衍射光到达CCD 干涉，造成CCD 有效面积利用率低，同时因为衍射级次光强的不同，使获得四幅干涉图对比度不同，进而增加数据处理的复杂性并影响测量精度。
[0004] 西安光机所的姚保利等提出利用分光棱镜和偏振调制方法相结合实现同步相移（P.Gao,B.L.Yao,J.W.Min,R.L.Guo,J.J.Zheng,T.Ye.Parallel two-step phase-shifting microscopic interferometry based on a cube beamsplitter.Optics Communications.2011,284:4136-4140）。该方法利用分光棱镜将正交偏振的物光和参考光分束，结合偏振调制通过一次曝光获得两幅相移干涉图。该方法结构简单，光能利用率高，但方法一次曝光只能获得两幅干涉图样，同时因为正交偏振的物光和参考光在分光棱镜中间反射层反射时，物光或参考光其中一个会发生半波损失，且透射光与反射光强度不同，进而在两幅干涉图中引入附加相位差，并使两幅干涉图样对比度不同，进而增加数据处理的复杂性并影响测量精度。[0002]
发明内容
[0005] 本发明目的是为了解决现有光学相移干涉检测方法操作复杂困难、测量精度低的问题，提供了一种基于分光同步移相的干涉检测装置及检测方法。
[0006] 本发明所述基于分光同步移相的干涉检测装置，它包括光源，它还包括偏振片、准直扩束系统、第一偏振分光棱镜、待测物体、第一反射镜、第二反射镜、第二偏振分光棱镜、λ/4波片、矩形窗口、第一傅里叶透镜、一维周期光栅、第二傅里叶透镜、消偏振分光棱镜、四象限偏振片组、图像传感器和计算机，其中λ为光源发射光束的光波长，
CN 102914259 A
[0007] 说 明 书2/6页光源发射的光束经偏振片入射至准直扩束系统的光接收面，经该准直扩束系统准直扩束后的出射光束入射至第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜的反射光束经待测物体后入射至第一反射镜，第一反射镜的反射光束作为物光束入射至第二偏振分光棱镜；第一偏振分光棱镜的透射光束经第二反射镜反射后作为参考光束入射至第二偏振分光棱镜；
[0008] 汇合于第二偏振分光棱镜的物光束和参考光束经过λ/4波片和矩形窗口后入射至第一傅里叶透镜，经第一傅里叶透镜汇聚后的出射光束通过一维周期光栅后入射至第二傅里叶透镜，透射产生0和±1级衍射光，该衍射光经过消偏振分光棱镜和四象限偏振片组后的出射光束由图像传感器的光接收面接收，图像传感器的图像信号输出端连接计算机的图像信号输入端；
[0009] 以第一傅里叶透镜光轴的方向为z 轴方向建立xyz 三维直角坐标系，所述矩形窗口沿垂直于光轴的方向设置，并且沿x 轴方向均分为两个小窗口；
[0010] 第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜的焦距均为f ；
[0011] 矩形窗口位于第一傅里叶透镜的前焦面上；一维周期光栅位于第一傅里叶透镜的后焦面上并且位于第二傅里叶透镜的前焦面上；
[0012] 图像传感器位于第二傅里叶透镜的后焦面上；
[0013] 一维周期光栅的周期d 与矩形窗口沿x 轴方向的长度D 之间满足关系：d=2λf/D。
[0014] 消偏振分光棱镜按照其分光面与x 轴和z 轴构成的平面平行的方式放置，入射光从与其分光面成45°或-45°角的斜面入射。
[0015] 一维周期光栅为二值一维周期光栅或正弦一维周期光栅或余弦一维周期光栅。
[0016] 四象限偏振片组为偏振方向依次逆时针旋转45°角的四片偏振片组成的2×2阵列，该四片偏振片沿逆时针方向排布。
[0017] 基于所述基于分光同步移相的干涉检测装置的干涉检测方法，它的实现过程如下：
[0018] 打开光源，使光源发射的光束经偏振片和准直扩束系统的准直扩束后形成线偏振光，该线偏振光通过第一偏振分光棱镜后分成物光束和参考光束；汇合于第二偏振分光棱镜的物光束和参考光束通过λ/4波片和矩形窗口后，再依次经过第一傅里叶透镜、一维周期光栅、第二傅里叶透镜、消偏振分光棱镜和四象限偏振片组后，在图像传感器平面上产生干涉图样，计算机将采集获得的干涉图样依据矩形窗口的小窗口的尺寸分割获得待测物体的四幅干涉图样，该四幅干涉图样以右上角图像为第一幅干涉图样，并按照逆时针方向排布为第一至第四幅干涉图样，将第三幅干涉图样和第四幅干涉图样进行镜像翻转后，四幅干涉图样按顺序的强度分布顺次为I 1、I 2、I 3和I 4，根据四幅干涉图样的强度分布计算获得待测物体的相位分布
[0019]
本发明的优点：
[0021] 基于分光同步相移的共光路干涉检测方法有以下特点和有益效果：
[0022] 1. 将光栅分光技术、分光棱镜分光技术和偏振调制技术相结合，通过一次曝光采[0020]
集便可获得四幅的干涉图达到物体相位恢复的目的，在提高测量精度的基础上，方法简单易行，并可提高图像传感器有效面积利用率，这是区别于现有技术的创新点之一；
[0023] 2. 四幅干涉图对比度相同，映射关系简单，可极大提高相位恢复算法效率，同时可消除因多级次衍射引入的相移误差和随机噪声，提高测量精度，进而更适合实时动态测量，这是区别于现有技术的创新点之二；
本发明装置具有如下显著特点：
[0025] 1. 本发明装置结构简单，成本低；
[0026] 2. 本发明装置在操作中不需要改变光路，也不需要移动任何实验器件，操作方便灵活，稳定性高。[0024]
附图说明
[0027] 图1是本发明所述基于分光同步移相的干涉检测装置的结构示意图，图中的坐标系为三维空间的直角坐标系；
[0028] 图2是消偏振分光棱镜配置示意图；
[0029] 图3是四象限偏振片组配置结构示意图；
[0030] 图4是为将计算机采集获得的干涉图样分割获得的待测物体的四幅干涉图样，该四幅干涉图样与图3中四片偏振片一一对应获得；
[0031] 图5
为根据待测物体的相位分布恢复获得的待测物体的相位分布。具体实施方式
[0032] 具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述基于分光同步移相的干涉检测装置，它包括光源1，它还包括偏振片2、准直扩束系统3、第一偏振分光棱镜4、待测物体5、第一反射镜6、第二反射镜7、第二偏振分光棱镜8、λ/4波片9、矩形窗口10、第一傅里叶透镜11、一维周期光栅12、第二傅里叶透镜13、消偏振分光棱镜14、四象限偏振片组15、图像传感器16和计算机17，其中λ为光源1发射光束的光波长，
[0033] 光源1发射的光束经偏振片2入射至准直扩束系统3的光接收面，经该准直扩束系统3准直扩束后的出射光束入射至第一偏振分光棱镜4，第一偏振分光棱镜4的反射光束经待测物体5后入射至第一反射镜6，第一反射镜6的反射光束作为物光束入射至第二偏振分光棱镜8；第一偏振分光棱镜4的透射光束经第二反射镜7反射后作为参考光束入射至第二偏振分光棱镜8；
[0034] 汇合于第二偏振分光棱镜8的物光束和参考光束经过λ/4波片9和矩形窗口10后入射至第一傅里叶透镜11，经第一傅里叶透镜11汇聚后的出射光束通过一维周期光栅12后入射至第二傅里叶透镜13，透射产生0和±1级衍射光，该衍射光经过消偏振分光棱镜14和四象限偏振片组15后的出射光束由图像传感器16的光接收面接收，图像传感器16的图像信号输出端连接计算机17的图像信号输入端；
[0035] 以第一傅里叶透镜11光轴的方向为z 轴方向建立xyz 三维直角坐标系，所述矩形窗口10沿垂直于光轴的方向设置，并且沿x 轴方向均分为两个小窗口；
[0036] 第一傅里叶透镜11和第二傅里叶透镜13的焦距均为f ；
[0037] 矩形窗口10位于第一傅里叶透镜11的前焦面上；一维周期光栅12位于第一傅里
叶透镜11的后焦面上并且位于第二傅里叶透镜13的前焦面上；
[0038] 图像传感器16位于第二傅里叶透镜13的后焦面上；
[0039] 一维周期光栅12的周期d 与矩形窗口10沿x 轴方向的长度D 之间满足关系：d=2λf/D。
[0040] 本实施方式中，准直扩束后的线偏振平行光，通过第一偏振分光棱镜4后分成偏振方向相互垂直的物光束和参考光束。待测物体5和第一反射镜6放置在第一偏振分光棱镜4的反射方向上，第二反射镜7放置在第一偏振分光棱镜4的透射方向上。
[0041] 光源1可以采用波长为632.8nm 的He-Ne 激光器。第一傅里叶透镜11和第二傅里叶透镜14焦距f 均可以为250mm 。
[0042] 具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，消偏振分光棱镜14按照其分光面与x 轴和z 轴构成的平面平行的方式放置，入射光从与其分光面成45°或-45°角的斜面入射。
[0043] 具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，一维周期光栅12为二值一维周期光栅或正弦一维周期光栅或余弦一维周期光栅。
[0044] 本实施方式中，一维周期光栅12采用周期d=50μm 的Ronchi 光栅。
[0045] 具体实施方式四：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，四象限偏振片组15为偏振方向依次逆时针旋转45°角的四片偏振片组成的2×2阵列，该四片偏振片沿逆时针方向排布。
[0046] 四片偏振片的偏振方向不同，四个偏振方向如图3所示，右上角偏振片的偏振方向与光轴夹角为0，其它三个偏振片以右上角偏振片为基准沿逆时针方向排布，并且，该三个偏振片的偏振方向以右上角偏振片为基准依次相对于前一个偏振片逆时针旋转45°角。
[0047] 具体实施方式五：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，偏振片2的透光轴与x 轴呈45°角。
[0048] 具体实施方式六：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，所述λ/4波片9快轴沿与x 轴呈45°角的方向放置。
[0049] 具体实施方式七：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，所述矩形窗口10为D×(D/2)=6.33mm×3.16mm的窗口。
[0050] 本实施方式中矩形窗口10的大小是可以根据需要进行调整的。该窗口被分成两部分，每部分的大小与一幅干涉图样的尺寸相同。
[0051] 具体实施方式八：下面结合图1至图5说明本实施方式，基于实施方式一至七任一所述基于分光同步移相的干涉检测装置的干涉检测方法，它的实现过程如下：
[0052] 打开光源1，使光源1发射的光束经偏振片2和准直扩束系统3的准直扩束后形成线偏振光，该线偏振光通过第一偏振分光棱镜4后分成物光束和参考光束；汇合于第二偏振分光棱镜8的物光束和参考光束通过λ/4波片9和矩形窗口10后，再依次经过第一傅里叶透镜11、一维周期光栅12、第二傅里叶透镜13、消偏振分光棱镜14和四象限偏振片组15后，在图像传感器16平面上产生干涉图样，计算机17将采集获得的干涉图样依据矩形窗口10的小窗口的尺寸分割获得待测物体5的四幅干涉图样，该四幅干涉图样以右上角图像为第一幅干涉图样，并按照逆时针方向排布为第一至第四幅干涉图样，将第三幅干涉图样和第四幅干涉图样进行镜像翻转后，四幅干涉图样按顺序的强度分布顺次为I 1、I 2、I 3
和I 4，根据四幅干涉图样的强度分布计算获得待测物体5的相位分布
[0053]
恢复相位分布图如图5所示。
[0055] 本实施方式中，检测装置运行前，需根据需要调整整个光学系统。在测量过程中没有需要移动的光学器件，此实施实例结构简单，同时因为采用分光同步相移技术，避免了器件移动引入的干扰，系统稳定性好。相位恢复所需的四个干涉图样在一个干涉图中生成，而且恢复算法简单，降低了系统的复杂度。本实施方式方法通过一次曝光即采集到待测物体5的四幅干涉图样，在保证测量实时性的基础上，极大提高了测量精度。
[0056] 工作原理：
[0057] 该光路基于典型的光学4f 系统，输入面、频谱面和输出面之间的关系为：频谱面的光场分布为输入面光场分布的傅里叶变换，输出面的光场分布为频谱面光场分布的逆傅里叶变换；两个透镜分别起傅里叶变换和逆傅里叶变换的作用。[0054]
该光路通过使用分光棱镜和反射镜分别形成物光和参考光，分离的光路使得待测
物体可以自由放置。输入面上，矩形光阑被分割成两个窗口，分别通过物光和参考光；在频谱面上就得到了输入平面光场分布的频谱，通过在频谱面上使用一维周期光栅12进行滤波，就将频谱衍射成多个级次；这样经过第二傅里叶透镜13进行逆傅里叶变换后，在输出面上就得到了多个级次的与输入光场分布类似的光场（即每个衍射级都是双窗口的结构，一侧窗口为参考光，另一侧窗口为相位分布）；在本系统中只使用0级、+1级和-1级衍射光，通过调整一维周期光栅12的周期d 与矩形窗口10沿x 轴方向的宽度D 之间满足关系：d=2λf/D，就可以使0级光的一侧窗口和-1级光的一侧窗口重合（即两个窗口重合），从而产生一个干涉图样，同时0级光的一侧窗口与+1级光的一侧窗口重合（两个窗口重合）产生另一个干涉图样，这样就可以得到两幅干涉图。
[0059] 为了得到四幅干涉图，我们在光进入图像传感器11之前使用了一个消偏振分光棱镜14。消偏振分光棱镜14的作用就是将入射光按强度一比一的比例平均分成反射和透射两束光，不会影响光场的相位分布，而且由于反射的作用使得出射的反射光为入射光的镜像翻转，而透射光不会进行翻转，所以在处理干涉图时需要将反射得到的两个干涉图样进行镜像翻转。
[0060] 使用偏振片组15对干涉图样进行偏振滤波，四个干涉图样的每个干涉图样分别通过偏振片组15的一个偏振片，由于每个偏振片的偏振方向与光轴的夹角不同，从而在四个干涉图样中引入不同的相移，四个偏振方向如图3所示，从而得到四幅不同相移的干涉图样，图4所示的四个干涉图样是与图3所示的不同相移相对应的。用这四个不同相移的干涉图样的强度分布就可以计算待测物体的相位分布。
[0061] 我们所提到的干涉图样都是指光场的强度分布。
[0062] 当利用从透明物体透射的光测量透明物体的厚度分布时，相位分布与厚度分布之间的关系：
[0063] 当待测物体5为折射率分布均匀的透明物体时，待测物体5的厚度w(x,y)与待测[0058]
的关系为：
6/6页物体5的相位分布
[0064]
[0065] 其中，n 为透明物体的折射率。
1/3页
图
1图2
图
3图4
图5