專利名稱：基于分光棱鏡的三窗口共光路干涉檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于分光棱鏡的三窗口共光路干涉檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法，屬于干涉檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光學(xué)干涉儀是一種非接觸、高精度的全場(chǎng)測(cè)量工具，被廣泛的應(yīng)用于光學(xué)表面、形變及厚度等檢測(cè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的光學(xué)干涉檢測(cè)方法有泰曼-格林干涉法、馬赫-曾德干涉法以及剪切干涉法等。其中，泰曼-格林干涉法、馬赫-曾德干涉法等采用分離光路干涉，即參考光束和測(cè)量光束通過不同路徑進(jìn)行干涉，易受外界振動(dòng)、溫度起伏等影響；剪切干涉法等采用共光路干涉，即參考光束與測(cè)量光束通過共同路徑后干涉，其對(duì)外界振動(dòng)、溫度起伏等不敏感，具有一定抗干擾能力，但剪切干涉法同時(shí)實(shí)現(xiàn)剪切量和相移量調(diào)控比較困難，調(diào)控精度較低，且需移動(dòng)光學(xué)元件引入相移提高測(cè)量精度，不僅不適合動(dòng)態(tài)測(cè)量，還會(huì)引起光 學(xué)系統(tǒng)的振動(dòng)，形成噪聲。為了解決這些困難，國(guó)內(nèi)外學(xué)者作了諸多有益嘗試。中國(guó)專利《可實(shí)時(shí)測(cè)量的同步相移斐索干涉裝置》，公開號(hào)為CN102589414A，
公開日為20120718，利用λ/4波片替代傳統(tǒng)斐索干涉儀中的標(biāo)準(zhǔn)平晶，參考光束與測(cè)量光束通過共同路徑后干涉，并結(jié)合四象限偏振片組通過一次曝光獲得四幅相移干涉圖，在保證高空間分辨率的前提下，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量的實(shí)時(shí)性，但是該方法操作復(fù)雜困難，且需要高質(zhì)量λ /4波片，成本高。墨西哥學(xué)者V. Arrizon等提出基于4f系統(tǒng)和光柵濾波的共光路干涉法(V. Arrizon, D.Sanchez-de-la-Llave. Common-path interferometry withone-dimensional periodic filters. Optics Letters, 2004, 29 (2) :141-143)。該方法在輸入端使用兩個(gè)窗，一個(gè)放置被測(cè)物體，另一個(gè)作為參考，結(jié)合4f系統(tǒng)光柵濾波的共光路結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整光柵周期、透鏡焦距等參數(shù)，能夠在輸出端得到物體的干涉圖樣，但是該方法仍需移動(dòng)光柵獲得相移。G. Rodriguez-Zurita等在上述方法基礎(chǔ)上,提出利用偏振調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)同步相移(G. Rodriguez-Zurita, C. Meneses-Fabian, N. I. Toto-Arellano,J. F. Vazquez-Castillo. C. Robledo-Sanchez. One-shot phase-shifting phase-gratinginterferometry with modulation of polarization case of four interferograms.Opt. Express, 2008,16(11) :7806-7817)。該方法利用光柵產(chǎn)生的0、± I和±2衍射光，結(jié)合偏振調(diào)制通過一次曝光獲得四幅相移干涉圖。該方法調(diào)整方便，成本低，且可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，但是因?yàn)槔枚嗉?jí)衍射光到達(dá)圖像傳感器CCD干涉，造成CCD有效面積利用率低。中國(guó)專利《基于三窗口的共光路干涉檢測(cè)方法與裝置》，公開號(hào)為CN102538986A，
公開日為20120704，將輸入窗口改為三窗口，利用4f系統(tǒng)和光柵自身的相移特性，同時(shí)獲得三個(gè)不同相移的干涉圖，不僅結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而且相位恢復(fù)算法簡(jiǎn)單，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力。但是該系統(tǒng)一次曝光僅能采集三幅相移干涉圖，測(cè)量精度有待于進(jìn)一步提高
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有干涉檢測(cè)法測(cè)量精度低的問題，提供一種基于分光棱鏡的三窗口共光路干涉檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法。本發(fā)明所述基于分光棱鏡的三窗口共光路干涉檢測(cè)裝置，它包括光源，它還包括偏振片、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、三個(gè)λ/4波片、待測(cè)物體、矩形窗口、第一透鏡、一維周期光柵、第二透鏡、分光同步相移系統(tǒng)、圖像傳感器和計(jì)算機(jī)，其中λ為光源發(fā)射光束的光波長(zhǎng)，光源發(fā)射的光束經(jīng)偏振片入射至準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)的光接收面，經(jīng)該準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后的出射光束經(jīng)過三個(gè)λ/4波片、待測(cè)物體及矩形窗口后入射至第一透鏡，經(jīng)第一透鏡匯聚后的出射光束通過一維周期光柵后入射至第二透鏡，經(jīng)第二透鏡透射后的衍射光束入射至分光同步相移系統(tǒng)，該分光同步相移系統(tǒng)的出射光束由圖像傳感器的光接收面接收，圖像傳感器的圖像信號(hào)輸出端連接計(jì)算機(jī)的圖像信號(hào)輸入端；以光軸的方向?yàn)棣戚S方向建立xyz坐標(biāo)軸，所述矩形窗口沿垂直于光軸的方向設(shè)置，并且沿X軸方向均分為三個(gè)小窗口 ； 三個(gè)λ/4波片均與矩形窗口平行設(shè)置、且位于同一個(gè)平面內(nèi)，所述三個(gè)λ/4波片沿X軸方向并行等間距排布，居于中間的λ /4波片的中心線與準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)的光軸重合；第一透鏡和第二透鏡的焦距相同；矩形窗口位于第一透鏡的前焦面上；一維周期光柵位于第一透鏡的后焦面上并且位于第二透鏡的前焦面上；圖像傳感器位于第二透鏡的后焦面上；一維周期光柵的周期d與矩形窗口沿λ/4波片排列方向的寬度D之間滿足關(guān)系d = 3λ f/D，式中f為第一透鏡和第二透鏡的焦距。分光同步相移系統(tǒng)由消偏振分光棱鏡和偏振片組組成，所述消偏振分光棱鏡呈立方體結(jié)構(gòu)，該偏振片組由兩片偏振片組成，分光同步相移系統(tǒng)的入射光束為消偏振分光棱鏡的入射光束，分光同步相移系統(tǒng)的出射光束為偏振片組的出射光束，消偏振分光棱鏡將入射光束分成兩束光束，該兩束光束分別從消偏振分光棱鏡的分光面兩側(cè)出射，并分別對(duì)應(yīng)于偏振片組中的一片偏振片，經(jīng)兩片偏振片偏振后出射，作為偏振片組的出射光束；消偏振分光棱鏡的分光面與XZ平面平行，消偏振分光棱鏡的入射光束與所述分光面平行，消偏振分光棱鏡的入射光束從分光面一側(cè)的斜面入射；所述偏振片組為偏振方向分別成0°角和90°角的兩片偏振片組成的2X1陣列。待測(cè)物體放置在矩形窗口內(nèi)、矩形窗口的光束入射側(cè)或矩形窗口的光束出射側(cè)，待測(cè)物體沿λ/4波片排列方向的長(zhǎng)度小于或者等于D/3，待測(cè)物體位于所述居于中間的入/4波片的正后方。一維周期光柵為二值一維周期光柵、正弦一維周期光柵或余弦一維周期光柵。基于上述干涉檢測(cè)裝置的干涉檢測(cè)方法，它的實(shí)現(xiàn)過程如下打開光源，使光源發(fā)射的光束經(jīng)偏振片和準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后形成平行偏振光束，該平行偏振光束通過三個(gè)λ/4波片、待測(cè)物體和矩形窗口后，再依次經(jīng)過第一透鏡、一維周期光柵和第二透鏡產(chǎn)生O級(jí)和±1級(jí)衍射光束，該衍射光束入射至分光同步相移系統(tǒng)后，在圖像傳感器平面上產(chǎn)生干涉，將計(jì)算機(jī)采集獲得的干涉圖像根據(jù)矩形窗口的小窗口的尺寸分割獲得待測(cè)物體的六幅干涉圖樣，該六幅干涉圖樣按照從左到右，并且從上到
下的順序強(qiáng)度分布依次為 I—D/3，0、1〇，0、Id/3，0、I—D/3，90、工0，90 和 Id/3，90， 對(duì)強(qiáng)度分布為 I-D/3，90、Io,90和ID/3,9。的干涉圖樣進(jìn)行鏡像翻轉(zhuǎn)后得到強(qiáng)度分布Γ
-D/3,90 Λ I 0，90 和 I D/3，90， 計(jì)算由一
維周期光柵引起的相移角θ
「12 +2sine2 (C0)-XΘ = arccos J-——;-,
\ 4sinc-((；)/C式中Cci為一維周期光柵占空比，K為中間變量，
J-L /'_L J _L /'
Γπ ν 』- >/3，0 丁』-D 3,90 丁』！>/3,0 丁』_D/3，90K =---—-，
十 j 0.9 )根據(jù)相移角θ，計(jì)算待測(cè)物體的相位分布供(U):
φ(χ, y) = arctan [(廠卿-廣，)-(7卿 ^’卿。)
K )[tme-(l0S)-l\90)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明裝置及方法將三窗口共光路干涉方法和分光同步相移技術(shù)相結(jié)合，具有原理簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強(qiáng)及可實(shí)時(shí)高精度測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明裝置成本低，在操作中不需要改變光路，也不需要移動(dòng)任何實(shí)驗(yàn)器件，操作方便靈活，穩(wěn)定性聞。本發(fā)明方法通過一次曝光采集便可獲得待測(cè)物體的六幅干涉圖，達(dá)到物體相位恢復(fù)的目的，在保證抗干擾能力、操作方便性和實(shí)時(shí)性等基礎(chǔ)上，可極大地提高測(cè)量精度并降低檢測(cè)工作量；它根據(jù)一維周期光柵引起的相移角Θ，計(jì)算出待測(cè)物體的相位分布φ(χ，y)，相位恢復(fù)算法簡(jiǎn)單。本發(fā)明方法中，待測(cè)物體的相位與其干涉圖之間映射關(guān)系簡(jiǎn)單，可極大提高相位恢復(fù)算法效率，因而更適合實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。


圖I為本發(fā)明檢測(cè)裝置的原理示意圖；圖2為分光同步相移系統(tǒng)的原理不意圖；圖3為圖2偏振片組中兩片偏振片的偏振方向不意圖；圖4為將計(jì)算機(jī)采集獲得的干涉圖像分割獲得的待測(cè)物體的六幅干涉圖樣；圖5為根據(jù)待測(cè)物體的相位分布爐(U)恢復(fù)獲得的待測(cè)物體的相位分布。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖I說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述基于分光棱鏡的三窗口共光路干涉檢測(cè)裝置，它包括光源1，它還包括偏振片2、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)3、三個(gè)入/4波片4、待測(cè)物體5、矩形窗口 6、第一透鏡7、一維周期光柵8、第二透鏡9、分光同步相移系統(tǒng)10、圖像傳感器11和計(jì)算機(jī)12，其中λ為光源I發(fā)射光束的光波長(zhǎng)，光源I發(fā)射的光束經(jīng)偏振片2入射至準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)3的光接收面，經(jīng)該準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)3準(zhǔn)直擴(kuò)束后的出射光束經(jīng)過三個(gè)λ /4波片4、待測(cè)物體5及矩形窗口 6后入射至第一透鏡7，經(jīng)第一透鏡7匯聚后的出射光束通過一維周期光柵8后入射至第二透鏡9，經(jīng)第二透鏡9透射后的衍射光束入射至分光同步相移系統(tǒng)10，該分光同步相移系統(tǒng)10的出射光束由圖像傳感器11的光接收面接收，圖像傳感器11的圖像信號(hào)輸出端連接計(jì)算機(jī)12的圖像信號(hào)輸入端；以光軸的方向?yàn)棣戚S方向建立xyz坐標(biāo)軸，所述矩形窗口 6沿垂直于光軸的方向設(shè)置，并且沿X軸方向均分為三個(gè)小窗口 ；三個(gè)λ /4波片4均與矩形窗口 6平行設(shè)置、且位于同一個(gè)平面內(nèi)，所述三個(gè)入/4波片4沿X軸方向并行等間距排布，居于中間的λ /4波片4的中心線與準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)3的光軸重合；第一透鏡7和第二透鏡9的焦距相同；矩形窗口 6位于第一透鏡7的前焦面上；一維周期光柵8位于第一透鏡7的后焦 面上并且位于第二透鏡9的前焦面上；圖像傳感器11位于第二透鏡9的后焦面上；—維周期光柵8的周期d與矩形窗口 6沿λ /4波片4排列方向的寬度D之間滿足關(guān)系d = 3 λ f/D，式中f為第一透鏡7和第二透鏡9的焦距。本實(shí)施方式中，光源I采用波長(zhǎng)632. 8nm的He-Ne激光器，或者為其它單色可見光源，波長(zhǎng)可根據(jù)需要任選。第一透鏡7和第二透鏡9的焦距均為f = 250mm。
具體實(shí)施方式
二下面結(jié)合圖I、圖2和圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一的進(jìn)一步說明，分光同步相移系統(tǒng)10由消偏振分光棱鏡10-1和偏振片組10-2組成，所述消偏振分光棱鏡10-1呈立方體結(jié)構(gòu)，該偏振片組10-2由兩片偏振片組成，分光同步相移系統(tǒng)10的入射光束為消偏振分光棱鏡10-1的入射光束，分光同步相移系統(tǒng)10的出射光束為偏振片組10-2的出射光束，消偏振分光棱鏡10-1將入射光束分成兩束光束,該兩束光束分別從消偏振分光棱鏡10-1的分光面兩側(cè)出射，并分別對(duì)應(yīng)于偏振片組10-2中的一片偏振片，經(jīng)兩片偏振片偏振后出射，作為偏振片組10-2的出射光束；消偏振分光棱鏡10-1的分光面與XZ平面平行，消偏振分光棱鏡10-1的入射光束與所述分光面平行，消偏振分光棱鏡10-1的入射光束從分光面一側(cè)的斜面入射；所述偏振片組10-2為偏振方向分別成0°角和90°角的兩片偏振片組成的2X1陣列。此實(shí)施方式中消偏振分光棱鏡10-1的入射光束所對(duì)應(yīng)的入射斜面,可以是與分光面成45°角的斜面也可以是與分光面成-45°的斜面。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一或二的進(jìn)一步說明，待測(cè)物體5放置在矩形窗口 6內(nèi)、矩形窗口 6的光束入射側(cè)或矩形窗口 6的光束出射側(cè),待測(cè)物體5沿λ /4波片4排列方向的長(zhǎng)度小于或者等于D/3，待測(cè)物體5位于所述居于中間的λ /4波片4的正后方。所述待測(cè)物體5沿λ /4波片4排列方向的長(zhǎng)度可根據(jù)需要選取，只要小于或者等于D/3即可。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一、二或三的進(jìn)一步說明，一維周期光柵8為二值一維周期光柵、正弦一維周期光柵或余弦一維周期光柵。本實(shí)施方式中，一維周期光柵8采用周期d = 50 μ m的Ronchi光柵，具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一、二、三或四的進(jìn)一步說明，偏振片2的透光軸與X軸成45°角。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一、二、三、四或五的進(jìn)一步說明，三個(gè)λ /4波片4中兩側(cè)的λ /4波片4快軸沿X軸方向放置，中間的λ /4波片4快軸沿y軸方向放置。本實(shí)施方式中，三個(gè)λ/4波片4也可采用其它放置方式，只需能夠得到滿足條件的偏振光即可?！?br> 具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式為對(duì)實(shí)施方式一、二、三、四、五或六的進(jìn)一步說明，所述矩形窗口 6 為 DX (D/3) = 9. 49mmX3. 16mm 的窗口。本實(shí)施方式中矩形窗口 6的大小是可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整的。
具體實(shí)施方式
八下面結(jié)合圖I至圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述基于上述實(shí)施方式之一所述基于分光棱鏡的三窗口共光路干涉檢測(cè)裝置的干涉檢測(cè)方法，它的實(shí)現(xiàn)過程如下打開光源I，使光源I發(fā)射的光束經(jīng)偏振片2和準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)3準(zhǔn)直擴(kuò)束后形成平行偏振光束，該平行偏振光束通過三個(gè)λ /4波片4、待測(cè)物體5和矩形窗口 6后，再依次經(jīng)過第一透鏡7、一維周期光柵8和第二透鏡9產(chǎn)生O級(jí)和土 I級(jí)衍射光束,該衍射光束入射至分光同步相移系統(tǒng)10后，在圖像傳感器11平面上產(chǎn)生干涉，將計(jì)算機(jī)12采集獲得的干涉圖像根據(jù)矩形窗口 6的小窗口的尺寸分割獲得待測(cè)物體5的六幅干涉圖樣，該六幅干涉圖樣按照從左到右，并且從上到下的順序強(qiáng)度分布依次為 I—D/3，0、1〇，0、Id/3，0、I-d/3, 90 λ 工0，90 和Id/3，90， 對(duì)強(qiáng)度分布為 I-D/3，90、Io,90 和Id/U。的干涉圖樣進(jìn)行鏡像翻轉(zhuǎn)后得到強(qiáng)度分布I ' -D/3,9o、V Q,9o和V D/3,9(l，計(jì)算由一維周期光柵8引起的相移角Θ :
「 n\ l2 + 2sinc2 (C0)-Kθ = arccos . -^rl~r-，
\ 4sinr((；)A式中Cci為一維周期光柵8占空比，K為中間變量，
Γ n v ^-D 3,0 ^ ^3,0 D/3,90Λ =- -，
^ο,ο + i aso根據(jù)相移角Θ，計(jì)算待測(cè)物體5的相位分布供(U):
φ(χ,γ) = arctan (廠卿-廣，)來，。卿)
L Ian^-(Zoo-Z1090) _。本實(shí)施方式中，檢測(cè)裝置運(yùn)行前，需根據(jù)需要調(diào)整整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。在測(cè)量過程中沒有需要移動(dòng)的光學(xué)器件，避免了移動(dòng)光學(xué)器件引入的干擾，因此具有非常好的穩(wěn)定性。本發(fā)明方法通過一次曝光即采集到待測(cè)物體5的六幅干涉圖樣，在保證測(cè)量實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)上，極大提高了測(cè)量精度，恢復(fù)算法簡(jiǎn)單，系統(tǒng)復(fù)雜度低。工作原理本發(fā)明中，采用偏振元件和消偏振分光棱鏡，實(shí)現(xiàn)了一次曝光獲得待測(cè)物體5的六幅干涉圖樣，通常干涉圖越多，恢復(fù)相位越精確，而且算法中不需要?dú)w一化，這樣減小了誤差的產(chǎn)生，使計(jì)算待測(cè)物體5相位時(shí)能夠獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。本發(fā)明采用的光路是一個(gè)典型的光學(xué)4f系統(tǒng)，其中矩形窗口 6所在平面作為輸入面，一維周期光柵8所在平面作為頻譜面，圖像傳感器11的光接收面作為輸出面，輸入面、頻譜面和輸出面之間的關(guān)系為頻譜面的光場(chǎng)分布為輸入面光場(chǎng)分布的傅里葉變換，輸出面的光場(chǎng)分布為頻譜面光場(chǎng)分布的逆傅里葉變換；兩個(gè)透鏡分別起傅里葉變換和逆傅里葉變換的作用。在輸入面上，矩形窗口 6被分割成三個(gè)小窗口，待測(cè)物體5放置在中心小窗口處；在頻譜面上就得到了輸入面光場(chǎng)分布的頻譜，通過在頻譜面上使用一維周期光柵8進(jìn)行濾波，就將頻譜衍射成多個(gè)級(jí)次；這樣經(jīng)過第二透鏡9進(jìn)行逆傅里葉變換后，在輸出面上就得到了多個(gè)級(jí)次的與輸入光場(chǎng)分布類似的光場(chǎng)，即每個(gè)衍射級(jí)都是三窗口的結(jié)構(gòu)，兩側(cè)窗口為參考光，中心窗口為相位分布；本發(fā)明中只使用O級(jí)、+1級(jí)和-I級(jí)衍射光，通過調(diào)整一維周期光柵8的周期d與矩形窗口 6排列方向的寬度D之間滿足關(guān)系d = 3 λ f/D,就可以使O級(jí)衍射光的中心窗口、+1級(jí)衍射光的一側(cè)窗口和-I級(jí)衍射光的一側(cè)窗口重合，即三個(gè)窗口重合從而產(chǎn)生中心的干涉圖，同時(shí)O級(jí)衍射光的一側(cè)窗口與+1級(jí)衍射光的中心窗口·重合，即兩個(gè)窗口重合產(chǎn)生一側(cè)的干涉圖，O級(jí)衍射光的另一側(cè)窗口與-I級(jí)衍射光的中心窗口重合，即兩個(gè)窗口重合產(chǎn)生另一側(cè)的干涉圖，這樣就可以得到三幅干涉圖樣。為了得到六幅干涉圖，在光束進(jìn)入圖像傳感器11之前使用了一個(gè)消偏振分光棱鏡。消偏振分光棱鏡的作用就是將入射光按強(qiáng)度一比一的比例平均分成反射和透射兩束光，這樣不會(huì)影響光場(chǎng)的相位分布，而且由于反射的作用使得出射的反射光為入射光的鏡像翻轉(zhuǎn)，而透射光不會(huì)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，所以在處理干涉圖樣時(shí)需要將與反射光束對(duì)應(yīng)獲得的三個(gè)干涉圖進(jìn)行鏡像翻轉(zhuǎn)。結(jié)合圖5所示，獲得待測(cè)物體的相位分布爐(U)后，若待測(cè)物體為折射率分布均勻
的透明物體，其厚度W(x，y)與被測(cè)相位分布的關(guān)系為
w(x,y)=爐(x,y) *λΙ{1π)Ι(η-\)，式中η為透明物體的折射率。
權(quán)利要求
1.一種基于分光棱鏡的三窗口共光路干涉檢測(cè)裝置，它包括光源(1)，其特征在于它還包括偏振片(2)、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(3)、三個(gè)λ/4波片(4)、待測(cè)物體(5)、矩形窗口(6)、第一透鏡(7)、一維周期光柵(8)、第二透鏡(9)、分光同步相移系統(tǒng)(10)、圖像傳感器(11)和計(jì)算機(jī)(12)，其中λ為光源(I)發(fā)射光束的光波長(zhǎng)， 光源(I)發(fā)射的光束經(jīng)偏振片(2)入射至準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(3)的光接收面，經(jīng)該準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(3)準(zhǔn)直擴(kuò)束后的出射光束經(jīng)過三個(gè)λ/4波片(4)、待測(cè)物體(5)及矩形窗口(6)后入射至第一透鏡(7)，經(jīng)第一透鏡(7)匯聚后的出射光束通過一維周期光柵(8)后入射至第二透鏡(9)，經(jīng)第二透鏡(9)透射后的衍射光束入射至分光同步相移系統(tǒng)(10)，該分光同步相移系統(tǒng)(10)的出射光束由圖像傳感器(11)的光接收面接收，圖像傳感器(11)的圖像信號(hào)輸出端連接計(jì)算機(jī)(12)的圖像信號(hào)輸入端； 以光軸的方向?yàn)棣戚S方向建立xyz坐標(biāo)軸，所述矩形窗口(6)沿垂直于光軸的方向設(shè)置，并且沿χ軸方向均分為三個(gè)小窗口 ； 三個(gè)λ/4波片(4)均與矩形窗口(6)平行設(shè)置、且位于同一個(gè)平面內(nèi)，所述三個(gè)λ/4波片⑷沿χ軸方向并行等間距排布，居于中間的λ/4波片(4)的中心線與準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(3)的光軸重合； 第一透鏡(7)和第二透鏡(9)的焦距相同； 矩形窗口(6)位于第一透鏡(7)的前焦面上；一維周期光柵(8)位于第一透鏡(7)的后焦面上并且位于第二透鏡(9)的前焦面上； 圖像傳感器(11)位于第二透鏡(9)的后焦面上； 一維周期光柵⑶的周期d與矩形窗口(6)沿λ/4波片(4)排列方向的寬度D之間滿足關(guān)系d = 3 λ f/D，式中f為第一透鏡(7)和第二透鏡(9)的焦距。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于分光棱鏡的三窗口共光路干涉檢測(cè)裝置，其特征在于分光同步相移系統(tǒng)(10)由消偏振分光棱鏡(10-1)和偏振片組(10-2)組成，所述消偏振分光棱鏡(10-1)呈立方體結(jié)構(gòu)，該偏振片組(10-2)由兩片偏振片組成， 分光同步相移系統(tǒng)(10)的入射光束為消偏振分光棱鏡(10-1)的入射光束，分光同步相移系統(tǒng)(10)的出射光束為偏振片組(10-2)的出射光束， 消偏振分光棱鏡(10-1)將入射光束分成兩束光束，該兩束光束分別從消偏振分光棱鏡(10-1)的分光面兩側(cè)出射，并分別對(duì)應(yīng)于偏振片組(10-2)中的一片偏振片，經(jīng)兩片偏振片偏振后出射，作為偏振片組(10-2)的出射光束； 消偏振分光棱鏡(10-1)的分光面與Xz平面平行,消偏振分光棱鏡(10-1)的入射光束與所述分光面平行，消偏振分光棱鏡(10-1)的入射光束從分光面一側(cè)的斜面入射；所述偏振片組(10-2)為偏振方向分別成0°角和90°角的兩片偏振片組成的2X1陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于分光棱鏡的三窗口共光路干涉檢測(cè)裝置，其特征在于 待測(cè)物體(5)放置在矩形窗口(6)內(nèi)、矩形窗口(6)的光束入射側(cè)或矩形窗口(6)的光束出射側(cè)，待測(cè)物體(5)沿λ/4波片(4)排列方向的長(zhǎng)度小于或者等于D/3，待測(cè)物體(5)位于所述居于中間的λ/4波片(4)的正后方。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于分光棱鏡的三窗口共光路干涉檢測(cè)裝置，其特征在于一維周期光柵(8)為二值一維周期光柵、正弦一維周期光柵或余弦一維周期光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于分光棱鏡的三窗口共光路干涉檢測(cè)裝置，其特征在于偏振片⑵的透光軸與χ軸成45°角。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于分光棱鏡的三窗口共光路干涉檢測(cè)裝置，其特征在于三個(gè)λ/4波片(4)中兩側(cè)的λ/4波片(4)快軸沿χ軸方向放置，中間的λ/4波片(4)快軸沿y軸方向放置。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于分光棱鏡的三窗口共光路干涉檢測(cè)裝置，其特征在于所述矩形窗口(6)為 DX(D/3) = 9. 49mmX3. 16mm 的窗口。
8.一種基于權(quán)利要求I所述基于分光棱鏡的三窗口共光路干涉檢測(cè)裝置的干涉檢測(cè)方法，其特征在于它的實(shí)現(xiàn)過程如下 打開光源(1)，使光源(I)發(fā)射的光束經(jīng)偏振片(2)和準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(3)準(zhǔn)直擴(kuò)束后形成平行偏振光束，該平行偏振光束通過三個(gè)λ/4波片(4)、待測(cè)物體(5)和矩形窗口(6)后，再依次經(jīng)過第一透鏡(7)、一維周期光柵(8)和第二透鏡(9)產(chǎn)生O級(jí)和±1級(jí)衍射光束，該衍射光束入射至分光同步相移系統(tǒng)(10)后，在圖像傳感器(11)平面上產(chǎn)生干涉，將計(jì)算機(jī)(12)采集獲得的干涉圖像根據(jù)矩形窗口(6)的小窗口的尺寸分割獲得待測(cè)物體(5)的六幅干涉圖樣，該六幅干涉圖樣按照從左到右，并且從上到下的順序強(qiáng)度分布依次為I-D/3,0、1(1,0、Id/3,0、I-D/3,90、工0,90 和 Id/3,90， 對(duì)強(qiáng)度分布為 I-D/3，90、Io,90 和ID/3,9Q的干涉圖樣進(jìn)行鏡像翻轉(zhuǎn)后得到強(qiáng)度分布r _D/3,9(l、r Utl和I' D/3,9(l，計(jì)算由一維周期光柵⑶引起的相移角Θ : 式中C。為一維周期光柵(8)占空比，K為中間變量， 根據(jù)相移角Θ，計(jì)算待測(cè)物體(5)的相位分布爐(U):
全文摘要
基于分光棱鏡的三窗口共光路干涉檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法，屬于干涉檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。它解決了現(xiàn)有干涉檢測(cè)法測(cè)量精度低的問題。它采用光源、偏振片、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、三個(gè)λ/4波片、待測(cè)物體、矩形窗口、第一透鏡、一維周期光柵、第二透鏡、分光同步相移系統(tǒng)、圖像傳感器和計(jì)算機(jī)形成干涉檢測(cè)裝置，其中分光同步相移系統(tǒng)由消偏振分光棱鏡和偏振片組組成，所述消偏振分光棱鏡呈立方體結(jié)構(gòu)；檢測(cè)方法通過一次曝光采集獲得待測(cè)物體的六幅干涉圖，達(dá)到物體相位恢復(fù)的目的，它根據(jù)一維周期光柵引起的相移角θ，計(jì)算出待測(cè)物體的相位分布φ(x，y)，相位恢復(fù)算法簡(jiǎn)單。本發(fā)明適用于對(duì)待測(cè)物體的干涉檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01B9/02GK102878922SQ20121033646
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月12日
發(fā)明者單明廣, 鐘志, 郝本功 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)