專(zhuān)利名稱(chēng)：用于同步移相干涉儀的空間移相器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)干涉測(cè)量領(lǐng)域，是一種用于同步移相干涉儀的空間移相器，特 別是一種用單個(gè)圖像傳感器同時(shí)接收多幅移相干涉圖像的空間移相器。
背景技術(shù)：
移相干涉儀利用移相技術(shù)來(lái)輔助提取相位信息，可以獲得高的測(cè)量精度且在整 個(gè)測(cè)量區(qū)域上實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)量。常見(jiàn)的移相干涉儀是采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)鏡移動(dòng) 或者改變激光波長(zhǎng)等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)移相的，多幅移相干涉圖像在不同時(shí)間內(nèi)采集得 到，稱(chēng)之為時(shí)域移相干涉儀。時(shí)域移相干涉儀由于干涉圖像采集時(shí)間的變化使其對(duì) 使用環(huán)境的要求非?？量蹋渲姓駝?dòng)的影響尤為突出。振動(dòng)將導(dǎo)致干涉圖像產(chǎn)生抖 動(dòng)、扭曲、模糊，使得干涉儀在移相過(guò)程中采集圖像時(shí)引入隨機(jī)相位誤差，影響測(cè) 量精度甚至使測(cè)量無(wú)法進(jìn)行。同時(shí)，時(shí)域移相干涉儀的移相干涉圖像是在不同時(shí)間 內(nèi)產(chǎn)生的，故它只適合于靜態(tài)波面或者準(zhǔn)靜態(tài)波面測(cè)量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)波面的實(shí)時(shí) 測(cè)量。上述問(wèn)題可以采用同步移相干涉儀來(lái)解決，同步移相干涉儀瞬間獲得多幅移 相干涉圖像，故可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)波面的抗振動(dòng)測(cè)量和動(dòng)態(tài)波面的實(shí)時(shí)測(cè)量。
在同步移相干涉儀中，測(cè)量光束與參考光束的偏振方向相互垂直。測(cè)量光束與 參考光束合束后進(jìn)入空間移相器，空間移相器將測(cè)量光束、參考光束進(jìn)行分光以形 成多個(gè)子光束組，每個(gè)子光束組中包含測(cè)量子光束和參考子光束，同時(shí)不同子光束 組中的測(cè)量子光束、參考子光束具有不同的相位差，進(jìn)而形成多幅具有不同移相量 的干涉圖像?？臻g移相器是同步移相干涉儀的一個(gè)核心部件，它直接影響同步移相 干涉儀的性能特征。
在先技術(shù)[l](參見(jiàn)Chris L. Koliopoulos. Simultaneous phase shift interferometer. Proc. SPIE, Vol.1531, 119-127, 1991)中描述了一種空間移相器，該空間移相器主要 由一塊二分之一波片、 一個(gè)分束棱鏡、 一塊四分之一波片、兩個(gè)偏振分束棱鏡和四 個(gè)圖像傳感器所組成。偏振方向相互垂直的測(cè)量光束與參考光束合束并經(jīng)過(guò)半波片 后由分束棱鏡進(jìn)行第一次分光，分光產(chǎn)生的透射子光束、反射子光束均包含測(cè)量子 光束與參考子光束，透射子光束被一個(gè)偏振分束棱鏡進(jìn)行第二次分光，反射子光束經(jīng)過(guò)四分之一波片后由另一個(gè)偏振分束棱鏡進(jìn)行第二次分光。兩次分光后產(chǎn)生的四 組子光束形成四幅依次移相90。的干涉圖像。
在先技術(shù)[2](參見(jiàn) Arjan J. R van Haasteren, Hans J. Frankena. Real-time displacement measurement using a multicamera phase-stepping speckle interferometer-Applied Optics, Vol. 33, No. 19, 4137-4142, 1994)中描述了一種空間移相器，該空間 移相器主要由一個(gè)分束棱鏡、兩塊四分之一波片、 一個(gè)單輸出檢偏器、 一個(gè)雙輸出 檢偏器和三個(gè)圖像傳感器所組成。偏振方向相互垂直的測(cè)量光束與參考光束合束并 經(jīng)過(guò)分束棱鏡進(jìn)行分光，其透射子光束、反射子光束均包含測(cè)量子光束與參考子光 束。反射子光束經(jīng)過(guò)四分之一波片后進(jìn)入單輸出檢偏器，形成一幅移相量為90°的 干涉圖像，該干涉圖由一個(gè)圖像傳感器所接收。透射子光束經(jīng)過(guò)四分之一波片后進(jìn) 入雙輸出檢偏器，雙輸出檢偏器進(jìn)行偏振分光產(chǎn)生移相量為0°和180。的兩幅干涉 圖像，分別由兩個(gè)圖像傳感器所接收。該空間移相器在三個(gè)圖像傳感器上共形成了 三幅移相量分別為0°、 90°和180。的干涉圖像。
在先技術(shù)[3](參見(jiàn) Piotr Szwaykowski, Raymond J Castonguay, Frederick N Bushroe. Simultaneous phase shifting module for use in interferometry. US Patent, No.20060146340)中描述了一種空間移相器，該空間移相器主要由一個(gè)復(fù)合分束棱 鏡、三塊四分之一波片、三塊檢偏器和三個(gè)圖像傳感器所組成。偏振方向相互垂直 的參考光束與測(cè)量光束合束后進(jìn)入該空間移相器，復(fù)合分束棱鏡進(jìn)行兩次分光后將 其分為三個(gè)子光束組，各個(gè)包含測(cè)量子光束、參考子光束的子光束組分別經(jīng)過(guò)四分 之一波片、檢偏器后在圖像傳感器上形成干涉圖，利用三個(gè)檢偏器方位角度的不同 使三幅干涉圖像的移相量分別為0°、 90°和180°。
上述在先技術(shù)主要有下列幾個(gè)缺點(diǎn)
1、 對(duì)比度一致性差。各組子光束經(jīng)過(guò)不同的光學(xué)元器件后產(chǎn)生干涉，而光學(xué) 元器件的材料特性、面形、表面疵病和光學(xué)薄膜無(wú)法保證相同，使各個(gè)測(cè)量子光束、 參考子光束的強(qiáng)度及其分布不相同，進(jìn)而使移相干涉圖之間的背景光強(qiáng)、對(duì)比度不 相同。多個(gè)圖像傳感器接收不同移相量的干涉圖，各個(gè)圖像傳感器的光電性能會(huì)存 在差異，也使移相干涉圖像之間的對(duì)比度不相同。
2、 需要精確同步控制。多個(gè)圖像傳感器接收不同移相量的干涉圖，為了使各 個(gè)圖像傳感器采集相同時(shí)刻與相同時(shí)間間隔的干涉圖像，必須精確同步控制多個(gè)圖 像傳感器進(jìn)行同步采集。3、 移相量難以準(zhǔn)確控制。波片的相位延遲量誤差、快軸方位角誤差及其位置 傾斜誤差、檢偏器的方位角誤差及其較低的消光比都會(huì)引入移相誤差，使移相量不 能準(zhǔn)確控制。
4、 位置匹配誤差大。不同光路的測(cè)量子光束與參考子光束在不同圖像傳感器 上形成移相干涉圖像，光路的差異和圖像傳感器的位置差異會(huì)使多個(gè)干涉圖像的相 對(duì)位置不同，光學(xué)元器件、圖像傳感器的轉(zhuǎn)動(dòng)量差異與傾斜量差異會(huì)使不同干涉圖 像產(chǎn)生不同的變形，從而使移相干涉圖像之間的位置匹配誤差大。
5、 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝調(diào)困難。空間移相器兩次分光形成多個(gè)子光束組以獲得三幅
或者四幅移相干涉圖像，多組個(gè)子光束組在空間上完全分開(kāi)且不平行，使得光學(xué)、 機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積較大，同時(shí)光路的調(diào)試和結(jié)構(gòu)的裝配也困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于同步移相干涉儀的 空間移相器，該空間移相器應(yīng)具有對(duì)比度一致性高、無(wú)須同步控制、移相量精確、 位置匹配精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、易于裝調(diào)的特點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種用于同步移相干涉儀的空間移相器，特點(diǎn)在于其僅由一個(gè)平行分束棱鏡、 一個(gè)薩瓦特偏光鏡和一個(gè)圖像傳感器組成，所述的平行分束棱鏡、薩瓦特偏光鏡和 圖像傳感器依次處于光束的行進(jìn)方向上。
所述的平行分束棱鏡由斜方棱鏡的斜面與直角棱鏡的斜面膠合而成，該斜方棱 鏡與直角棱鏡膠合的斜面上鍍有消偏振分束薄膜，斜方棱鏡的另一個(gè)斜面鍍反射式 相位延遲薄膜，其相位延遲量為90°。
所述的薩瓦特偏光鏡由兩塊光軸與晶體表面法線成一定夾角的大雙折射率差單 軸晶體平板構(gòu)成，兩塊單軸晶體平板的光學(xué)參數(shù)完全相同，兩個(gè)單軸晶體平板的主 截面相互垂直。
所述的薩瓦特偏光鏡中的兩塊單軸晶體平板的光軸與其表面法線的夾角相同，
其變化范圍為0°~90°。
所述圖像傳感器可以為CCD圖像傳感器、CM0S圖像傳感器或者光電探測(cè)器陣列。 與在先技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果如下
1、對(duì)比度一致性高。薩瓦特偏光鏡的均勻分光特性和多幅干涉圖像的單個(gè)圖像傳感器接收方式使千涉圖像對(duì)比度的一致性只受平行分束棱鏡分光均勻性的影 響，控制消偏振分束薄膜的分束比與相位延遲薄膜的反射比，可以使平行分束棱鏡 出射的兩個(gè)子光束組的強(qiáng)度相等，進(jìn)而使移相干涉圖之間的對(duì)比度相同。
2、 無(wú)須同步控制。單個(gè)圖像傳感器接收四幅移相干涉圖像，能保證四幅移相 干涉圖像的采集時(shí)刻及時(shí)間間隔完全相同，不再存在同步控制的問(wèn)題。
3、 移相量精確。平行分束棱鏡利用反射式相位延遲薄膜產(chǎn)生移相，薄膜制備過(guò) 程可以保證其移相量為90°，薩瓦特偏光鏡由其偏振特性決定其兩路干涉圖像的移相 量是準(zhǔn)確的180°，故四幅移相干涉圖像之間的移相量可以精確控制。
4、 位置匹配精度高。本發(fā)明中形成四幅移相干涉圖的子光束組在空間上相互平 行，其空間位置僅僅決定于平行分束棱鏡、薩瓦特偏光鏡的平行分束位移量，而分 束棱鏡、薩瓦特偏光鏡的平行分束位移量在器件加工后即被確定且易于精確測(cè)量， 故移相干涉圖像之間空間位置可以精確匹配。
5、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、易于裝調(diào)。本發(fā)明中的空間移相器僅由一個(gè)平行分束棱鏡、 一個(gè)薩瓦特偏光鏡和一個(gè)圖像傳感器組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊且易于裝配。平行分 束棱鏡和薩瓦特偏光鏡形成的子光束組在空間上相互平行，且四幅移相干涉圖由單 個(gè)圖像傳感器所接收，使光路的調(diào)試變得很簡(jiǎn)單。
總之,本發(fā)明具有對(duì)比度一致性高、無(wú)須同步控制、移相量精確、位置匹配精度 高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、易于裝調(diào)的特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明空間移相器的光路圖。 圖2為本發(fā)明平行分束棱鏡的結(jié)構(gòu)圖。 圖3為本發(fā)明薩瓦特偏光鏡的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù) 范圍。
先請(qǐng)參閱圖l，圖l是本發(fā)明空間移相器的光路圖。由圖可見(jiàn)，本發(fā)明所述空 間移相器由平行分束棱鏡l、薩瓦特偏光鏡2與圖像傳感器3組成，平行分束棱鏡1、薩瓦特偏光鏡2與圖像傳感器3依次處于光束的行進(jìn)方向上。平行分束棱鏡1 的入射面與其分束面重合。薩瓦特偏光鏡2中晶體平板的主截面與平行分束棱鏡1 的分束面成45°角，薩瓦特偏光鏡2的分束面與平行分束棱鏡1的分束面相互垂直。 同步移相干涉儀輸出的參考光束A0與測(cè)量光束B(niǎo)0經(jīng)過(guò)平行分束棱鏡1、薩瓦特偏 光鏡2后形成四幅依次移相90。的干涉圖像，四幅干涉圖像由圖像傳感器3所接收。
平行分束棱鏡1的結(jié)構(gòu)請(qǐng)參閱圖2。平行分束棱鏡1由斜方棱鏡101的斜面與 直角棱鏡102的斜面膠合而成，斜方棱鏡101的一個(gè)斜面與直角棱鏡102的膠合面 la鍍有消偏振分束薄膜。斜方棱鏡IOI的另一個(gè)斜面lb鍍相位延遲薄膜，相位延 遲薄膜的相位延遲量為90°。入射光經(jīng)過(guò)平行分束棱鏡1后分成兩束即透射光束lt 與反射光束lr，該透射光束lt與所述的反射光束lr的出射方向相互平行且有一定 的位移量。膠合面la的消偏振分束薄膜的分束比與斜面lb的相位延遲薄膜的反射 比被控制，使透射光束lt和反射光束lr的強(qiáng)度相等。透射光束lt中電矢量垂直于 入射面的分量與電矢量平行于入射面的分量之間的相位差不改變，反射光束lr中 電矢量垂直于入射面的分量與電矢量平行于入射面的分量之間的相位差增加90°。
薩瓦特偏光鏡2的結(jié)構(gòu)請(qǐng)參閱圖3。薩瓦特偏光鏡2由光學(xué)參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸相 同的兩塊大折射率差單軸晶體平板201、 202構(gòu)成。晶體平板201的光軸2a、晶體 平板202的光軸2b與薩瓦特偏光鏡2的表面法線的夾角都為e ，夾角e的變化范 圍為0°~90°。晶體平板201中光軸2a所在的主截面與晶體平板202中光軸2b所在 的主截面相互垂直。入射光經(jīng)過(guò)晶體平板201后分為尋常光2o與非常光2e，非常 光2e在晶體平板201的主截面內(nèi)產(chǎn)生位移。晶體平板201出射的非常光2e在晶體 平板202中變成了尋常光2eo，晶體平板201出射的尋常光2o在晶體平板202中變 成了非常光2oe， 2oe光在晶體平板202的主截面內(nèi)也產(chǎn)生位移。晶體平板201、 202 產(chǎn)生的位移量相等且處于互相垂直的平面內(nèi)，即薩瓦特偏光鏡2的橫向位移方向與 晶體平板201、 202的主截面分別成45。。
對(duì)于同步移相干涉儀，入射在圖1所示空間移相器上的參考光束AO與測(cè)量光 束B(niǎo)0都為線偏振光，參考光束AO與測(cè)量光束B(niǎo)0的偏振方向相互垂直。參考光束 AO經(jīng)過(guò)平行分束棱鏡1后分成具有一定橫向位移量的光束All、 A12，測(cè)量光束 BO經(jīng)過(guò)平行分束棱鏡l后分成具有一定橫向位移量的光束B(niǎo)ll、 B12，光束All、 A12之間的橫向位移量與光束B(niǎo)11、 B12之間的橫向位移量相等。光束All、光束 Bll的偏振方向相互垂直而分別與參考光束AO、測(cè)量光束B(niǎo)O之間的偏振方向相同，光束A12、光束B(niǎo)12的偏振方向相互垂直而分別與參考光束A0、測(cè)量光束B(niǎo)0之 間的偏振方向相同。光束All、光束B(niǎo)ll之間的相位差與參考光束A0、測(cè)量光束 BO之間的相位差相同，而光束A12、光束B(niǎo)12之間的相位差與參考光束A0、測(cè)量 光束B(niǎo)O之間的相位差相比增加了卯°。光束All經(jīng)過(guò)薩瓦特偏光鏡2后進(jìn)行偏振 分束形成具有一定橫向位移量的光束A21與光束A22，光束B(niǎo)ll經(jīng)過(guò)薩瓦特偏光 鏡2后進(jìn)行偏振分束形成具有一定橫向位移量的光束B(niǎo)21與光束B(niǎo)22，光束A21、 光束A22之間的橫向位移量與光束B(niǎo)21、光束B(niǎo)22之間橫向位移量相同。光束A21、 光束B(niǎo)21的偏振方向相同，故光束A21、光束B(niǎo)21將產(chǎn)生干涉，在圖像傳感器3 的AB1區(qū)域上形成一幅干涉圖像。光束A22、光束B(niǎo)22的偏振方向相同，故光束 A22、光束B(niǎo)22也將產(chǎn)生干涉，在圖像傳感器3的AB2區(qū)域上形成一幅干涉圖像。 由于薩瓦特偏光鏡2的偏振分束特性，光束A21、光束B(niǎo)21形成的干涉圖像與A22、 光束B(niǎo)22形成的干涉圖像之間的干涉光強(qiáng)互補(bǔ)，即圖像傳感器3的AB1、 AB2區(qū) 域上兩幅干涉圖像的移相量相差180°。同理，光束A12、光束B(niǎo)12經(jīng)過(guò)薩瓦特偏 光鏡2后也將在圖像傳感器3的AB3、 AB4區(qū)域上獲得移相量相差180°的兩幅干 涉圖。由于光束A12、光束B(niǎo)12之間的相位差與光束A11、光束B(niǎo)11之間的相位差 相比增加了 90°，則在圖像傳感器3的AB1區(qū)域、AB2區(qū)域、AB3區(qū)域、AB4區(qū) 域上獲得了相移量分別為0°、 90°、 180°、 270。的四幅干涉圖。四幅依次移相90° 的干涉圖由圖像傳感器3進(jìn)行接收、采集，即實(shí)現(xiàn)了同步移相干涉測(cè)量。
本發(fā)明的最佳實(shí)施例的光路結(jié)構(gòu)如圖1、圖2、圖3所示，其具體結(jié)構(gòu)和參數(shù) 敘述如下
平行分束棱鏡1的光學(xué)材料為K9玻璃材料，其平行分束位移量為3.2mm。平 行分束棱鏡1中消偏振分束薄膜的反射率與透射率之比為50.04% : 49.96%，相位延 遲薄膜的反射率與相位延遲量分別為99.84%與90.0°。薩瓦特偏光鏡2由兩塊光學(xué) 參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸相同的方解石晶體平板所構(gòu)成，兩塊方解石晶體平板的主截面相互 垂直。方解石晶體平板的光軸與表面法線的夾角都為42。，薩瓦特偏光鏡2的平行 分束位移量為2.4mm。圖像傳感器3為1/2"CCD圖像傳感器。
將最佳實(shí)施例所述的空間移相器應(yīng)用于同步移相干涉儀中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明CCD 圖像傳感器單次釆集可以同時(shí)獲得四幅像素?cái)?shù)為600x400的移相干涉圖像，移相干 涉圖像之間的移相量分別為0°、 90°、 180°、 270°。
權(quán)利要求
1、一種用于同步移相干涉儀的空間移相器，其特征在于由一個(gè)平行分束棱鏡(1)、一個(gè)薩瓦特偏光鏡(2)和一個(gè)圖像傳感器(3)組成，所述的平行分束棱鏡(1)、薩瓦特偏光鏡(2)和圖像傳感器(3)依次處于光束的行進(jìn)方向上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間移相器，其特征在于所述的平行分束棱鏡(1) 由斜方棱鏡(101)的斜面與直角棱鏡(102)的斜面膠合而成，所述的斜方棱鏡(101) 與所述的直角棱鏡(102)膠合的斜面上鍍有消偏振分束薄膜，所述的斜方棱鏡(101) 的另一個(gè)斜面鍍反射式相位延遲薄膜，其相位延遲量為卯°。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間移相器，其特征在于所述的薩瓦特偏光鏡(2) 由兩塊光軸與晶體表面法線成一定夾角的大雙折射率差單軸晶體平板構(gòu)成，兩塊單 軸晶體平板的光學(xué)參數(shù)完全相同，兩個(gè)單軸晶體平板的主截面相互垂直。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的空間移相器，其特征在于所述的薩瓦特偏光鏡中的兩 塊單軸晶體平板的光軸與其表面法線的夾角相同，其變化范圍為0°~90°。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間移相器，其特征在于所述圖像傳感器為CCD圖像 傳感器、CMOS圖像傳感器或光電探測(cè)器陣列。
全文摘要
一種用于同步移相干涉儀的空間移相器，特點(diǎn)在于其僅由一個(gè)平行分束棱鏡、一個(gè)薩瓦特偏光鏡和一個(gè)圖像傳感器組成，所述的平行分束棱鏡、薩瓦特偏光鏡和圖像傳感器依次處于光束的行進(jìn)方向上。本發(fā)明空間移相器具有對(duì)比度一致性高、無(wú)須同步控制、移相量精確、位置匹配精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、易于裝調(diào)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B9/02GK101319873SQ20081004061
公開(kāi)日2008年12月10日 申請(qǐng)日期2008年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月16日
發(fā)明者曾愛(ài)軍, 江曉軍, 王向朝, 郭小嫻, 黃惠杰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所