專利名稱：基于正交雙光柵的同步移相干涉檢測裝置及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于正交雙光柵的同步移相干涉檢測裝置及檢測方法，屬于光學(xué)移相干涉檢測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光學(xué)移相干涉測量是一種非接觸、高精度的全場測量方法，被廣泛的應(yīng)用于光學(xué)表面、形變及厚度等測量領(lǐng)域，但傳統(tǒng)的移相技術(shù)由于需要在不同時(shí)間采集多幅移相干涉圖，不適合測量運(yùn)動(dòng)物體或動(dòng)態(tài)過程。同步移相可在同一時(shí)間得到多幅相移干涉圖，克服了傳統(tǒng)移相干涉技術(shù)的缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體或動(dòng)態(tài)過程的實(shí)時(shí)測量，近年來受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。
墨西哥學(xué)者G. Rodriguez-Zurita等提出利用一維光柵和偏振調(diào)制方法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)同步相移的方法(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)合了偏振調(diào)制通過一次曝光獲得的四幅相移干涉圖。該方法調(diào)整方便，成本低，且可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測量，但是該方法因?yàn)槔枚嗉壯苌涔獾竭_(dá)CCD干涉，造成CCD的有效面積利用率低，同時(shí)因?yàn)檠苌浼壌喂鈴?qiáng)的不同，使得四幅干涉圖對比度不同，增加了數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性并影響測量精度。南京理工大學(xué)陳磊等提出基于二維光柵分光和偏振調(diào)制方法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)同步相移的方法(左芬，陳磊，徐春生.基于二維光柵分光的同步移相干涉測量技術(shù).光學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27 (4) =663-667)。該方法在邁克耳遜偏振移相干涉儀的基礎(chǔ)上，利用一個(gè)正交的二維光柵產(chǎn)生對稱的衍射光，并選取(±1，±1)級衍射光作為測量分光路，結(jié)合偏振調(diào)制通過一次曝光獲得四幅相移干涉圖。該方法實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)測量，但是它對光能和圖像傳感器CCD有效面積的利用率低，同時(shí)受(0，0)、(O, ±1)和(±1，0)等衍射級次光影響大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有同步相移方法對光能和CCD有效面積的利用率低的問題，提供一種基于正交雙光柵的同步移相干涉檢測裝置及檢測方法。本發(fā)明所述基于正交雙光柵的同步移相干涉檢測裝置，它包括光源，它還包括偏振片、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、第一偏振分光棱鏡、待測物體、第一反射鏡、第二反射鏡、第二偏振分光棱鏡、λ/4波片、矩形窗口、第一傅里葉透鏡、一維周期幅度光柵、一維周期相位光柵、第二傅里葉透鏡、四象限偏振片組、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，—維周期幅度光柵和一維周期相位光柵組成雙光柵，一維周期幅度光柵和一維周期相位光柵按照光柵線方向正交放置；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)束后的出射光束入射至第一偏振分光棱鏡，第一偏振分光棱鏡的反射光束經(jīng)待測物體后入射至第一反射鏡，第一反射鏡的反射光束作為物光束入射至第二偏振分光棱鏡；第一偏振分光棱鏡的透射光束經(jīng)第二反射鏡反射后作為參考光束入射至第二偏振分光棱鏡；匯合于第二偏振分光棱鏡的物光束和參考光束經(jīng)過λ /4波片和矩形窗口后入射至第一傅里葉透鏡，經(jīng)第一傅里葉透鏡匯聚后的出射光束通過由一維周期幅度光柵和一維周期相位光柵組成的雙光柵后入射至第二傅里葉透鏡，經(jīng)第二傅里葉透鏡透射后的出射光束入射至四象限偏振片組，該四象限偏振片組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輸出端連接計(jì)算機(jī)的圖像信號輸入端；以第一傅里葉透鏡光軸的方向?yàn)閆軸方向建立xyz三維直角坐標(biāo)系，所述矩形窗口沿垂直于光軸的方向設(shè)置，并且沿X軸方向均分為兩個(gè)小窗口 ；第一傅里葉透鏡和第二傅里葉透鏡的焦距均為f ；矩形窗口位于第一傅里葉透鏡的前焦面上；一維周期幅度光柵和一維周期相位光 柵組成的雙光柵位于第一傅里葉透鏡的后焦面上并且位于第二傅里葉透鏡的前焦面上；圖像傳感器位于第二傅里葉透鏡的后焦面上；一維周期幅度光柵的周期d與矩形窗口沿X軸方向的長度L之間滿足關(guān)系d =
2λ f/L ;一維周期相位光柵的周期dphase與矩形窗口沿y軸方向的寬度W之間滿足關(guān)系
dphase ( 2 λ f/W。一維周期幅度光柵為二值一維周期幅度光柵、正弦一維周期幅度光柵或余弦一維周期幅度光柵。一維周期相位光柵為相位為O和π的二值光柵。四象限偏振片組為四片偏振片組成的2X2陣列，該四片偏振片的排布沿逆時(shí)針方向?yàn)橐来涡D(zhuǎn)45°角。所述偏振片的透光軸與X軸呈45°角。所述λ/4波片快軸沿與X軸呈45°角的方向放置。所述矩形窗口為LXW = 6. 33^X3. 16臟的窗口?；谏鲜龌谡浑p光柵的同步移相干涉檢測裝置的檢測方法，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)的準(zhǔn)直擴(kuò)束后形成線偏振光，該線偏振光通過第一偏振分光棱鏡后分成物光束和參考光束；匯合于第二偏振分光棱鏡的物光束和參考光束通過λ/4波片和矩形窗口后，再依次經(jīng)過第一傅里葉透鏡、一維周期幅度光柵、一維周期相位光柵、第二傅里葉透鏡和四象限偏振片組后，在圖像傳感器平面上產(chǎn)生干涉圖樣，計(jì)算機(jī)將采集獲得的干涉圖樣依據(jù)矩形窗口的小窗口的尺寸分割獲得待測物體的四幅干涉圖樣，該四幅干涉圖樣以右上角圖像為第一幅干涉圖樣，并按照逆時(shí)針方向排布為第一至第四幅干涉圖樣，四幅干涉圖樣按順序的強(qiáng)度分布順次為、、、、^和14，根據(jù)四幅干涉圖樣的強(qiáng)度分布計(jì)算獲得待測物體的相位分布爐(1少_):φ{(diào)χ, y) = arctan y~γ-。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明將雙光柵分光技術(shù)和偏振調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、方法簡單易行的特點(diǎn)。其對圖像傳感器有效面積的利用率高，可實(shí)時(shí)高精度的用于待測物體的測量中。本發(fā)明所述檢測裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低；在使用操作中不需要改變光路，也不需要移動(dòng)任何光學(xué)器件，操作方便靈活，穩(wěn)定性高。本發(fā)明方法將雙光柵分光技術(shù)和偏振調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，通過一次曝光采集便可獲得四幅干涉圖樣，以達(dá)到物體相位恢復(fù)的目的，在提高了測量精度的基礎(chǔ)上，方法簡單易行，同時(shí)提高了圖像傳感器的有效面積利用率；所述檢測方法中四幅干涉圖樣的對比度相同，與四象限偏振片組中四片偏振片的映射關(guān)系簡單，極大提高了相位恢復(fù)算法的效率，同時(shí)消除了因多級次衍射引入的相移誤差和隨機(jī)噪聲，提高了測量精度，進(jìn)而更適合實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量。


圖I為本發(fā)明所述基于正交雙光柵的同步移相干涉檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為一維周期幅度光柵和一維周期相位光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為四象限偏振片組的四片偏振片的配置圖；圖4為計(jì)算機(jī)采集獲得的干涉圖樣分割獲得的待測物體的四幅干涉圖樣，該四幅干涉圖樣與圖3中四片偏振片一一對應(yīng)獲得；圖5根據(jù)待測物體的相位分布恢復(fù)獲得的待測物體的相位分布。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖I至圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述基于正交雙光柵的同步移相干涉檢測裝置，它包括光源1，它還包括偏振片2、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)3、第一偏振分光棱鏡4、待測物體5、第一反射鏡6、第二反射鏡7、第二偏振分光棱鏡8、λ /4波片
9、矩形窗口 10、第一傅里葉透鏡11、一維周期幅度光柵12、一維周期相位光柵13、第二傅里葉透鏡14、四象限偏振片組15、圖像傳感器16和計(jì)算機(jī)17，其中λ為光源I發(fā)射光束的光波長，一維周期幅度光柵12和一維周期相位光柵13組成雙光柵，一維周期幅度光柵12和一維周期相位光柵13按照光柵線方向正交放置；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)束后的出射光束入射至第一偏振分光棱鏡4，第一偏振分光棱鏡4的反射光束經(jīng)待測物體5后入射至第一反射鏡6，第一反射鏡6的反射光束作為物光束入射至第二偏振分光棱鏡8 ;第一偏振分光棱鏡4的透射光束經(jīng)第二反射鏡7反射后作為參考光束入射至第二偏振分光棱鏡8 ；匯合于第二偏振分光棱鏡8的物光束和參考光束經(jīng)過λ /4波片9和矩形窗口 10后入射至第一傅里葉透鏡11，經(jīng)第一傅里葉透鏡11匯聚后的出射光束通過由一維周期幅度光柵12和一維周期相位光柵13組成的雙光柵后入射至第二傅里葉透鏡14，經(jīng)第二傅里葉透鏡14透射后的出射光束入射至四象限偏振片組15，該四象限偏振片組15的出射光束由圖像傳感器16的光接收面接收，圖像傳感器16的圖像信號輸出端連接計(jì)算機(jī)17的圖像信號輸入端；以第一傅里葉透鏡11光軸的方向?yàn)棣戚S方向建立xyz三維直角坐標(biāo)系，所述矩形窗口 10沿垂直于光軸的方向設(shè)置,并且沿X軸方向均分為兩個(gè)小窗口 ；第一傅里葉透鏡11和第二傅里葉透鏡14的焦距均為f ；矩形窗口 10位于第一傅里葉透鏡11的前焦面上；一維周期幅度光柵12和一維周期相位光柵13組成的雙光柵位于第一傅里葉透鏡11的后焦面上并且位于第二傅里葉透鏡14的前焦面上；圖像傳感器16位于第二傅里葉透鏡14的后焦面上；一維周期幅度光柵12的周期d與矩形窗口 10沿X軸方向的長度L之間滿足關(guān)系d = 2 λ f/L ；一維周期相位光柵13的周期dph_與矩形窗口 10沿y軸方向的寬度W之間滿足關(guān)系dphase < 2 λ f/ffo本實(shí)施方式中，準(zhǔn)直擴(kuò)束后的線偏振平行光，通過第一偏振分光棱鏡4后分成偏振方向相互垂直的物光束和參考光束。待測物體5和第一反射鏡6放置在第一偏振分光棱鏡4的反射方向上，第二反射鏡7放置在第一偏振分光棱鏡4的透射方向上。光源I可以米用波長為632. 8nm的He-Ne激光器；一維周期幅度光柵12可以米用周期d = 50 μ m的Ronchi光柵,一維周期相位光柵13可以采用周期(Jphase = 50 μ m的二值相位光柵。第一傅里葉透鏡11和第二傅里葉透鏡14焦距f均可以為250mm。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式為對實(shí)施方式一的進(jìn)一步說明，一維周期幅度光柵12為二值一維周期幅度光柵、正弦一維周期幅度光柵或余弦一維周期幅度光柵。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式為對實(shí)施方式二的進(jìn)一步說明，一維周期相位光柵13為相位為O和的二值光柵。
具體實(shí)施方式
四下面結(jié)合圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為對實(shí)施方式一、二或三的進(jìn)一步說明，四象限偏振片組15為四片偏振片組成的2X2陣列，該四片偏振片的排布沿逆時(shí)針方向?yàn)橐来涡D(zhuǎn)45°角。本實(shí)施方式中四片偏振片的偏振方向不同，四個(gè)偏振方向如圖3所示，右上角偏振片的偏振方向與光軸夾角為0，其它三個(gè)偏振片以右上角偏振片為基準(zhǔn)沿逆時(shí)針方向排布，并且，該三個(gè)偏振片的偏振方向以右上角偏振片為基準(zhǔn)依次相對于前一個(gè)偏振片逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°角。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式為對實(shí)施方式一、二、三或四的進(jìn)一步說明，所述偏振片2的透光軸與X軸呈45°角。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式為對實(shí)施方式一、二、三、四或五的進(jìn)一步說明，所述入/4波片9快軸沿與X軸呈45°角的方向放置。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式為對實(shí)施方式一、二、三、四、五或六的進(jìn)一步說明，所述矩形窗口 10為LXW = 6. 33mmX3. 16臟的窗口。·
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)施方式為基于上述實(shí)施方式之一所述基于正交雙光柵的同步移相干涉檢測裝置的檢測方法，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的準(zhǔn)直擴(kuò)束后形成線偏振光，該線偏振光通過第一偏振分光棱鏡4后分成物光束和參考光束；匯合于第二偏振分光棱鏡8的物光束和參考光束通過λ /4波片9和矩形窗口 10后，再依次經(jīng)過第一傅里葉透鏡11、一維周期幅度光柵12、一維周期相位光柵13、第二傅里葉透鏡14和四象限偏振片組15后，在圖像傳感器16平面上產(chǎn)生干涉圖樣，計(jì)算機(jī)17將采集獲得的干涉圖樣依據(jù)矩形窗口 10的小窗口的尺寸分割獲得待測物體5的四幅干涉圖樣，該四幅干涉圖樣以右上角圖像為第一幅干涉圖樣，并按照逆時(shí)針方向排布為第一至第四幅干涉圖樣，四幅干涉圖樣按順序的強(qiáng)度分布順次為I、12、I3和I4，根據(jù)四幅干涉圖樣的強(qiáng)度分布計(jì)算獲得待測物體5的相位分布
權(quán)利要求
1.一種基于正交雙光柵的同步移相干涉檢測裝置，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)、第一偏振分光棱鏡(4)、待測物體(5)、第一反射鏡(6)、第二反射鏡(7)、第二偏振分光棱鏡(8)、λ/4波片(9)、矩形窗口(10)、第一傅里葉透鏡(11)、一維周期幅度光柵(12)、一維周期相位光柵(13)、第二傅里葉透鏡(14)、四象限偏振片組(15)、圖像傳感器(16)和計(jì)算機(jī)(17)，其中λ為光源(I)發(fā)射光束的光波長， 一維周期幅度光柵(12)和一維周期相位光柵(13)組成雙光柵，一維周期幅度光柵(12)和一維周期相位光柵(13)按照光柵線方向正交放置； 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)束后的出射光束入射至第一偏振分光棱鏡(4),第一偏振分光棱鏡(4)的反射光束經(jīng)待測物體(5)后入射至第一反射鏡(6)，第一反射鏡(6)的反射光束作為物光束入射至第二偏振分光棱鏡(8);第一偏振分光棱鏡(4)的透射光束經(jīng)第二反射鏡(7)反射后作為參考光束入射至第二偏振分光棱鏡(8)； 匯合于第二偏振分光棱鏡(8)的物光束和參考光束經(jīng)過入/4波片(9)和矩形窗口(10)后入射至第一傅里葉透鏡(11)，經(jīng)第一傅里葉透鏡(11)匯聚后的出射光束通過由一維周期幅度光柵(12)和一維周期相位光柵(13)組成的雙光柵后入射至第二傅里葉透鏡(14)，經(jīng)第二傅里葉透鏡(14)透射后的出射光束入射至四象限偏振片組(15)，該四象限偏振片組(15)的出射光束由圖像傳感器(16)的光接收面接收，圖像傳感器(16)的圖像信號輸出端連接計(jì)算機(jī)(17)的圖像信號輸入端； 以第一傅里葉透鏡(11)光軸的方向?yàn)棣戚S方向建立xyz三維直角坐標(biāo)系，所述矩形窗口(10)沿垂直于光軸的方向設(shè)置，并且沿X軸方向均分為兩個(gè)小窗口 ； 第一傅里葉透鏡(11)和第二傅里葉透鏡(14)的焦距均為f ； 矩形窗口(10)位于第一傅里葉透鏡(11)的前焦面上；一維周期幅度光柵(12)和一維周期相位光柵(13)組成的雙光柵位于第一傅里葉透鏡(11)的后焦面上并且位于第二傅里葉透鏡(14)的前焦面上； 圖像傳感器(16)位于第二傅里葉透鏡(14)的后焦面上； 一維周期幅度光柵(12)的周期d與矩形窗口(10)沿X軸方向的長度L之間滿足關(guān)系d = 2 λ f/L ； 一維周期相位光柵(13)的周期dph■與矩形窗口(10)沿y軸方向的寬度W之間滿足關(guān)系dphase ^ 2 λ f/ffo
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于正交雙光柵的同步移相干涉檢測裝置，其特征在于一維周期幅度光柵(12)為二值一維周期幅度光柵、正弦一維周期幅度光柵或余弦一維周期幅度光柵。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于正交雙光柵的同步移相干涉檢測裝置，其特征在于一維周期相位光柵(13)為相位為O和π的二值光柵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于正交雙光柵的同步移相干涉檢測裝置，其特征在于四象限偏振片組(15)為四片偏振片組成的2X2陣列，該四片偏振片的排布沿逆時(shí)針方向?yàn)橐来涡D(zhuǎn)45°角。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于正交雙光柵的同步移相干涉檢測裝置，其特征在于所述偏振片⑵的透光軸與X軸呈45°角。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于正交雙光柵的同步移相干涉檢測裝置，其特征在于所述入/4波片(9)快軸沿與X軸呈45°角的方向放置。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于正交雙光柵的同步移相干涉檢測裝置，其特征在于所述矩形窗口(10)為 LXW = 6. 33mmX3. 16mm 的窗口。
8.一種基于權(quán)利要求I所述基于正交雙光柵的同步移相干涉檢測裝置的檢測方法，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)的準(zhǔn)直擴(kuò)束后形成線偏振光，該線偏振光通過第一偏振分光棱鏡(4)后分成物光束和參考光束；匯合于第二偏振分光棱鏡⑶的物光束和參考光束通過λ/4波片(9)和矩形窗口(10)后,再依次經(jīng)過第一傅里葉透鏡(11)、一維周期幅度光柵(12)、一維周期相位光柵(13)、第二傅里葉透鏡(14)和四象限偏振片組(15)后，在圖像傳感器(16)平面上產(chǎn)生干涉圖樣，計(jì)算機(jī)(17)將采集獲得的干涉圖樣依據(jù)矩形窗口(10)的小窗口的尺寸分割獲得待測物體(5)的四幅干涉圖樣，該四幅干涉圖樣以右上角圖像為第一幅干涉圖樣，并按照逆時(shí)針方向排布為第一至第四幅干涉圖樣，四幅干涉圖樣按順序的強(qiáng)度分布順次為11、12、13和14，根據(jù)四幅干涉圖樣的強(qiáng)度分布計(jì)算獲得待測物體(5)的相位分布V):
全文摘要
基于正交雙光柵的同步移相干涉檢測裝置及檢測方法，屬于光學(xué)移相干涉檢測領(lǐng)域。它解決了現(xiàn)有同步相移方法對光能和CCD有效面積的利用率低的問題。它將雙光柵分光技術(shù)和偏振調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，將準(zhǔn)直擴(kuò)束后的線偏振平行光，通過第一偏振分光棱鏡后分成偏振方向相互垂直的物光束和參考光束；待測物體和第一反射鏡放置在第一偏振分光棱鏡的反射方向上，第二反射鏡放置在第一偏振分光棱鏡的透射方向上，在使用操作中不需要改變光路，也不需要移動(dòng)任何光學(xué)器件，通過一次曝光采集便可獲得四幅干涉圖樣，以達(dá)到物體相位恢復(fù)的目的。本發(fā)明適用于光學(xué)表面、形變及厚度等測量。
文檔編號G01B9/02GK102914256SQ20121037139
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29日
發(fā)明者單明廣, 鐘志, 郝本功, 竇崢, 張雅彬, 刁鳴 申請人:哈爾濱工程大學(xué)