專利名稱：基于同步載頻移相的干涉顯微檢測裝置與檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于同步載頻移相的干涉顯微檢測裝置與檢測方法，屬于光學(xué)干涉檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
干涉顯微將干涉技術(shù)和顯微放大技術(shù)相結(jié)合，可精確地分析物體的三維形貌和相位型物體的位相信息，具有分辨力高、測量速度快等傳統(tǒng)干涉技術(shù)和顯微技術(shù)不可替代的優(yōu)勢，是一種比較理想的微小物體三維形貌和位相分布測量的方法。
2006年，瑞士 Lyncee Tec公司首次推出DHM-1000數(shù)字全息顯微鏡，可用于測量微小物體的三維形貌和位相分布。但需要傾斜參考光以獲得足夠大載頻使干涉圖樣的零頻分量、實(shí)像和共軛像在頻譜面上分離，因此，不能充分利用圖像傳感器的橫向分辨率或空間帶寬積，限制了其測量精度的提高。西安光機(jī)所的姚保利等提出利用平行雙光柵的同步載頻移相干涉顯微方法(P. Gao, B. L. Yao, I. Harder, J. Min, R. Guo, J. Zheng, T. Ye. ParalIel two-stepphase-shifting digitalholograph microscopy based on a grating pair. J. Opt. Soc.Am. A2011,28 (3) :434-440)。該方法通過調(diào)整平行雙光柵間距調(diào)制載頻，并結(jié)合偏振調(diào)制通過一次曝光獲得兩幅相移載頻干涉圖。該方法通過將兩幅相移干涉圖樣相減來消除零頻分量，從而降低了對干涉圖樣中載頻量的要求，同時(shí)提高了對CCD的空間分辨率和空間帶寬積的利用率，但是該方法光利用率低，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，并需通過測量條紋確定載頻量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有同步載頻移相干涉顯微方法中光利用率低，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜的問題，提供一種基于同步載頻移相的干涉顯微檢測裝置與檢測方法。本發(fā)明所述基于同步載頻移相的干涉顯微檢測裝置，它包括光源，它還包括線偏振片、第一偏振分光棱鏡、第一準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、待測物體、顯微物鏡、校正物鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第二準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、第二偏振分光棱鏡、λ /4波片、矩形窗口、第一傅里葉透鏡、一維周期光柵、第二傅里葉透鏡、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，光源發(fā)射的光束經(jīng)線偏振片后入射至第一偏振分光棱鏡，第一偏振分光棱鏡的反射光束入射至第一準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)的光接收面，經(jīng)第一準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后的出射光束依次經(jīng)待測物體、顯微物鏡和校正物鏡后，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)第二反射鏡反射后入射至第二準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)的光接收面，經(jīng)第二準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后的出射光束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一維周期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偏振片組，該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；一維周期光柵位于第一傅里葉透鏡的后焦A f處并且位于第二傅里葉透鏡的前焦f+ A f 處，其中A f為一維周期光柵的離焦量，Af 大于0并且小于f;
圖像傳感器位于第二傅里葉透鏡的后焦面上；一維周期光柵的周期d與矩形窗口沿X軸方向的寬度D之間滿足關(guān)系d = 2 A f/Do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。偏振片組由兩片偏振片組成，該兩片偏振片形成1X2陣列，該兩片偏振片的透光軸與X軸分別呈0°和45°。人/4波片快軸與X軸呈45°。線偏振片的透光軸與X軸呈45°。本發(fā)明所述基于上所述基于同步載頻移相的干涉顯微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)線偏振片和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；物光束和參考光束經(jīng)第二偏振分光棱鏡匯合后，依次通過入/4波片、矩形窗口、第一傅里葉透鏡、一維周期光柵、第二傅里葉透鏡和偏振片組，偏振片組出射的偏振光束在圖像傳感器平面上產(chǎn)生干涉圖樣，將計(jì)算機(jī)采集獲得的干涉圖樣根據(jù)矩形窗口的小窗口的尺寸分割獲得兩幅干涉圖樣，通過計(jì)算得到待測物體的相位分布爐(U):
咖V)=㈣，其中，0'為待測物體的復(fù)振幅分布，ImO表示取虛部，ReO表示取實(shí)部，0' = Fr1 {FT {(I1-I2) Re} Hj，其中，F(xiàn)T表示傅里葉變換，F(xiàn)T—1表示逆傅里葉變換，Hff為低通濾波的傳遞函數(shù)，RE為根據(jù)一維周期光柵的離焦量Af，得到的數(shù)字參考波RE(X，y)Re (x, y) = exp (_i2 n x A f/f/d)，I1為由偏振片組中一片偏振片濾波得到的干涉圖強(qiáng)度分布，該偏振片的透光軸與X軸呈0°，I2為由偏振片組中另一片偏振片濾波得到的干涉圖強(qiáng)度分布，該另一片偏振片的透光軸與X軸呈45°，I1 (X, y) = |R 12+1 012+R*0+R0*,I2 (x, y) = I R12+1 012+exp (_i a ) R*0+exp (i a ) RO*,
其中，R表示參考光，R*表示R的復(fù)共軛，O表示物光，Cf表示O的復(fù)共軛，α =31 /2為載波相移量。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明檢測方法將離焦光柵分光技術(shù)和偏振調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，克服了本領(lǐng)域的技術(shù)偏見，通過一次曝光采集獲得兩幅相移干涉圖，并通過差動(dòng)相減方法消除零頻分量達(dá)到物體相位恢復(fù)的目的，不僅方法簡單易行，光利用率高，而且可充分利用CCD的橫向分辨率和空間帶寬積。計(jì)算機(jī)采集獲得的兩幅載頻干涉圖對比度相同，載頻可以從離焦量中直接得到，可極大提高相位恢復(fù)算法效率，同時(shí)可消除因多級次衍射引入的相移誤差和隨機(jī)噪聲，提高測量精度，進(jìn)而更適合實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低；本發(fā)明裝置在操作中不需要改變光路，也不需要傾斜或移動(dòng)任何實(shí)驗(yàn)器件，操作 方便靈活，穩(wěn)定性聞。


圖I為本發(fā)明干涉顯微檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為偏振片組中兩片偏振片的偏振方向不意圖；圖3為圖像傳感器平面上產(chǎn)生的干涉圖樣；圖4為計(jì)算機(jī)采集獲得的干涉圖樣根據(jù)矩形窗口的小窗口的尺寸分割獲得的兩幅干涉圖樣；圖5為待測物體的相位分布圖；圖6為沿圖5中虛線方向上的待測物體的相位一維分布曲線圖。
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)施方式所述基于同步載頻移相的干涉顯微檢測裝置，它包括光源1，它還包括線偏振片2、第一偏振分光棱鏡3、第一準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)4、待測物體5、顯微物鏡6、校正物鏡7、第一反射鏡8、第二反射鏡9、第二準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)10、第二偏振分光棱鏡11、λ/4波片12、矩形窗口 13、第一傅里葉透鏡14、一維周期光柵15、第二傅里葉透鏡16、偏振片組17、圖像傳感器18和計(jì)算機(jī)19，其中λ為光源I發(fā)射光束的光波長，光源I發(fā)射的光束經(jīng)線偏振片2后入射至第一偏振分光棱鏡3,第一偏振分光棱鏡3的反射光束入射至第一準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)4的光接收面，經(jīng)第一準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)4準(zhǔn)直擴(kuò)束后的出射光束依次經(jīng)待測物體5、顯微物鏡6和校正物鏡7后，入射至第一反射鏡8，第一反射鏡8的反射光束作為物光束入射至第二偏振分光棱鏡11 ；第一偏振分光棱鏡3的透射光束經(jīng)第二反射鏡9反射后入射至第二準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)10的光接收面，經(jīng)第二準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)10準(zhǔn)直擴(kuò)束后的出射光束作為參考光束入射至第二偏振分光棱鏡11 ;匯合于第二偏振分光棱鏡11的物光束和參考光束經(jīng)過入/4波片12和矩形窗口13后入射至第一傅里葉透鏡14，經(jīng)第一傅里葉透鏡14匯聚后的出射光束通過一維周期光柵15后入射至第二傅里葉透鏡16，經(jīng)第二傅里葉透鏡16透射后的出射光束入射至偏振片組17，該偏振片組17的出射光束由圖像傳感器18的光接收面接收，圖像傳感器18的信號輸出端連接計(jì)算機(jī)19的圖像信號輸入端；以第一傅里葉透鏡14光軸的方向?yàn)閦軸方向建立xyz三維直角坐標(biāo)系，所述矩形窗口 13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14和第二傅里葉透鏡16的焦距均為f ；矩形窗口 13位于第一傅里葉透鏡14的前焦面上；一維周期光柵15位于第一傅里葉透鏡14的后焦f_ Af處并且位于第二傅里葉透鏡16的前焦f+Af處，其中Af為一維周期光柵15的離焦量，A f大于0并且小于f ；圖像傳感器18位于第二傅里葉透鏡16的后焦面上； 一維周期光柵15的周期d與矩形窗口 13沿X軸方向的寬度D之間滿足關(guān)系d = 2 A f/Do本實(shí)施方式中，通過光源I發(fā)射的激光束經(jīng)過線偏振片2后生成線偏振平行光，該線偏振平行光通過第一偏振分光棱鏡3后分成偏振方向相互垂直的物光束和參考光束。光源I可采用波長632. 8nm的He-Ne激光器；一維周期光柵15可為周期d = 50lim的Ronchi光柵。
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，一維周期光柵15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。
具體實(shí)施方式
三下面結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為對實(shí)施方式一或二的進(jìn)一步說明，偏振片組17由兩片偏振片組成，該兩片偏振片形成1X2陣列，該兩片偏振片的透光軸與X軸分別呈0°和45°。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式為對實(shí)施方式一、二或三的進(jìn)一步說明，入/4波片12快軸與X軸呈45°。
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，線偏振片2的透光軸與X軸呈45°。
具體實(shí)施方式
六下面結(jié)合圖I至圖6說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述基于同步載頻移相的干涉顯微檢測裝置的檢測方法，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)線偏振片2和第一偏振分光棱鏡3后分成偏振方向相互垂直的物光束和參考光束；物光束和參考光束經(jīng)第二偏振分光棱鏡11匯合后，依次通過入/4波片12、矩形窗口 13、第一傅里葉透鏡14、一維周期光柵15、第二傅里葉透鏡16和偏振片組17，偏振片組17出射的偏振光束在圖像傳感器18平面上產(chǎn)生干涉圖樣，如圖3所示，將計(jì)算機(jī)19采集獲得的干涉圖樣根據(jù)矩形窗口 13的小窗口的尺寸分割獲得兩幅干涉圖樣，如圖4所示，通過計(jì)算得到待測物體5的相位分布Md')，如圖5和圖6所示
Im(C)')其中，0'為待測物體的復(fù)振幅分布，ImO表示取虛部，ReO表示取實(shí)部，0' = Fr1 {FT {(I1-I2) Re} Hj，其中，F(xiàn)T表示傅里葉變換，F(xiàn)T—1表示逆傅里葉變換，Hff為低通濾波的傳遞函數(shù)，Re為根據(jù)一維周期光柵12的離焦量Af，得到的數(shù)字參考波RE(X，y)Re (x, y) = exp (~i2 π χ Δ f/f/d),I1為由偏振片組14中一片偏振片濾波得到的干涉圖強(qiáng)度分布，該偏振片的透光軸與X軸呈0°，I2為由偏振片組14中另一片偏振片濾波得到的干涉圖強(qiáng)度分布，該另一片偏振片的透光軸與X軸呈45°，I1 (X，y) = Ir 12+1 OI 2+r*o+ro*，I2 (x, y) = I R12+1 012+exp (_i α ) R*0+exp (i α ) RO*,其中，R表示參考光，R*表示R的復(fù)共軛，O表示物光，Cf表示O的復(fù)共軛，α =31 /2為載波相移量。本實(shí)施方式中，I1(X, y)_I2(x, y) = [l_exp(_i a )]R*0+[l_exp(i a )]R0*,是為了去除直流量的處理過程。 I1 (X, y) -I2 (X, y)消除了直流成分的影響，其頻譜由[l_exp (_i α ) ] R*0和[1-exp (i a )]R(f兩部分組成，且這兩部分沿頻譜中心對稱分布。將公式I1U, y)-I2 (X，y) = [ι-exp (_i a ) ]R*0+[ 1-exp (i a ) ]R0* 與公式:Re (x, y) = exp (~i2 π x Δ f/f/d)式相乘得到(I1-I2) · Re = [1-exp (_i a ) ] R*0 · Re+[I-exp (i a ) ] R0* · Re,這樣[1-exp(_i a ) ]1^0 · Re 移動(dòng)到了頻譜的中心，[l_exp (i a ) ]R(f · Re 則移到了離頻譜中心更遠(yuǎn)的地方，因此，通過低通濾波Hw,得到O' = [1-exp (-i a ) ] R*0 · RE。本實(shí)施方式中，因?yàn)橥瑫r(shí)采用同步載波偏振相移技術(shù)，避免了器件移動(dòng)引入的干擾，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，而且載波頻率能夠直接從離焦量中獲得，降低了計(jì)算量，提高了處理速度。
權(quán)利要求
1.一種基于同步載頻移相的干涉顯微檢測裝置，它包括光源(1)，其特征在于它還包括線偏振片(2)、第一偏振分光棱鏡(3)、第一準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(4)、待測物體(5)、顯微物鏡(6)、校正物鏡(7)、第一反射鏡(8)、第二反射鏡(9)、第二準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(10)、第二偏振分光棱鏡(11)、λ/4波片(12)、矩形窗口(13)、第一傅里葉透鏡(14)、一維周期光柵(15)、第二傅里葉透鏡(16)、偏振片組(17)、圖像傳感器(18)和計(jì)算機(jī)(19)，其中λ為光源(I)發(fā)射光束的光波長， 光源(I)發(fā)射的光束經(jīng)線偏振片(2)后入射至第一偏振分光棱鏡(3),第一偏振分光棱鏡(3)的反射光束入射至第一準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(4)的光接收面，經(jīng)第一準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(4)準(zhǔn)直擴(kuò)束后的出射光束依次經(jīng)待測物體(5)、顯微物鏡(6)和校正物鏡(7)后，入射至第一反射鏡(8),第一反射鏡(8)的反射光束作為物光束入射至第二偏振分光棱鏡(11)； 第一偏振分光棱鏡(3)的透射光束經(jīng)第二反射鏡(9)反射后入射至第二準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng) (10)的光接收面，經(jīng)第二準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(10)準(zhǔn)直擴(kuò)束后的出射光束作為參考光束入射至第二偏振分光棱鏡(11); 匯合于第二偏振分光棱鏡(11)的物光束和參考光束經(jīng)過λ/4波片(12)和矩形窗口(13)后入射至第一傅里葉透鏡(14)，經(jīng)第一傅里葉透鏡(14)匯聚后的出射光束通過一維周期光柵(15)后入射至第二傅里葉透鏡(16)，經(jīng)第二傅里葉透鏡(16)透射后的出射光束入射至偏振片組(17)，該偏振片組(17)的出射光束由圖像傳感器(18)的光接收面接收，圖像傳感器(18)的信號輸出端連接計(jì)算機(jī)(19)的圖像信號輸入端； 以第一傅里葉透鏡(14)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(13)沿垂直于光軸的方向設(shè)置，并且沿χ軸方向均分為兩個(gè)小窗口 ； 第一傅里葉透鏡(14)和第二傅里葉透鏡(16)的焦距均為f ； 矩形窗口(13)位于第一傅里葉透鏡(14)的前焦面上；一維周期光柵(15)位于第一傅里葉透鏡(14)的后焦f_ Af處并且位于第二傅里葉透鏡(16)的前焦f+Af處，其中Af為一維周期光柵(15)的離焦量，Λ f大于O并且小于f; 圖像傳感器(18)位于第二傅里葉透鏡(16)的后焦面上； 一維周期光柵(15)的周期d與矩形窗口(13)沿χ軸方向的寬度D之間滿足關(guān)系d = 2 λ f/D。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于同步載頻移相的干涉顯微檢測裝置，其特征在于一維周期光柵(15)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。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于同步載頻移相的干涉顯微檢測裝置，其特征在于偏振片組(17)由兩片偏振片組成，該兩片偏振片形成1X2陣列，該兩片偏振片的透光軸與χ軸分別呈O°和45。。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于同步載頻移相的干涉顯微檢測裝置，其特征在于λ/4波片(12)快軸與χ軸呈45°。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或4所述的基于同步載頻移相的干涉顯微檢測裝置，其特征在于線偏振片(2)的透光軸與χ軸呈45°。
6.一種基于權(quán)利要求I所述基于同步載頻移相的干涉顯微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(I)，使光源(I)發(fā)射的光束經(jīng)線偏振片(2)和第一偏振分光棱鏡(3)后分成偏振方向相互垂直的物光束和參考光束；物光束和參考光束經(jīng)第二偏振分光棱鏡(11)匯合后，依次通過λ/4波片(12)、矩形窗口(13)、第一傅里葉透鏡(14)、一維周期光柵(15)、第二傅里葉透鏡(I6)和偏振片組(17)， 偏振片組(17)出射的偏振光束在圖像傳感器(18)平面上產(chǎn)生干涉圖樣，將計(jì)算機(jī)(19)采集獲得的干涉圖樣根據(jù)矩形窗口(13)的小窗口的尺寸分割獲得兩幅干涉圖樣，通過計(jì)算得到待測物體(5)的相位分布供&，>’) Im ((7')Re(C)'), 其中，O'為待測物體的復(fù)振幅分布，ImO表示取虛部，ReO表示取實(shí)部，·O, = FT-1{FT{(Ii_l2) · Rj ·， 其中，F(xiàn)T表示傅里葉變換，F(xiàn)T—1表示逆傅里葉變換，Hff為低通濾波的傳遞函數(shù)，Re為根據(jù)一維周期光柵(12)的離焦量Af，得到的數(shù)字參考波RE(x，y) Re (X，y) = exp (_i2 Ji χ Δ f/f/d), I1為由偏振片組(14)中一片偏振片濾波得到的干涉圖強(qiáng)度分布，該偏振片的透光軸與χ軸呈0°，12為由偏振片組(14)中另一片偏振片濾波得到的干涉圖強(qiáng)度分布，該另一片偏振片的透光軸與χ軸呈45°，I“x，y) = I R12+1 012+R*0+R0*， I2 (x, y) = I R12+1 012+exp (_i α ) R*0+exp (i α ) RO*, 其中，R表示參考光，R*表示R的復(fù)共軛，O表示物光，Cf表示O的復(fù)共軛，a = Ji /2為載波相移量。
全文摘要
基于同步載頻移相的干涉顯微檢測裝置與檢測方法，屬于光學(xué)干涉檢測技術(shù)領(lǐng)域。它解決了現(xiàn)有同步載頻移相干涉顯微方法中光利用率低，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜的問題。檢測裝置包括光源、線偏振片、第一偏振分光棱鏡、第一準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、待測物體、顯微物鏡、校正物鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第二準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、第二偏振分光棱鏡、λ/4波片、矩形窗口、第一傅里葉透鏡、一維周期光柵、第二傅里葉透鏡、偏振片組、圖像傳感器和計(jì)算機(jī)；檢測方法為將離焦光柵分光技術(shù)和偏振調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，通過一次曝光采集獲得兩幅相移干涉圖，并通過差動(dòng)相減方法消除零頻分量實(shí)現(xiàn)物體相位恢復(fù)。本發(fā)明適用于微小物體形貌檢測。
文檔編號G01B9/04GK102954757SQ20121042456
公開日2013年3月6日 申請日期2012年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月30日
發(fā)明者鐘志, 單明廣, 郝本功, 刁鳴, 竇崢, 張雅彬 申請人:哈爾濱工程大學(xué)