本發(fā)明涉及光干涉計(jì)量測試領(lǐng)域，特別是一種使用棱鏡分光的共光路點(diǎn)衍射同步移相干涉測試裝置。
背景技術(shù)：
：：點(diǎn)衍射干涉儀（pointdiffractioninterferometer，pdi）是smartt在1972年提出的，其基本原理為帶有被測信息的會聚波通過一個(gè)直徑約為數(shù)個(gè)波長（小于艾里斑直徑）的小孔之后，會發(fā)生衍射，形成一個(gè)近似標(biāo)準(zhǔn)的球面波，可作為干涉測試中的參考光，用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)干涉儀中由標(biāo)準(zhǔn)球面鏡產(chǎn)生的參考球面波。移相干涉測量技術(shù)是指通過對干涉場的調(diào)制產(chǎn)生移相，再由所采集到的若干幅移相干涉圖像利用一定算法，恢復(fù)待測物理量的一項(xiàng)測量技術(shù)。利用移相技術(shù)，可以通過干涉圖之間簡單的點(diǎn)對點(diǎn)計(jì)算來復(fù)原相位，不需要定位條紋中心，也不需要利用插值等算法擬合相位，因此移相干涉技術(shù)顯著提高了干涉測量的精度和自動化程度。移相方式可以分為時(shí)域移相和空域移相。相對于時(shí)域移相，空域移相（即同步移相）的干涉測量技術(shù)可以很好的減輕環(huán)境振動和空氣擾動對干涉測量的影響，提高測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在先前的研究中，robertm.neal和jamesc.wyant提出了一種基于偏振移相的點(diǎn)衍射干涉測量裝置（robertm.nealandjamesc.wyant,"polarizationphase-shiftingpoint-diffractioninterferometer,"appl.opt.45,3463-3476(2006)），該裝置利用偏振方法來分開參考光和測試光，具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于裝調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。該裝置中對點(diǎn)衍射板進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，可使參考光和測試光具有正交的偏振態(tài)，用線偏振器移相。不過該裝置的偏振移相并不是同時(shí)產(chǎn)生的，特別是高速測量中會產(chǎn)生較大誤差。在先前的研究中，daodangwang等人提出了一種利用光纖實(shí)現(xiàn)點(diǎn)衍射干涉的測量方法（daodangwang,xixichen,yangboxu,fuminwang,mingkong,junzhao,andbaowuzhang,"high-nafiberpoint-diffractioninterferometerforthree-dimensionalcoordinatemeasurement,"opt.express22,25550-25559(2014)），該方法將參考光和測試光耦合進(jìn)光纖中，并通過光纖出射參考波面與測試波面相干涉獲得干涉圖像。該裝置優(yōu)點(diǎn)在于光纖在光纖中傳輸可以有效減少環(huán)境振動和空氣擾動的影響，但該方法的移相需要通過放置在被測鏡后面的pzt實(shí)現(xiàn)，因此會產(chǎn)生較大的移相誤差，且無法實(shí)現(xiàn)高速測量。在先前的研究中，natant.shaked提出了一種基于點(diǎn)衍射干涉儀的相位顯微鏡（natant.shaked,"quantitativephasemicroscopyofbiologicalsamplesusingaportableinterferometer,"opt.lett.37,2016-2018(2012)）。該方法的干涉結(jié)構(gòu)是一個(gè)基于邁克爾遜干涉儀的4f系統(tǒng)，因此參考光與測試光相互分開。相對于共光路的干涉系統(tǒng)，該方法容易受到環(huán)境振動和空氣擾動的影響，出現(xiàn)測量誤差。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明目的在于提供一種使用棱鏡分光的共光路點(diǎn)衍射同步移相干涉測試裝置，通過小孔衍射產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)球面波代替?zhèn)鹘y(tǒng)干涉儀中由標(biāo)準(zhǔn)球面鏡產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)球面波，具有更高的精度，共光路的設(shè)計(jì)減少了系統(tǒng)誤差，且本發(fā)明不易受到外界環(huán)境影響，可實(shí)現(xiàn)高速動態(tài)測量。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種使用棱鏡分光的共光路點(diǎn)衍射同步移相干涉測試裝置，包括測試光路、4f系統(tǒng)光路、分光光路和移相光路，所述測試光路包括共光軸依次設(shè)置的激光器、擴(kuò)束系統(tǒng)和偏振分束鏡，被測樣品設(shè)置在擴(kuò)束系統(tǒng)和偏振分束鏡之間，激光器出射的非偏振光，經(jīng)擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后入射至被測樣品，攜帶被測樣品信息的信號光入射至偏振分束鏡，經(jīng)偏振分束鏡獲得兩束偏振方向正交的信號光，分別為s光和p光，分別進(jìn)入4f系統(tǒng)光路。所述4f系統(tǒng)光路包括沿s光光路走向依次設(shè)置的第一傅里葉透鏡、第一反射鏡、線偏振小孔衍射板、第二反射鏡和第二傅里葉透鏡，線偏振小孔衍射板設(shè)置在第一傅里葉透鏡和第二傅里葉透鏡的焦點(diǎn)處，s光入射至第一傅里葉透鏡，同時(shí)p光入射至第二傅里葉透鏡，s光透射過第一傅里葉透鏡后入射至第一反射鏡，被第一反射鏡反射后，經(jīng)線偏振小孔衍射板衍射得到標(biāo)準(zhǔn)球面波，作為參考光，入射至第二反射鏡，被第二反射鏡反射后，入射至第二傅里葉透鏡，透射過第二傅里葉透鏡后變?yōu)槠叫泄?，入射至偏振分束鏡；p光透射過第二傅里葉透鏡后入射至第二反射鏡，被第二反射鏡反射后，經(jīng)線偏振小孔衍射板，其性質(zhì)不改變，作為測試光，入射至第一反射鏡，被第一反射鏡反射后，入射至第一傅里葉透鏡，透射過第一傅里葉透鏡后變?yōu)槠叫泄?，入射至偏振分束鏡，參考光和測試光經(jīng)偏振分束鏡合束后，進(jìn)入分光光路，經(jīng)分光光路后分為四束，進(jìn)入移相光路。所述移相光路包括共光軸依次設(shè)置的縮束系統(tǒng)、偏振陣列和探測器，四束合束的參考光和測試光經(jīng)縮束系統(tǒng)縮束后，入射至偏振陣列，偏振陣列由四個(gè)通光軸方向分別為0°、45°、90°和135°的線偏振器呈“田”字型排列組成，分別產(chǎn)生0、π/2、π和3π/2的移相，之后被探測器接收，獲得四幅移相干涉圖像。所述分光光路包括λ/4波片、第一分光棱鏡組、第二分光棱鏡組和第三分光棱鏡組，第一分光棱鏡組包括第一三角棱鏡、第二三角棱鏡和第三三角棱鏡，第二三角棱鏡和第三三角棱鏡形狀、大小完全相同，第二三角棱鏡和第三三角棱鏡的兩條長直角邊所在的矩形面緊密貼合，兩條短直角邊所在的矩形面共面，第一三角棱鏡的斜邊所在的矩形面上靠近長直角邊的一側(cè)開有凹槽，第三三角棱鏡的斜邊所在的矩形面與第一三角棱鏡的斜邊所在的矩形面開有凹槽的一側(cè)緊密貼合，所述凹槽長度小于第三三角棱鏡的斜邊長度；第二分光棱鏡組包括第四三角棱鏡、第五三角棱鏡和第六三角棱鏡，第三分光棱鏡組包括第七三角棱鏡、第八三角棱鏡和第九三角棱鏡，第二分光棱鏡組和第三分光棱鏡組的形狀、大小與第一分光棱鏡組完全相同；第一分光棱鏡組中第二三角棱鏡的短直角邊所在的矩形面與第二分光棱鏡組中第四三角棱鏡的短直角邊所在的矩形面緊密貼合；第一分光棱鏡組中第三三角棱鏡的短直角邊所在的矩形面與第三分光棱鏡組中第七三角棱鏡的短直角邊所在的矩形面緊密貼合。所述第一分光棱鏡組中第一三角棱鏡的長直角邊所在的矩形面鍍有高反膜，第二三角棱鏡所在的矩形面與第三三角棱鏡長直角邊所在的矩形面之間夾有一層半透半反膜；第二分光棱鏡組中第四三角棱鏡的長直角邊所在的矩形面鍍有高反膜，第五三角棱鏡所在的矩形面與第六三角棱鏡長直角邊所在的矩形面之間夾有一層半透半反膜；第三分光棱鏡組中第七三角棱鏡的長直角邊所在的矩形面鍍有高反膜，第八三角棱鏡所在的矩形面與第九三角棱鏡長直角邊所在的矩形面之間夾有一層半透半反膜。所述合束后的參考光和測試光透過λ/4波片后，變?yōu)檎坏膱A偏光，從第一分光棱鏡組中第一三角棱鏡的短直角邊所在的矩形面入射后，在第一三角棱鏡的斜邊產(chǎn)生全內(nèi)反射，在鍍有高反膜的第一三角棱鏡的長直角邊發(fā)生反射，從第一三角棱鏡的斜邊凹槽出射，經(jīng)過空氣層后從第三三角棱鏡的斜邊入射，一部分光透射過第二三角棱鏡和第三三角棱鏡長直角邊之間的半透半反膜，在第二三角棱鏡的斜邊發(fā)生全內(nèi)反射，從第二三角棱鏡的短直角邊出射；另一部分光被第二三角棱鏡和第三三角棱鏡長直角邊之間的半透半反膜反射，在第三三角棱鏡的斜邊發(fā)生全內(nèi)反射，從第三三角棱鏡的短直角邊出射；從第二三角棱鏡出射的光從第四三角棱鏡的短直角邊入射后，在第四三角棱鏡的斜邊產(chǎn)生全內(nèi)反射，在鍍有高反膜的第四三角棱鏡的長直角邊發(fā)生反射，從第四三角棱鏡的斜邊凹槽出射，經(jīng)過空氣層后從第六三角棱鏡的斜邊入射，一部分光透射過第五三角棱鏡和第六三角棱鏡長直角邊之間的半透半反膜，在第五三角棱鏡的斜邊發(fā)生全內(nèi)反射，從第五三角棱鏡的短直角邊出射；另一部分光被第五三角棱鏡和第六三角棱鏡長直角邊之間的半透半反膜反射，在第六三角棱鏡的斜邊發(fā)生全內(nèi)反射，從第六三角棱鏡的短直角邊出射；從第三三角棱鏡出射的光從第七三角棱鏡的短直角邊入射后，在第七三角棱鏡的斜邊產(chǎn)生全內(nèi)反射，在鍍有高反膜的第七三角棱鏡的長直角邊發(fā)生反射，從第七三角棱鏡的斜邊凹槽出射，出射經(jīng)過空氣層后從第九三角棱鏡的斜邊入射，一部分光透射過第八三角棱鏡和第九三角棱鏡長直角邊之間的半透半反膜，在第八三角棱鏡的斜邊發(fā)生全內(nèi)反射，從第八三角棱鏡的短直角邊出射；另一部分光被第八三角棱鏡和第九三角棱鏡長直角邊之間的半透半反膜反射，在第九三角棱鏡的斜邊發(fā)生全內(nèi)反射，從第九三角棱鏡的短直角邊出射。所述第三三角棱鏡與第一三角棱鏡的相似比為1:2。本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：(1)在本發(fā)明的4f系統(tǒng)光路中，s光和p光經(jīng)過的路徑完全相同，減少了環(huán)境振動和空氣擾動產(chǎn)生的測量誤差。(2)沒有使用光柵元件，可以達(dá)到很高的光能利用率，對比度高。(3)使用分光棱鏡組實(shí)現(xiàn)對入射光的對稱等光程分光，具有很高的匹配精度，適用于高速動態(tài)測量。(4)利用小孔衍射產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)球面波的精度可達(dá)到λ/10000以上，同時(shí)降低了成本。(5)測試光路在干涉儀前端，還可方便進(jìn)行一些特殊物體的測量。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。附圖說明圖1為本發(fā)明使用棱鏡分光的共光路點(diǎn)衍射同步移相干涉測試光路結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明特殊設(shè)計(jì)的分光棱鏡示意圖，其中（a）為第一分光棱鏡組結(jié)構(gòu)示意圖；（b）為第二分光棱鏡組結(jié)構(gòu)示意圖；（c）為第三分光棱鏡組結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式結(jié)合圖1，一種使用棱鏡分光的共光路點(diǎn)衍射同步移相干涉測試裝置，包括測試光路17、4f系統(tǒng)光路18、分光光路19和移相光路20。結(jié)合圖1，所述測試光路17包括共光軸依次設(shè)置的激光器1、擴(kuò)束系統(tǒng)2和偏振分束鏡4，被測樣品3設(shè)置在擴(kuò)束系統(tǒng)2和偏振分束鏡4之間。激光器1出射的非偏振光，經(jīng)擴(kuò)束系統(tǒng)2擴(kuò)束準(zhǔn)直后入射至被測樣品3，攜帶被測樣品3信息的光入射至偏振分束鏡4，經(jīng)偏振分束鏡4獲得兩束偏振方向正交的信號光，兩束光分別為s光和p光，分別進(jìn)入4f系統(tǒng)光路18。所述測試光路17在本發(fā)明提出的干涉測試裝置前端，除可測量光學(xué)元件以外，還可方便進(jìn)行一些特殊物體的測量。結(jié)合圖1，所述4f系統(tǒng)光路18包括沿s光光路走向依次設(shè)置的第一傅里葉透鏡5、第一反射鏡7、線偏振小孔衍射板9、第二反射鏡8和第二傅里葉透鏡6，其中線偏振小孔衍射板9設(shè)置在第一傅里葉透鏡5和第二傅里葉透鏡6的焦點(diǎn)處。s光入射至第一傅里葉透鏡5，同時(shí)p光入射至第二傅里葉透鏡6。s光透射過第一傅里葉透鏡5后會聚，入射至第一反射鏡7，被第一反射鏡7反射后，入射至線偏振小孔衍射板9，由于線偏振小孔衍射板9的通光軸與p光偏振方向一致，小孔直徑小于艾里斑直徑，因此s光入射到小孔衍射板9上后，衍射得到標(biāo)準(zhǔn)球面波，作為參考光，然后入射至第二反射鏡8，被第二反射鏡8反射后，入射至第二傅里葉透鏡6，透射過第二傅里葉透鏡6后變?yōu)槠叫泄猓肷渲疗穹质R4；p光透射過第二傅里葉透鏡6后會聚，入射至第二反射鏡8，被第二反射鏡8反射后，入射至線偏振小孔衍射板9，由于線偏振小孔衍射板9的通光軸與p光偏振方向一致，p光性質(zhì)不改變，作為測試光，然后入射至第一反射鏡7，被第一反射鏡7反射后，入射至第一傅里葉透鏡5，透射過第一傅里葉透鏡5后變?yōu)槠叫泄?，入射至偏振分束鏡4，參考光和測試光經(jīng)偏振分束鏡4合束后，進(jìn)入分光光路19，經(jīng)分光光路19后分為四束，進(jìn)入移相光路20。由于參考光和測試光的偏振方向正交，所以不產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。所述4f系統(tǒng)光路18實(shí)現(xiàn)了s光和p光經(jīng)過的路徑完全相同，減少了環(huán)境振動和空氣擾動產(chǎn)生的測量誤差，且通過小孔衍射產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)球面波的精度可達(dá)到λ/10000以上。結(jié)合圖1和圖2，所述分光光路19包括λ/4波片10、第一分光棱鏡組11、第二分光棱鏡組12和第三分光棱鏡組13。第一分光棱鏡組11包括第一三角棱鏡21、第二三角棱鏡22和第三三角棱鏡23，第二三角棱鏡22和第三三角棱鏡23形狀、大小完全相同，第二三角棱鏡22和第三三角棱鏡23的兩條長直角邊所在的矩形面緊密貼合，兩條短直角邊所在的矩形面共面，第一三角棱鏡21的斜邊所在的矩形面上靠近長直角邊的一側(cè)開有凹槽，第三三角棱鏡23的斜邊所在的矩形面與第一三角棱鏡21的斜邊所在的矩形面開有凹槽的一側(cè)緊密貼合，所述凹槽長度小于第三三角棱鏡23的斜邊長度。第二分光棱鏡組12包括第四三角棱鏡24、第五三角棱鏡25和第六三角棱鏡26，第三分光棱鏡組13包括第七三角棱鏡27、第八三角棱鏡28和第九三角棱鏡29，第二分光棱鏡組12和第三分光棱鏡組13的形狀、大小與第一分光棱鏡組11完全相同。第一分光棱鏡組11中第二三角棱鏡22的短直角邊所在的矩形面與第二分光棱鏡組12中第四三角棱鏡24的短直角邊所在的矩形面緊密貼合，第一分光棱鏡組11中第三三角棱鏡23的短直角邊所在的矩形面與第三分光棱鏡組13中第七三角棱鏡27的短直角邊所在的矩形面緊密貼合。結(jié)合圖1和圖2，所述第一分光棱鏡組11中第一三角棱鏡21的長直角邊所在的矩形面鍍有高反膜，第二三角棱鏡22所在的矩形面與第三三角棱鏡23長直角邊所在的矩形面之間夾有一層半透半反膜；第二分光棱鏡組12中第四三角棱鏡24的長直角邊所在的矩形面鍍有高反膜，第五三角棱鏡25所在的矩形面與第六三角棱鏡26長直角邊所在的矩形面之間夾有一層半透半反膜；第三分光棱鏡組13中第七三角棱鏡27的長直角邊所在的矩形面鍍有高反膜，第八三角棱鏡28所在的矩形面與第九三角棱鏡29長直角邊所在的矩形面之間夾有一層半透半反膜。結(jié)合圖1和圖2，合束后的參考光和測試光透過λ/4波片10后，變?yōu)檎坏膱A偏光，從第一分光棱鏡組11中第一三角棱鏡21的短直角邊所在的矩形面入射后，在第一三角棱鏡21的斜邊產(chǎn)生全內(nèi)反射，在鍍有高反膜的第一三角棱鏡21的長直角邊發(fā)生反射，從第一三角棱鏡21的斜邊凹槽出射，經(jīng)過空氣層后從第三三角棱鏡23的斜邊入射，一部分光透射過第二三角棱鏡22和第三三角棱鏡23長直角邊之間的半透半反膜，在第二三角棱鏡22的斜邊發(fā)生全內(nèi)反射，從第二三角棱鏡22的短直角邊出射；另一部分光被第二三角棱鏡22和第三三角棱鏡23長直角邊之間的半透半反膜反射，在第三三角棱鏡23的斜邊發(fā)生全內(nèi)反射，從第三三角棱鏡23的短直角邊出射；從第二三角棱鏡22出射的光從第四三角棱鏡24的短直角邊入射后，在第四三角棱鏡24的斜邊產(chǎn)生全內(nèi)反射，在鍍有高反膜的第四三角棱鏡24的長直角邊發(fā)生反射，從第四三角棱鏡24的斜邊凹槽出射，經(jīng)過空氣層后從第六三角棱鏡26的斜邊入射，一部分光透射過第五三角棱鏡25和第六三角棱鏡26長直角邊之間的半透半反膜，在第五三角棱鏡25的斜邊發(fā)生全內(nèi)反射，從第五三角棱鏡25的短直角邊出射；另一部分光被第五三角棱鏡25和第六三角棱鏡26長直角邊之間的半透半反膜反射，在第六三角棱鏡26的斜邊發(fā)生全內(nèi)反射，從第六三角棱鏡26的短直角邊出射；從第三三角棱鏡23出射的光從第七三角棱鏡27的短直角邊入射后，在第七三角棱鏡27的斜邊產(chǎn)生全內(nèi)反射，在鍍有高反膜的第七三角棱鏡27的長直角邊發(fā)生反射，從第七三角棱鏡27的斜邊凹槽出射，出射經(jīng)過空氣層后從第九三角棱鏡29的斜邊入射，一部分光透射過第八三角棱鏡28和第九三角棱鏡29長直角邊之間的半透半反膜，在第八三角棱鏡28的斜邊發(fā)生全內(nèi)反射，從第八三角棱鏡28的短直角邊出射；另一部分光被第八三角棱鏡28和第九三角棱鏡29長直角邊之間的半透半反膜反射，在第九三角棱鏡29的斜邊發(fā)生全內(nèi)反射，從第九三角棱鏡29的短直角邊出射。結(jié)合圖2，所述第三三角棱鏡23與第一三角棱鏡21的相似比為1:2。所述分光光路19還可以采用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)。可利用棱鏡分光技術(shù)，如利用直角棱鏡與分光棱鏡的組合等；或可利用光柵分光技術(shù)，如利用棋盤光柵等。所述分光光路19中沒有使用光柵元件，因此可以達(dá)到很高的光能利用率。所述第一分光棱鏡組11、第二分光棱鏡組12和第三分光棱鏡組13的組合實(shí)現(xiàn)了對入射光的對稱等光程分光，獲得的四束出射光可同時(shí)到達(dá)探測器16，因此適用于高速動態(tài)測量。且四束出射光均平行于光軸，無需再利用其他光學(xué)元件準(zhǔn)直，具有很高的匹配精度。結(jié)合圖1，所述移相光路20包括共光軸依次設(shè)置的縮束系統(tǒng)14、偏振陣列15和探測器16，四束合束的參考光和測試光經(jīng)縮束系統(tǒng)14縮束后，入射至偏振陣列15，偏振陣列15由四個(gè)通光軸方向分別為0°、45°、90°和135°的線偏振器呈“田”字型排列組成，分別產(chǎn)生0、π/2、π和3π/2的移相，之后被探測器16接收，獲得四幅移相干涉圖像。將通過本發(fā)明所述的使用棱鏡分光的共光路點(diǎn)衍射同步移相干涉測試裝置獲得的四幅移相干涉圖像，利用一定的移相算法，如四步移相法或哈里哈蘭法等，可重構(gòu)出被測相位。本發(fā)明提供一種使用棱鏡分光的共光路的點(diǎn)衍射同步移相干涉測試裝置，可產(chǎn)生精度達(dá)到λ/10000以上的標(biāo)準(zhǔn)球面波作為參考光。共光路的設(shè)計(jì)可有效減少環(huán)境振動和空氣擾動帶來的測量誤差。并且使用特殊設(shè)計(jì)的分光棱鏡，除線偏振小孔衍射板外沒有使用其他衍射元件，具有很高的光能利用率。適用于透射及反射元件的高速動態(tài)測量。當(dāng)前第1頁12當(dāng)前第1頁12