基于消偏振分光棱镜的同步相移干涉测量装置的制作方法

本发明涉及光学干涉检测技术领域，具体涉及一种基于消偏振分光棱镜的同步相移干涉测量装置。

背景技术：

表面形貌测量在工业生产和制造业中有着十分重要的应用，光滑物体的表面三维形状需要精确测量以保证制造质量，光学相移干涉因为具有非接触、无损和精度高等优点，已被长期用作表面形貌测量的计量工具。传统的相移技术主要通过驱动压电陶瓷来移动参考镜，在时域采集多幅干涉图样，然而这容易受到压电陶瓷的非线性误差和环境因素的不稳定的影响，例如环境振动或空气湍流，从而造成测量偏差。为便于干涉技术适用于测量动态物体，最近几年兴起了同步相移干涉测量技术，它可以瞬间获取多幅相移干涉图像，由于这种实时性，大大降低了环境干扰的影响，提高了系统的精度和稳定性。

同步相移干涉测量技术基于空间移相，在同一时刻采集多幅具有恒定相移量的干涉图样，这样环境振动对每一幅干涉图样的影响都是相同的，从而能从根本上杜绝环境振动对干涉测量的影响。

中国专利《可实时测量的同步相移斐索干涉装置》，公开号为cn102589414a，公开日为2012年7月18日，该专利通过采用一个表面平整度非常高的1/4波片代替传统斐索干涉仪中的标准参考平晶，使参考光束与物光束经历了完全相同的路径，提高了系统的抗干扰能力。他们使用一对正交ronchi光栅实现了光束的分离，并结合偏振片组通过一次曝光获得四幅相移干涉图样，实现了测量的实时性，但是该系统采用了高质量的1/4波片和光栅对，导致了装置的成本高。

西安光机所的姚保利等提出一种基于分光棱镜的两步相移干涉测量装置(p.gao，b.l.yao，j.min，r.guo，j.zheng，t.ye.paralleltwo-stepphase-shiftingmicroscopicinterferometrybasedonacubebeamsplitter.opticscommunications,2011,284(18):4136-4140)。该装置利用分光棱镜将具有正交偏振的光束分束为两束，其中一束光束中的物光束的光强比参考光束的光强强，另外一束光束的的情况刚好相反，他们采用了一个1/4波片和1/2波片来保证两束光束中的参考光束和物光束的光强分布相同，从而获得条纹对比度较好的相移干涉图样，但该装置采用了1/4波片和1/2波片来调控条纹对比度，这无疑增加了系统的复杂度。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有同步干涉测量系统的结构复杂、成本高等问题，提供一种基于消偏振分光棱镜的同步相移干涉测量装置。

本发明的技术解决方案为:

本发明所述基于消偏振分光棱镜的同步相移干涉测量装置,它包括照明模块、偏振干涉模块、同步相移模块，照明模块依次包括激光器和准直扩束系统，该准直扩束系统包括第一透镜、针孔滤波器和第二透镜，第一透镜的后焦面与第二透镜的前焦面保持共焦，针孔滤波器位于第一透镜的后焦面，以第一透镜的光轴方向为z轴方向建立xyz三维直角坐标系；偏振干涉模块依次包括偏振片、第一消偏振分光棱镜、偏振分光棱镜、参考镜和测试镜，偏振分光棱镜放置在第一消偏振分光棱镜的反射光路上，参考镜和测试镜分别放置在偏振分光棱镜的透射光路和反射光路上，且距偏振分光棱镜距离相等；同步相移模块依次包括1/4波片、平行分光模块、偏振相移阵列和cmos相机，平行分光模块包括第二消偏振分光棱镜和反射镜。

所述偏振片沿垂直于z轴的方向放置，且其偏振方向分别与x轴和y轴成45°角，要求偏振方向沿x轴的p分量和沿y轴的s分量光强相等，使后续采集得到的两幅干涉图样的条纹对比度保持一致。

所述1/4波片的快轴方向分别沿与x轴和y轴成45°角的方向放置。

所述反射镜沿与x轴成-45°角的方向放置。

所述偏振相移阵列为两偏振片组成的1*2阵列，两偏振片的方位差相差45°角。

一种基于消偏振分光棱镜的同步相移干涉测量方法，它的实现过程如下：

启动激光器，使光源发射的光束经准直扩束系统和偏振片后形成平行线偏振光，入射至第一消偏振分光棱镜反射后，经偏振分光棱镜反射与透射后形成参考光束和物光束汇合至1/4波片，此时参考光束和物光束形成偏振方向正交的圆偏振光，随后一同入射至第二消偏振分光棱镜，第二消偏振分光棱镜的反射光束经反射镜反射后与第二消偏振分光棱镜的透射光束一同平行入射至偏振相移阵列，偏振相移阵列出射的偏振光束在cmos相机感光平面上产生干涉图样，采集得到的两幅干涉图样以右边图像为第一幅干涉图样，左边图像为第二幅干涉图样，两幅干涉图样按顺序的强度分别为i1和i2，经过相位提取算法与相位解包裹算法的处理得到测试镜的相位分布，实现同步相移干涉测量。

本发明的有益效果是：

1、可以实时获取两幅干涉图样，由于两幅干涉图样是在同一时刻获取的，外界环境干扰相同，降低了对环境的要求。

2、本发明装置在操作中不需要改变光路，也不需要移动任何实验器件，操作方便灵活，稳定性高，系统复杂性低。

3、两幅干涉图样对比度相同，可简化后续图像处理的难度。

4、本发明装置较现有的同步相移干涉装置而言，其结构简单、成本更低。

附图说明

图1是本发明所述基于消偏振分光棱镜的同步相移干涉测量装置的结构示意图；

图2是图1的偏振相移阵列的偏振方向示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1所示，本发明实施例的基于消偏振分光棱镜的同步相移干涉测量装置包括：激光器(1)、第一透镜(2)、针孔滤波器(3)、第二透镜(4)、偏振片(5)、第一消偏分光棱镜(6)、偏振分光棱镜(7)、参考镜(8)、测试镜(9)、1/4波片(10)、第二消偏振分光棱镜(11)、反射镜(12)、偏振相移阵列(13)、cmos相机(14)。

本发明所包含的部件功能如下：

1、激光器(1)，波长在可见光范围，输出一束线偏振光且功率稳定。

2、第一透镜(2)、针孔滤波器(3)、第二透镜(4)组成准直扩束系统，第一透镜的后焦面与第二透镜的前焦面保持共焦，针孔滤波器位于第一透镜的后焦面。

3、偏振片(5)改变入射光的偏振方向，且其偏振方向分别与x轴和y轴成45°角。

4、第一消偏振分光棱镜(6)，第二消偏振分光棱镜(11)，用于偏振光束的透射与反射，并保持出射光的偏振态不变。

5、偏振分光棱镜(7)用于产生两束偏振方向正交的线偏振光束。

6、1/4波片(10)其快轴方向分别与参考光束和物光束的偏振方向成45°角，使得参考光束和物光束成为偏振方向正交的圆偏振光束，用于后续形成同步相移干涉。

7、反射镜(12)与x轴成-45°角的方向放置，改变第二消偏振分光棱镜的反射光束的传播方向，使其与第二消偏振分光棱镜的透射光束的传播方向平行。

8、偏振相移阵列(13)，是由两个偏振方向按逆时针顺序依次成0°、45°的两块偏振片组成，通过一次曝光就可以采集到两幅相移量分别为0°、90°的干涉图样。

9、cmos相机(14)具有合适灰度阶、像素尺寸和像素数量。

本发明所提出的光路如图1所示：

激光器(1)发射的光束经由第一透镜(2)、针孔滤波器(3)和第二透镜(4)所组成的准直扩束系统准直扩束后入射至偏振片(5)，该偏振片的偏振方向分别与x轴和y轴成45°角，保证了偏振方向沿x轴的p分量和沿y轴的s分量光强相等，从而使后续采集得到的两幅干涉图样条纹对比度保持一致，偏振片(5)的出射光束变成一束偏振方向可调的线偏振光，该线偏振光经过第一消偏振分光棱镜(6)反射至偏振分光棱镜(7)，通过偏振分光棱镜(7)后的光束被分解为一束偏振方向垂直于纸面的s分量和一束偏振方向平行于纸面的p分量，从偏振分光棱镜(7)的分光面透射的p分量经过参考镜(8)反射后作为参考光束，另外一束从偏振分光棱镜(7)的分光面反射的s分量经过测试镜(9)反射后作为物光束，该物光束携带了测试镜(9)表面的面型信息，通过调节参考镜(8)与反射镜(9)的空间位置，使反射的s分量与透射的p分量经过偏振分光棱镜(7)后重新汇合在一起，这样就可以得到一对偏振方向正交的参考光束与物光束；然后参考光束与物光束一同经过第一消偏振分光棱镜(6)透射后入射至1/4波片(10)，该1/4波片的快轴方向分别与参考光束和物光束的偏振方向成45°角，此时出射光束变成一对偏振方向正交的圆偏振光束，随后入射至第二消偏振分光棱镜(11)，第二消偏振分光棱镜(11)的反射光束经过反射镜(12)改变传播方向后与第二消偏振分光棱镜(11)的透射光束的传播方向平行，该反射镜沿与x轴成-45°角放置，然后这两束光束一同入射至偏振相移阵列(13)实现偏振相移干涉，通过cmos相机(14)同步采集两幅相移干涉图样。

偏振相移阵列(13)的结构示意如图2所示，使用偏振相移阵列(13)对干涉图样进行偏振滤波，每幅干涉图样分别通过偏振片组的一个偏振片，由于每个偏振片的偏振方向不同，在两幅干涉图样中引入不同的相移，从而得到两幅不同相移的干涉图样。用这两幅不同相移的干涉图样的强度分布就可以计算测试镜的相位分布。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。