专利名称：基于正交双光栅的同步移相干涉检测装置及检测方法
技术领域：
本发明涉及一种基于正交双光栅的同步移相干涉检测装置及检测方法，属于光学移相干涉检测领域。
背景技术：
光学移相干涉测量是一种非接触、高精度的全场测量方法，被广泛的应用于光学表面、形变及厚度等测量领域，但传统的移相技术由于需要在不同时间采集多幅移相干涉图，不适合测量运动物体或动态过程。同步移相可在同一时间得到多幅相移干涉图，克服了传统移相干涉技术的缺点，可实现运动物体或动态过程的实时测量，近年来受到国内外学者的广泛关注。
墨西哥学者G. Rodriguez-Zurita等提出利用一维光栅和偏振调制方法相结合实现同步相移的方法(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)。该方法利用光栅产生的0、± I和±2衍射光，结合了偏振调制通过一次曝光获得的四幅相移干涉图。该方法调整方便，成本低，且可实现实时测量，但是该方法因为利用多级衍射光到达CCD干涉，造成CCD的有效面积利用率低，同时因为衍射级次光强的不同，使得四幅干涉图对比度不同，增加了数据处理的复杂性并影响测量精度。南京理工大学陈磊等提出基于二维光栅分光和偏振调制方法相结合实现同步相移的方法(左芬，陈磊，徐春生.基于二维光栅分光的同步移相干涉测量技术.光学学报，2007，27 (4) =663-667)。该方法在迈克耳逊偏振移相干涉仪的基础上，利用一个正交的二维光栅产生对称的衍射光，并选取(±1，±1)级衍射光作为测量分光路，结合偏振调制通过一次曝光获得四幅相移干涉图。该方法实现了实时测量，但是它对光能和图像传感器CCD有效面积的利用率低，同时受(0，0)、(O, ±1)和(±1，0)等衍射级次光影响大。
发明内容
本发明是为了解决现有同步相移方法对光能和CCD有效面积的利用率低的问题，提供一种基于正交双光栅的同步移相干涉检测装置及检测方法。本发明所述基于正交双光栅的同步移相干涉检测装置，它包括光源，它还包括偏振片、准直扩束系统、第一偏振分光棱镜、待测物体、第一反射镜、第二反射镜、第二偏振分光棱镜、λ/4波片、矩形窗口、第一傅里叶透镜、一维周期幅度光栅、一维周期相位光栅、第二傅里叶透镜、四象限偏振片组、图像传感器和计算机，其中λ为光源发射光束的光波长，—维周期幅度光栅和一维周期相位光栅组成双光栅，一维周期幅度光栅和一维周期相位光栅按照光栅线方向正交放置；光源发射的光束经偏振片入射至准直扩束系统的光接收面，经该准直扩束系统准直扩束后的出射光束入射至第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜的反射光束经待测物体后入射至第一反射镜，第一反射镜的反射光束作为物光束入射至第二偏振分光棱镜；第一偏振分光棱镜的透射光束经第二反射镜反射后作为参考光束入射至第二偏振分光棱镜；汇合于第二偏振分光棱镜的物光束和参考光束经过λ /4波片和矩形窗口后入射至第一傅里叶透镜，经第一傅里叶透镜汇聚后的出射光束通过由一维周期幅度光栅和一维周期相位光栅组成的双光栅后入射至第二傅里叶透镜，经第二傅里叶透镜透射后的出射光束入射至四象限偏振片组，该四象限偏振片组的出射光束由图像传感器的光接收面接收，图像传感器的图像信号输出端连接计算机的图像信号输入端；以第一傅里叶透镜光轴的方向为Z轴方向建立xyz三维直角坐标系，所述矩形窗口沿垂直于光轴的方向设置，并且沿X轴方向均分为两个小窗口 ；第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜的焦距均为f ；矩形窗口位于第一傅里叶透镜的前焦面上；一维周期幅度光栅和一维周期相位光 栅组成的双光栅位于第一傅里叶透镜的后焦面上并且位于第二傅里叶透镜的前焦面上；图像传感器位于第二傅里叶透镜的后焦面上；一维周期幅度光栅的周期d与矩形窗口沿X轴方向的长度L之间满足关系d =
2λ f/L ;一维周期相位光栅的周期dphase与矩形窗口沿y轴方向的宽度W之间满足关系
dphase ( 2 λ f/W。一维周期幅度光栅为二值一维周期幅度光栅、正弦一维周期幅度光栅或余弦一维周期幅度光栅。一维周期相位光栅为相位为O和π的二值光栅。四象限偏振片组为四片偏振片组成的2X2阵列，该四片偏振片的排布沿逆时针方向为依次旋转45°角。所述偏振片的透光轴与X轴呈45°角。所述λ/4波片快轴沿与X轴呈45°角的方向放置。所述矩形窗口为LXW = 6. 33^X3. 16臟的窗口。基于上述基于正交双光栅的同步移相干涉检测装置的检测方法，它的实现过程如下打开光源，使光源发射的光束经偏振片和准直扩束系统的准直扩束后形成线偏振光，该线偏振光通过第一偏振分光棱镜后分成物光束和参考光束；汇合于第二偏振分光棱镜的物光束和参考光束通过λ/4波片和矩形窗口后，再依次经过第一傅里叶透镜、一维周期幅度光栅、一维周期相位光栅、第二傅里叶透镜和四象限偏振片组后，在图像传感器平面上产生干涉图样，计算机将采集获得的干涉图样依据矩形窗口的小窗口的尺寸分割获得待测物体的四幅干涉图样，该四幅干涉图样以右上角图像为第一幅干涉图样，并按照逆时针方向排布为第一至第四幅干涉图样，四幅干涉图样按顺序的强度分布顺次为、、、、^和14，根据四幅干涉图样的强度分布计算获得待测物体的相位分布炉(1少_):φ{χ, y) = arctan y~γ-。本发明的优点是本发明将双光栅分光技术和偏振调制技术相结合，具有实时性强、方法简单易行的特点。其对图像传感器有效面积的利用率高，可实时高精度的用于待测物体的测量中。本发明所述检测装置结构简单，成本低；在使用操作中不需要改变光路，也不需要移动任何光学器件，操作方便灵活，稳定性高。本发明方法将双光栅分光技术和偏振调制技术相结合，通过一次曝光采集便可获得四幅干涉图样，以达到物体相位恢复的目的，在提高了测量精度的基础上，方法简单易行，同时提高了图像传感器的有效面积利用率；所述检测方法中四幅干涉图样的对比度相同，与四象限偏振片组中四片偏振片的映射关系简单，极大提高了相位恢复算法的效率，同时消除了因多级次衍射引入的相移误差和随机噪声，提高了测量精度，进而更适合实时动态测量。
图I为本发明所述基于正交双光栅的同步移相干涉检测装置的结构示意图；图2为一维周期幅度光栅和一维周期相位光栅的结构示意图；图3为四象限偏振片组的四片偏振片的配置图；图4为计算机采集获得的干涉图样分割获得的待测物体的四幅干涉图样，该四幅干涉图样与图3中四片偏振片一一对应获得；图5根据待测物体的相位分布恢复获得的待测物体的相位分布。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图I至图4说明本实施方式，本实施方式所述基于正交双光栅的同步移相干涉检测装置，它包括光源1，它还包括偏振片2、准直扩束系统3、第一偏振分光棱镜4、待测物体5、第一反射镜6、第二反射镜7、第二偏振分光棱镜8、λ /4波片
9、矩形窗口 10、第一傅里叶透镜11、一维周期幅度光栅12、一维周期相位光栅13、第二傅里叶透镜14、四象限偏振片组15、图像传感器16和计算机17，其中λ为光源I发射光束的光波长，一维周期幅度光栅12和一维周期相位光栅13组成双光栅，一维周期幅度光栅12和一维周期相位光栅13按照光栅线方向正交放置；光源I发射的光束经偏振片2入射至准直扩束系统3的光接收面，经该准直扩束系统3准直扩束后的出射光束入射至第一偏振分光棱镜4，第一偏振分光棱镜4的反射光束经待测物体5后入射至第一反射镜6，第一反射镜6的反射光束作为物光束入射至第二偏振分光棱镜8 ;第一偏振分光棱镜4的透射光束经第二反射镜7反射后作为参考光束入射至第二偏振分光棱镜8 ；汇合于第二偏振分光棱镜8的物光束和参考光束经过λ /4波片9和矩形窗口 10后入射至第一傅里叶透镜11，经第一傅里叶透镜11汇聚后的出射光束通过由一维周期幅度光栅12和一维周期相位光栅13组成的双光栅后入射至第二傅里叶透镜14，经第二傅里叶透镜14透射后的出射光束入射至四象限偏振片组15，该四象限偏振片组15的出射光束由图像传感器16的光接收面接收，图像传感器16的图像信号输出端连接计算机17的图像信号输入端；以第一傅里叶透镜11光轴的方向为ζ轴方向建立xyz三维直角坐标系，所述矩形窗口 10沿垂直于光轴的方向设置,并且沿X轴方向均分为两个小窗口 ；第一傅里叶透镜11和第二傅里叶透镜14的焦距均为f ；矩形窗口 10位于第一傅里叶透镜11的前焦面上；一维周期幅度光栅12和一维周期相位光栅13组成的双光栅位于第一傅里叶透镜11的后焦面上并且位于第二傅里叶透镜14的前焦面上；图像传感器16位于第二傅里叶透镜14的后焦面上；一维周期幅度光栅12的周期d与矩形窗口 10沿X轴方向的长度L之间满足关系d = 2 λ f/L ；一维周期相位光栅13的周期dph_与矩形窗口 10沿y轴方向的宽度W之间满足关系dphase < 2 λ f/ffo本实施方式中，准直扩束后的线偏振平行光，通过第一偏振分光棱镜4后分成偏振方向相互垂直的物光束和参考光束。待测物体5和第一反射镜6放置在第一偏振分光棱镜4的反射方向上，第二反射镜7放置在第一偏振分光棱镜4的透射方向上。光源I可以米用波长为632. 8nm的He-Ne激光器；一维周期幅度光栅12可以米用周期d = 50 μ m的Ronchi光栅,一维周期相位光栅13可以采用周期(Jphase = 50 μ m的二值相位光栅。第一傅里叶透镜11和第二傅里叶透镜14焦距f均可以为250mm。
具体实施方式
二 本实施方式为对实施方式一的进一步说明，一维周期幅度光栅12为二值一维周期幅度光栅、正弦一维周期幅度光栅或余弦一维周期幅度光栅。
具体实施方式
三本实施方式为对实施方式二的进一步说明，一维周期相位光栅13为相位为O和的二值光栅。
具体实施方式
四下面结合图3说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一、二或三的进一步说明，四象限偏振片组15为四片偏振片组成的2X2阵列，该四片偏振片的排布沿逆时针方向为依次旋转45°角。本实施方式中四片偏振片的偏振方向不同，四个偏振方向如图3所示，右上角偏振片的偏振方向与光轴夹角为0，其它三个偏振片以右上角偏振片为基准沿逆时针方向排布，并且，该三个偏振片的偏振方向以右上角偏振片为基准依次相对于前一个偏振片逆时针旋转45°角。
具体实施方式
五本实施方式为对实施方式一、二、三或四的进一步说明，所述偏振片2的透光轴与X轴呈45°角。
具体实施方式
六本实施方式为对实施方式一、二、三、四或五的进一步说明，所述入/4波片9快轴沿与X轴呈45°角的方向放置。
具体实施方式
七本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五或六的进一步说明，所述矩形窗口 10为LXW = 6. 33mmX3. 16臟的窗口。·
具体实施方式
八下面结合图I至图5说明本实施方式，本实施方式为基于上述实施方式之一所述基于正交双光栅的同步移相干涉检测装置的检测方法，它的实现过程如下打开光源I，使光源I发射的光束经偏振片2和准直扩束系统3的准直扩束后形成线偏振光，该线偏振光通过第一偏振分光棱镜4后分成物光束和参考光束；汇合于第二偏振分光棱镜8的物光束和参考光束通过λ /4波片9和矩形窗口 10后，再依次经过第一傅里叶透镜11、一维周期幅度光栅12、一维周期相位光栅13、第二傅里叶透镜14和四象限偏振片组15后，在图像传感器16平面上产生干涉图样，计算机17将采集获得的干涉图样依据矩形窗口 10的小窗口的尺寸分割获得待测物体5的四幅干涉图样，该四幅干涉图样以右上角图像为第一幅干涉图样，并按照逆时针方向排布为第一至第四幅干涉图样，四幅干涉图样按顺序的强度分布顺次为I、12、I3和I4，根据四幅干涉图样的强度分布计算获得待测物体5的相位分布
权利要求
1.一种基于正交双光栅的同步移相干涉检测装置，它包括光源(1)，其特征在于它还包括偏振片(2)、准直扩束系统(3)、第一偏振分光棱镜(4)、待测物体(5)、第一反射镜(6)、第二反射镜(7)、第二偏振分光棱镜(8)、λ/4波片(9)、矩形窗口(10)、第一傅里叶透镜(11)、一维周期幅度光栅(12)、一维周期相位光栅(13)、第二傅里叶透镜(14)、四象限偏振片组(15)、图像传感器(16)和计算机(17)，其中λ为光源(I)发射光束的光波长， 一维周期幅度光栅(12)和一维周期相位光栅(13)组成双光栅，一维周期幅度光栅(12)和一维周期相位光栅(13)按照光栅线方向正交放置； 光源(I)发射的光束经偏振片(2)入射至准直扩束系统(3)的光接收面，经该准直扩束系统(3)准直扩束后的出射光束入射至第一偏振分光棱镜(4),第一偏振分光棱镜(4)的反射光束经待测物体(5)后入射至第一反射镜(6)，第一反射镜(6)的反射光束作为物光束入射至第二偏振分光棱镜(8);第一偏振分光棱镜(4)的透射光束经第二反射镜(7)反射后作为参考光束入射至第二偏振分光棱镜(8)； 汇合于第二偏振分光棱镜(8)的物光束和参考光束经过入/4波片(9)和矩形窗口(10)后入射至第一傅里叶透镜(11)，经第一傅里叶透镜(11)汇聚后的出射光束通过由一维周期幅度光栅(12)和一维周期相位光栅(13)组成的双光栅后入射至第二傅里叶透镜(14)，经第二傅里叶透镜(14)透射后的出射光束入射至四象限偏振片组(15)，该四象限偏振片组(15)的出射光束由图像传感器(16)的光接收面接收，图像传感器(16)的图像信号输出端连接计算机(17)的图像信号输入端； 以第一傅里叶透镜(11)光轴的方向为ζ轴方向建立xyz三维直角坐标系，所述矩形窗口(10)沿垂直于光轴的方向设置，并且沿X轴方向均分为两个小窗口 ； 第一傅里叶透镜(11)和第二傅里叶透镜(14)的焦距均为f ； 矩形窗口(10)位于第一傅里叶透镜(11)的前焦面上；一维周期幅度光栅(12)和一维周期相位光栅(13)组成的双光栅位于第一傅里叶透镜(11)的后焦面上并且位于第二傅里叶透镜(14)的前焦面上； 图像传感器(16)位于第二傅里叶透镜(14)的后焦面上； 一维周期幅度光栅(12)的周期d与矩形窗口(10)沿X轴方向的长度L之间满足关系d = 2 λ f/L ； 一维周期相位光栅(13)的周期dph■与矩形窗口(10)沿y轴方向的宽度W之间满足关系dphase ^ 2 λ f/ffo
2.根据权利要求I所述的基于正交双光栅的同步移相干涉检测装置，其特征在于一维周期幅度光栅(12)为二值一维周期幅度光栅、正弦一维周期幅度光栅或余弦一维周期幅度光栅。
3.根据权利要求2所述的基于正交双光栅的同步移相干涉检测装置，其特征在于一维周期相位光栅(13)为相位为O和π的二值光栅。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于正交双光栅的同步移相干涉检测装置，其特征在于四象限偏振片组(15)为四片偏振片组成的2X2阵列，该四片偏振片的排布沿逆时针方向为依次旋转45°角。
5.根据权利要求I所述的基于正交双光栅的同步移相干涉检测装置，其特征在于所述偏振片⑵的透光轴与X轴呈45°角。
6.根据权利要求I所述的基于正交双光栅的同步移相干涉检测装置，其特征在于所述入/4波片(9)快轴沿与X轴呈45°角的方向放置。
7.根据权利要求I所述的基于正交双光栅的同步移相干涉检测装置，其特征在于所述矩形窗口(10)为 LXW = 6. 33mmX3. 16mm 的窗口。
8.一种基于权利要求I所述基于正交双光栅的同步移相干涉检测装置的检测方法，其特征在于它的实现过程如下 打开光源(1)，使光源(I)发射的光束经偏振片(2)和准直扩束系统(3)的准直扩束后形成线偏振光，该线偏振光通过第一偏振分光棱镜(4)后分成物光束和参考光束；汇合于第二偏振分光棱镜⑶的物光束和参考光束通过λ/4波片(9)和矩形窗口(10)后,再依次经过第一傅里叶透镜(11)、一维周期幅度光栅(12)、一维周期相位光栅(13)、第二傅里叶透镜(14)和四象限偏振片组(15)后，在图像传感器(16)平面上产生干涉图样，计算机(17)将采集获得的干涉图样依据矩形窗口(10)的小窗口的尺寸分割获得待测物体(5)的四幅干涉图样，该四幅干涉图样以右上角图像为第一幅干涉图样，并按照逆时针方向排布为第一至第四幅干涉图样，四幅干涉图样按顺序的强度分布顺次为11、12、13和14，根据四幅干涉图样的强度分布计算获得待测物体(5)的相位分布V):
全文摘要
基于正交双光栅的同步移相干涉检测装置及检测方法，属于光学移相干涉检测领域。它解决了现有同步相移方法对光能和CCD有效面积的利用率低的问题。它将双光栅分光技术和偏振调制技术相结合，将准直扩束后的线偏振平行光，通过第一偏振分光棱镜后分成偏振方向相互垂直的物光束和参考光束；待测物体和第一反射镜放置在第一偏振分光棱镜的反射方向上，第二反射镜放置在第一偏振分光棱镜的透射方向上，在使用操作中不需要改变光路，也不需要移动任何光学器件，通过一次曝光采集便可获得四幅干涉图样，以达到物体相位恢复的目的。本发明适用于光学表面、形变及厚度等测量。
文档编号G01B9/02GK102914256SQ20121037139
公开日2013年2月6日 申请日期2012年9月29日 优先权日2012年9月29日
发明者单明广, 钟志, 郝本功, 窦峥, 张雅彬, 刁鸣 申请人:哈尔滨工程大学