专利名称：一种三窗口同步移相干涉仪的制作方法
技术领域：
本发明属于光学干涉检测领域，特别涉及一种三窗口同步移相干涉仪。
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，易受环境振动等影响，不适合测量运动物体或动态过程。同步相移可在同一时间得到多幅相移干涉图，克服了传统时间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。综观目前的同步移相技术，大致可分为以下几种:1.利用多个图像传感器同时记录不同相移量的多幅干涉图样。该方法可充分利用图像传感器的视场和分辨率，但是多个图像传感器的数据采集时间难以统一，且光路复杂庞大，成本高。2.利用偏振掩膜板覆盖图像传感器的靶面，使得相邻像素记录的干涉图样之间具有不同的相移，再通过对整个干涉图样的重新抽样来实现同步相移。该方法结构紧凑，可充分利用图像传感器的视场，但是由于以每相邻2-4个像素作为一相移单元，限制了其空间分辨率。3.基于平行分光和偏振相移的同步相移方法。该方法利用衍射光栅或沃拉斯顿棱镜在频谱分光，分开的光束被透镜准直成平行光后，结合偏振相移实现同步相移，该方法结构紧凑简单，空间分辨率高，但是该方法均需要引入高质量偏振片组。中国专利《基于三窗口的共光路干涉检测方法与装置》，公开号为CN102538986A，该专利利用三窗口输入，结合4f光学系统和一维周期光栅，通过一次曝光获得三幅相移干涉图，在保证高空间分辨率的前提下，实现了测量的实时性，该方法不需要任何偏振片，但是该方法的待测物体尺寸必须小于测量窗口尺寸。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有干涉仪需要高质量偏振片组，待测物体尺寸受限的问题，提供了一种三窗口同步移相干涉仪。本发明所述三窗口同步移相干涉仪，包括光源、偏振片、第一准直扩束系统、第一分光棱镜、第一反射镜、待测物体、第二反射镜、第二准直扩束系统、第二分光棱镜，还包括:高通矩形光整形器、矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅、第二透镜和图像传感器，图像传感器与计算机相连；按照光的路径描述，光源发射的光束经偏振片后依次通过第一准直扩束系统和第一分光棱镜，经第一分光棱镜分成物光和参考光，物光依次经过第一反射镜和待测物体后，射向第二分光棱镜；参考光依次经过第二反射镜、第二准直扩束系统后，射向高通矩形光整形器，经高通矩形光整形器分成两束出射光后射向第二分光棱镜；并排汇合于第二分光棱镜的物光和参考光再依次经过矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅和第二透镜后，射向图像传感器形成干涉图样，由与图像传感器相连的计算机采集处理完成检测；矩形窗口沿高通矩形光整形器分光方向分成均匀的三部分构成三个窗口，且所述的矩形窗口位于第一透镜的前焦面上，一维周期光栅位于第一透镜的后焦面和第二透镜的前焦面上，图像传感器位于第二透镜的后焦面上；一维周期光栅的周期d与矩形窗口宽度D之间满足关系:d = 3 λ f/D,其中λ为光波长，f为第一透镜和第二透镜的焦距。高通矩形光整形器为高通矩形光阑或高通整形衍射光学元件。一维周期光栅为二值一维周期光栅或正弦一维周期光栅或余弦一维周期光栅。本发明的有益效果在于:1.本发明不需要任何偏振片组，只需一维光栅便可实现同步移相，并可充分利用空间图像传感器的视场和空间分辨率，同时待测物体尺寸不受测量窗口限制；2.本发明结构简单，成本低；3.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，稳定性闻。
图1为三窗口同步移相干涉仪配置结构示意图；图2为产生的干涉图样；图3为恢复相位分布图。图中件号说明:1光源，2偏振片,3第一准直扩束系统,4第一分光棱镜,5第一反射镜，6待测物体，7第二反射镜，8第二准直扩束系统，9高通矩形光整形器，10第二分光棱镜，11矩形窗口，12第一透镜，13 一维周期光栅，14第二透镜，15图像传感器，16计算机。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施实例作详细说明。本发明的装置包括:光源1、偏振片2、第一准直扩束系统3、第一分光棱镜4、第一反射镜5、待测物体6、第二反射镜7、第二准直扩束系统8、高通矩形光整形器9、第二分光棱镜10、矩形窗口 11、第一透镜12、一维周期光栅13、第二透镜14和图像传感器15,图像传感器15与计算机16相连，其中光源I为波长632.8nm的He-Ne激光；矩形窗口 11为DXD=7.59mmX7.59mm的矩形窗口，位于第一透镜12的前焦面上；一维周期光栅为周期d=50ym的Ronchi光栅，位于第一透镜12的后焦面和第二透镜14的前焦面上；第一透镜12和第二透镜14的焦距均为f=200mm ;图像传感器15位于第二透镜14的后焦面上。该装置光的运行路径为:光源I发射的光束经偏振片2后依次通过第一准直扩束系统3和第一分光棱镜4,经第一分光棱镜4分成物光和参考光,物光依次经过第一反射镜5和待测物体6后，射向第二分光棱镜10 ;参考光依次经过第二反射镜7、第二准直扩束系统8后，射向高通矩形光整形器9，经高通矩形光整形器9分成两束出射光后射向第二分光棱镜10 ;并排汇合于第二分光棱镜10的物光和参考光再依次经过矩形窗口 11、第一透镜12、一维周期光栅13和第二透镜14后， 射向图像传感器15形成干涉图样，由与图像传感器相连的计算机16采集处理完成检测。根据所采集的干涉图样，依据三窗口尺寸分割干涉图样获得三幅干涉图样强度分布分别为1-D/3、10和ID/3，去除直流分量之后，由以下公式计算:
权利要求
1.一种三窗口同步移相干涉仪，包括光源(I)、偏振片(2)、第一准直扩束系统(3)、第一分光棱镜(4)、第一反射镜(5)、待测物体(6)、第二反射镜(7)、第二准直扩束系统(8)、第二分光棱镜(10)，其特征在于:还包括高通矩形光整形器(9)、矩形窗口(11)、第一透镜(12)、一维周期光栅(13)、第二透镜(14)和图像传感器(15)，图像传感器(15)与计算机(16)相连；按照光的路径描述，光源(I)发射的光束经偏振片(2)后依次通过第一准直扩束系统(3)和第一分光棱镜(4),经第一分光棱镜(4)分成物光和参考光,物光依次经过第一反射镜(5)和待测物体(6)后，射向第二分光棱镜(10);参考光依次经过第二反射镜(7)、第二准直扩束系统(8)后，射向高通矩形光整形器(9)，经高通矩形光整形器(9)分成两束出射光后射向第二分光棱镜(10);并排汇合于第二分光棱镜(10)的物光和参考光再依次经过矩形窗口(11)、第一透镜(12)、一维周期光栅(13)和第二透镜(14)后，射向图像传感器(15)形成干涉图样，由与图像传感器相连的计算机(16)采集处理完成检测；矩形窗口(11)沿高通矩形光整形器(9)分光方向分成均匀的三部分构成三个窗口，且所述的矩形窗口(9)位于第一透镜(12)的前焦面上，一维周期光栅(13)位于第一透镜(12)的后焦面和第二透镜(14)的前焦面上，图像传感器(15)位于第二透镜(14)的后焦面上；一维周期光栅(13)的周期d与矩形窗口(11)宽度D之间满足关系: d = 3 λ f/D, 其中λ为光波长，f为第一透镜(12)和第二透镜(14)的焦距。
2.根据权利要求1所述的三窗口同步移相干涉 仪，其特征在于:高通矩形光整形器(9)为高通矩形光阑或高通整形衍射光学元件。
3.根据权利要求1或2所述的三窗口同步移相干涉仪，其特征在于:一维周期光栅(13)为二值一维周期光栅或正弦一维周期光栅或余弦一维周期光栅。
全文摘要
本发明属于光学干涉检测领域；本发明的光源发射的光束经偏振片、第一准直扩束系统和第一分光棱镜后，分成物光和参考光，物光依次经过第一反射镜和待测物体后，射向第二分光棱镜；参考光依次经过第二反射镜、第二准直扩束系统后，射向高通矩形光整形器，经高通矩形光整形器分成两束出射光后射向第二分光棱镜；并排汇合于第二分光棱镜的物光和参考光再依次经过矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅和第二透镜后，射向图像传感器形成干涉图样，由与图像传感器相连的计算机采集处理完成检测；本发明只需一维光栅便可实现同步移相，同时待测物体尺寸不受测量窗口限制，具有结构简单、成本低的特点。
文档编号G01B9/02GK103217096SQ20131008609
公开日2013年7月24日 申请日期2013年3月18日 优先权日2013年3月18日
发明者郝本功, 单明广, 钟志, 刁鸣, 张雅彬, 窦峥 申请人:哈尔滨工程大学