专利名称：基于同步载频移相的共光路干涉显微检测装置与方法
技术领域：
本发明涉及基于同步载频移相的共光路干涉显微检测装置与方法，属于光学领域。
背景技术：
干涉显微将干涉技术和显微放大技术相结合，可精确地分析物体的三维形貌和相位型物体的位相信息，具有分辨力高、测量速度快等传统干涉技术和显微技术不可替代的优势，是一种比较理想的微小物体三维形貌和位相分布测量的方法。2006年，瑞士 Lyncee Tec公司首次推出DHM-1000数字全息显微镜，可用于测量微小物体的三维形貌和位相分布。但需要倾斜参考光以获得足够大载频使干涉图样的零频分量、实像和共轭像在频谱面上分离，进而不能充分利用图像传感器的横向分辨率或空间带 宽积，限制其测量精度的提高；因为采用分离光路干涉，即物光和参考光通过不同路径进行干涉，易受外界振动、温度起伏等影响，降低了实验的可重复性。西安光机所的姚保利等提出利用平行双光栅的同步载频移相干涉显微方法(P. Gao, B. L. Yao, I. Harder, J. Min, R. Guo，J. Zheng, T. Ye. Parallel two-stepphase-shifting digital holograph microscopy based on a grating pair. J. Opt. Soc.Am. A 2011,28(3):434-440).该方法通过调整平行双光栅间距调制载频，并结合偏振调制通过一次曝光获得两幅相移载频干涉图。该方法通过将两幅相移干涉图样相减来消除零频分量，从而降低了对干涉图样中载频量的要求，同时提高了对CCD的空间分辨率和空间带宽积的利用率，但是该方法光利用率低，数据处理复杂，并需通过测量条纹确定载频量，且仍采用分离光路。

发明内容
本发明目的是为了解决现有技术的不足之处，将共光路离焦光栅分光技术引入干涉显微技术中，提供了一种基于同步载频移相的共光路干涉显微检测装置与方法。本发明所述基于同步载频移相的共光路干涉显微检测装置，它包括光源、线偏振片、准直扩束系统、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一 X /4波片、校正物镜、显微物镜、待测物体、第二 X/4波片、第三X/4波片、矩形窗口、第一傅里叶透镜、一维周期光栅、第二傅里叶透镜、偏振片组、图像传感器和计算机，其中、为光源发射光束的光波长，光源发射的光束经线偏振片后入射至准直扩束系统的光接收面，经准直扩束系统准直扩束后的出射光束入射至第一分光棱镜，第一分光棱镜的反射光束作为参考光束经第二 X/4波片入射至矩形窗口 ；第一分光棱镜的透射光束经第二分光棱镜透射后入射至第一 X/4波片，第一入/4波片的出射光束经由校正物镜和显微物镜入射至待测物体并被反射，待测物体的反射光束再经显微物镜、校正物镜和第一 X /4波片入射至第二分光棱镜,第二分光棱镜的反射光束作为物光束经第三X/4波片入射至矩形窗口 ；
并排汇合于矩形窗口的物光束和参考光束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一维周期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偏振片组，该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 ；第二入/4波片和第三X/4波片与矩形窗口平行设置、且第二 X/4波片和第三入/4波片沿X轴方向并行等间距排布在同一平面内；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；一维周期光栅位于第一傅里叶透镜的后焦f_ A f处并且位于第二傅里叶透镜的前焦f+ A f 处，其中A f为离焦量，A f 大于0并 且小于f ;图像传感器位于第二傅里叶透镜的后焦面上；一维周期光栅的周期d与矩形窗口沿X轴方向的宽度D之间满足关系d=2Af/D。基于上述基于同步载频移相的共光路干涉显微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线偏振片和准直扩束系统的准直扩束后形成平行偏振光后，入射至第一分光棱镜，经第一分光棱镜反射与透射后最终分别形成参考光束和物光束汇合至矩形窗口，并排汇合于矩形窗口的参考光束和物光束再依次通过第一傅里叶透镜、一维周期光栅、第二傅里叶透镜和偏振片组，偏振片组出射的偏振光束在图像传感器平面上产生干涉图样，将计算机将采集获得的干涉图样根据矩形窗口的小窗口的尺寸分割获得两幅干涉图样，通过计算得到待测物体的相位分布炉^，4 :
权利要求
1.基于同步载频移相的共光路干涉显微检测装置，它包括光源(1)，其特征在于，它还包括线偏振片(2)、准直扩束系统(3)、第一分光棱镜(4)、第二分光棱镜(5)、第一 λ /4波片(6)、校正物镜(7)、显微物镜(8)、待测物体(9)、第二 λ /4波片(10)、第三λ /4波片(11)、矩形窗口(12)、第一傅里叶透镜(13)、一维周期光栅(14)、第二傅里叶透镜(15)、偏振片组(16)、图像传感器(17)和计算机(18)，其中λ为光源(I)发射光束的光波长， 光源(I)发射的光束经线偏振片(2 )后入射至准直扩束系统(3 )的光接收面，经准直扩束系统(3)准直扩束后的出射光束入射至第一分光棱镜(4)，第一分光棱镜(4)的反射光束作为参考光束经第二 λ /4波片(10)入射至矩形窗口(12)； 第一分光棱镜(4)的透射光束经第二分光棱镜(5)透射后入射至第一 λ/4波片(6)，第一 λ /4波片(6)的出射光束经由校正物镜(7)和显微物镜(8)入射至待测物体(9)并被反射，待测物体(9)的反射光束再经显微物镜(8)、校正物镜(7)和第一 λ /4波片(6)入射至第二分光棱镜(5 )，第二分光棱镜(5 )的反射光束作为物光束经第三λ /4波片(11)入射 至矩形窗口(12)； 并排汇合于矩形窗口(12)的物光束和参考光束入射至第一傅里叶透镜(13)，经第一傅里叶透镜(13)汇聚后的出射光束通过一维周期光栅(14)后入射至第二傅里叶透镜(15)，经第二傅里叶透镜(15)透射后的出射光束入射至偏振片组(16)，该偏振片组(16)的出射光束由图像传感器(17)的光接收面接收，图像传感器(17)的信号输出端连接计算机(18)的图像信号输入端； 以第一傅里叶透镜(13)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(12)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 ； 第二 λ/4波片(10)和第三λ/4波片(11)与矩形窗口(12)平行设置、且第二 λ/4波片(10)和第三λ /4波片(11)沿X轴方向并行等间距排布在同一平面内； 第一傅里叶透镜(13)和第二傅里叶透镜(15)的焦距均为f ； 矩形窗口( 12)位于第一傅里叶透镜(13)的前焦面上；一维周期光栅(14)位于第一傅里叶透镜(13)的后焦f-Af处并且位于第二傅里叶透镜(15)的前焦f+Af处，其中Af为离焦量，Af大于O并且小于f; 图像传感器(17)位于第二傅里叶透镜(15)的后焦面上； 一维周期光栅(14)的周期d与矩形窗口(12)沿X轴方向的宽度D之间满足关系d=2A f/Do
2.根据权利要求I所述基于同步载频移相的共光路干涉显微检测装置，其特征在于，第一分光棱镜(4)和第二分光棱镜(5)均为非偏振分光棱镜,第二 λ /4波片(10)和第三λ /4波片(11)的快轴方向相同。
3.根据权利要求I所述基于同步载频移相的共光路干涉显微检测装置，其特征在于，第一分光棱镜(4)和第二分光棱镜(5)均为偏振分光棱镜,第二 λ/4波片(10)和第三λ/4波片(11)的快轴方向相互垂直。
4.根据权利要求I所述基于同步载频移相的共光路干涉显微检测装置，其特征在于，第二 λ/4波片(10)的快轴沿与X轴呈45°角的方向放置，第三λ/4波片(11)的快轴沿与X轴呈-45°角的方向放置。
5.根据权利要求I至4任一权利要求所述基于同步载频移相的共光路干涉显微检测装置，其特征在于，一维周期光栅(14)为二值一维周期光栅、正弦一维周期光栅或余弦一维周期光栅。
6.根据权利要求I所述基于同步载频移相的共光路干涉显微检测装置，其特征在于，偏振片组(16)由两片偏振片组成，该两片偏振片形成1X2阵列，该两片偏振片的透光轴与X轴分别呈O°和45。。
7.根据权利要求I所述基于同步载频移相的共光路干涉显微检测装置，其特征在于，线偏振片(2)的透光轴与X轴呈45°角。
8.一种基于权利要求I所述基于同步载频移相的共光路干涉显微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)发射的光束经线偏振片(2)和准直扩束系统(3)的准直扩束后形成平行偏振光后，入射至第一分光棱镜(4),经第一分光棱镜(4)反射与透射后最终分别形成参考光束和物光束汇合至矩形窗口(12)，并排汇合于矩形窗口(12)的参考光束和物光束再依次通过第一傅里叶透镜(13)、一维周期光栅(14)、第二傅里叶透镜(15)和偏振片组(16)，偏振片组(16)出射的偏振光束在图像传感器(17)平面上产生干涉图样， 将计算机(18)将采集获得的干涉图样根据矩形窗口( 12)的小窗口的尺寸分割获得两幅干涉图样，通过计算得到待测物体(9)的相位分布P(U):
全文摘要
基于同步载频移相的共光路干涉显微检测装置与方法，属于光学领域，本发明为解决现有技术的不足之处。本发明的技术方案打开光源，使光源发射的光束经线偏振片和准直扩束系统的准直扩束后形成平行偏振光后，入射至第一分光棱镜，经第一分光棱镜反射与透射后最终分别形成参考光束和物光束汇合至矩形窗口，并排汇合于矩形窗口的参考光束和物光束再依次通过第一傅里叶透镜、一维周期光栅、第二傅里叶透镜和偏振片组，偏振片组出射的偏振光束在图像传感器平面上产生干涉图样，将计算机将采集获得的干涉图样根据矩形窗口的小窗口的尺寸分割获得两幅干涉图样，通过计算得到待测物体的相位分布。
文档编号G01B9/02GK102967258SQ201210424240
公开日2013年3月13日 申请日期2012年10月30日 优先权日2012年10月30日
发明者钟志, 单明广, 郝本功, 刁鸣, 张雅彬, 窦峥 申请人:哈尔滨工程大学