专利名称：基于正交双光栅的同步移相共光路干涉显微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共光路干涉显微检测装置及检测方法，属于光学干涉检测技术领域。
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，具有分辨率高、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。但因为采用离轴全息光路而不能充分利用图像传感器CCD分辨率和空间带宽积；同时不能在光路中消除物镜引起的相位畸变，为相位重构带来困难，并引起重构误差；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。中国专利《基于衍射光栅的物参共路相移数字全息显微装置》，公开号为CN102147233A，
公开日为20110810，利用光栅衍射和针孔滤波构建了物参共路的干涉显微装置，降低了环境振动对干涉成像的影响，提高了成像的纵向分辨率，但是该方法需通过移动光栅获得相移，不仅调控困难，而且振动等干扰会给不同时刻采集的干涉图样引入相位误差，同时因为要在不同时间分别完成多幅干涉图样的记录，因此，无法实现待测物体的动态实时测量。西安光机所的姚保利等提出利用分光棱镜和偏振调制方法相结合构建同步相移干涉显微装置的方法(P. Gao, B. L. Yao, J. ff. Min, R. L. Guo, J. J. Zheng, T. Ye.Parallel two-step phase-shifting microscopic interferometry based on a cubebeamsplitter. Optics Communications. 2011, 284 :4136-4140)。该方法利用分光棱镜将正交偏振的物光和参考光分束，结合偏振调制通过一次曝光获得两幅相移干涉图。该方法结构简单，光能利用率高，但该方法一次曝光只能获得两幅干涉图样，同时因为正交偏振的物光和参考光在分光棱镜中间反射层反射时，物光或参考光中的一个会发生半波损失，且透射光与反射光强度不同，进而会在两幅干涉图中引入附加相位差，使两幅干涉图样对比度不同，进而增加数据处理的复杂性并影响测量精度。

发明内容
本发明是为了解决现有同步相移干涉显微检测方法中，对检测数据进行处理的过程复杂并且测量精度低的问题，提供一种基于正交双光栅的同步移相共光路干涉显微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共光路干涉显微检测装置，它包括光源，它还包括线偏振片、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、为光源发射光束的光波长，一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再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，被待测物体反射的光束再经显微物镜、校正物镜和第一 X /4波片入射至第二分光棱镜,经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 X/4波片和第三X/4波片与矩形窗口平行设置、且位于同一个平面内，第二入/4波片和第三\ /4波片沿X轴方向并行等间距排布；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 =2 入 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 入 f/W。第一分光棱镜和第二分光棱镜均为非偏振分光棱镜，第二 X/4波片和第三X/4波片的快轴方向相同。或者第一分光棱镜和第二分光棱镜均为偏振分光棱镜，第二 X/4波片和第三入/4波片的快轴方向相互垂直。此时，第二入/4波片的快轴沿与X轴呈45°角的方向放置，第三入/4波片的快轴沿与X轴呈-45°角的方向放置。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0和的二值光栅。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。线偏振片的透光轴与X轴呈45°角。所述矩形窗口为LXW = 6. 33臟X3. 16臟的窗口。一种基于上述基于正交双 光栅的同步移相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，四象限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，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的相位分布炉(夂,V)
炉(X,少)= arctan ———-°
\_h~h _本发明的优点是本发明将准直扩束后的线偏振平行光经第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜分成物光和参考光后最终并排汇合于矩形窗口，计算机通过采集获得一幅含有四个图样的干涉图，最终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，具有实时性强、抗干扰能力强、稳定性好、方法简单易行的优点。 本发明方法将干涉显微技术和正交双光栅共光路分光同步移相技术相结合，用于待测物体的形貌检测，具有测量分辨率高、抗干扰能力强、调控简单和可实时测量的优势。本发明装置结构简单，成本低；在操作中不需要改变光路，也不需要移动任何组件，操作方便灵活，稳定性高。本发明方法将干涉显微技术和正交双光栅共光路分光同步移相技术相结合,通过一次曝光采集便可获得四幅待测物体的干涉图样，以达到物体相位恢复的目的，在提高测量精度基础上，方法简单易行，稳定性好，抗干扰能力强；四幅待测物体的干涉图样对比度相同，与四象限偏振片组中的四片偏振片映射关系简单，极大提高了相位恢复算法的效率，同时它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，因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共光路干涉显微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共光路干涉显微检测装置，它包括光源1，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 \ /4波片6、校正物镜7、显微物镜8、待测物体9、第二入/4波片10、第三入/4波片11、矩形窗口 12、第一傅里叶透镜13、一维周期幅度光栅14、一维周期相位光栅15、第二傅里叶透镜16、四象限偏振片组17、图像传感器18和计算机19，其中\为光源I发射光束的光波长，一维周期幅度光栅14和一维周期相位光栅15组成双光栅，一维周期幅度光栅14和一维周期相位光栅15按照光栅线方向正交放置；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、/4波片10入射至矩形窗口 12 ；第一分光棱镜4的透射光束再经第二分光棱镜5透射后入射至第一 X /4波片6,第一、/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，被待测物体9反射的光束再经显微物镜8、校正物镜7和第一 \ /4波片6入射至第二分光棱镜5，经第二分光棱镜5的反射光束作为物光束经第三\ /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由一维周期幅度光栅14和一维周期相位光栅15组成的双光栅后入射至第二傅里叶透镜16，经第二傅里叶透镜16透射后的出射光束入射至四象限偏振片组17，该四象限偏振片组17的出射光束由图像传感器18的光接收面接收，图像传感器18的信号输出端连接计算机19的图像信号输入端；以第一傅里叶透镜13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 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 ；第二入/4波片10和第三入/4波片11与矩形窗口 12平行设置、且位于同一个平面内，第二 X /4波片10和第三X /4波片11沿X轴方向并行等间距排布；第一傅里叶透镜13和第二傅里叶透镜16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；一维周期幅度光栅14和一维周期相位光栅15组成的双光栅位于第一傅里叶透镜13的后焦面上并且位于第二傅里叶透镜16的前焦面上；图像传感器18位于第二傅里叶透镜16的后焦面上；一维周期幅度光栅14的周期d与矩形窗口 12沿X轴方向的长度L之间满足关系d = 2 入 f/L ；一维周期相位光栅15的周期dph_与矩形窗口 12沿y轴方向的宽度W之间满足关系dphase ^ 2 A f/ffo光源I可以米用输出光束波长为632. 8nm的He-Ne激光器；一维周期幅度光栅14可以为周期d = 50 ii m的Ronchi光栅；一维周期相位光栅15可以为周期dphase = 50 y m的二值相位光栅。第一傅里叶透镜13和第二傅里叶透镜16的焦距均为f = 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，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 \ /4波片10和第三\ /4波片11的快轴方向相同。
具体实施方式
三本实施方式为对实施方式一的进一步说明，第一分光棱镜4和第二分光棱镜5均为偏振分光棱镜,第二人/4波片10和第三人/4波片11的快轴方向相
互垂直。
具体实施方式
四本实施方式为对实施方式三的进一步说明，第二 \ /4波片10的快轴沿与X轴呈45°角的方向放置，第三X/4波片11的快轴沿与X轴呈-45°角的方向放置。
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，一维周期幅度光栅14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
六本实施方式为对实施方式一、二、三、四或五的进一步说明，一维周期相位光栅15为相位为0和的二值光栅。
具体实施方式
七下面结合图3说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五或六的进一步说明，四象限偏振片组17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
八本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五、六或七的进一步说明，线偏振片2的透光轴与X轴呈45°角。
具体实施方式
九本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五、六、七或八的进一步说明，所述矩形窗口 12为LXW = 6. 33mmX3. 16mm的窗口。
具体实施方式
十下面结合图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I，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、一维周期幅度光栅14、一维周期相位光栅15、第二傅里叶透镜16和四象限偏振片组17，四象限偏振片组17出射的偏振光束在图像传感器18平面上产生干涉图样，计算机19将采集获得的干涉图样依据矩形窗口 12的小窗口的尺寸分割获得待测物体9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9的相位分布炉(.X% V)
权利要求
1.一种基于正交双光栅的同步移相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 X/4波片(6)、校正物镜(7)、显微物镜(8)、待测物体(9)、第二入/4波片(10)、第三入/4波片(11)、矩形窗口(12)、第一傅里叶透镜(13)、一维周期幅度光栅(14)、一维周期相位光栅(15)、第二傅里叶透镜(16)、四象限偏振片组(17)、图像传感器(18)和计算机(19),其中\为光源(I)发射光束的光波长， 一维周期幅度光栅(14)和一维周期相位光栅(15)组成双光栅，一维周期幅度光栅(14)和一维周期相位光栅(15)按照光栅线方向正交放置； 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入/4波片(10)入射至矩形窗口(12)； 第一分光棱镜(4)的透射光束再经第二分光棱镜(5)透射后入射至第一 X/4波片(6)，第一 \ /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)，被待测物体(9)反射的光束再经显微物镜(8)、校正物镜(7)和第一 X/4波片(6)入射至第二分光棱镜(5)，经第二分光棱镜(5)的反射光束作为物光束经第三入/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由一维周期幅度光栅(14)和一维周期相位光栅(15)组成的双光栅后入射至第二傅里叶透镜(16)，经第二傅里叶透镜(16)透射后的出射光束入射至四象限偏振片组(17)，该四象限偏振片组(17)的出射光束由图像传感器(18)的光接收面接收，图像传感器(18)的信号输出端连接计算机(19)的图像信号输入端； 以第一傅里叶透镜(13)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(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 ； 第二入/4波片(10)和第三入/4波片(11)与矩形窗口(12)平行设置、且位于同一个平面内，第二入/4波片(10)和第三入/4波片(11)沿X轴方向并行等间距排布； 第一傅里叶透镜(13)和第二傅里叶透镜(16)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；一维周期幅度光栅(14)和一维周期相位光栅(15)组成的双光栅位于第一傅里叶透镜(13)的后焦面上并且位于第二傅里叶透镜(16)的前焦面上； 图像传感器(18)位于第二傅里叶透镜(16)的后焦面上； 一维周期幅度光栅(14)的周期d与矩形窗口(12)沿X轴方向的长度L之间满足关系d = 2 入 f/L ； 一维周期相位光栅(15)的周期dph■与矩形窗口(12)沿y轴方向的宽度W之间满足关系dphase ^ 2 A 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 X/4波片(10)和第三入/4波片(11)的快轴方向相同。
3.根据权利要求I所述的基于正交双光栅的同步移相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 X/4波片(10)和第三人/4波片(11)的快轴方向相互垂直。
4.根据权利要求3所述的基于正交双光栅的同步移相共光路干涉显微检测装置，其特征在于第二入/4波片(10)的快轴沿与X轴呈45°角的方向放置，第三X/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所述的基于正交双光栅的同步移相共光路干涉显微检测装置，其特征在于一维周期幅度光栅(14)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。
6.根据权利要求I所述的基于正交双光栅的同步移相共光路干涉显微检测装置，其特征在于一维周期相位光栅(15)为相位为0和的二值光栅。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的基于正交双光栅的同步移相共光路干涉显微检测装置，其特征在于四象限偏振片组(17)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。
8.根据权利要求I所述的基于正交双光栅的同步移相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。
9.根据权利要求I所述的基于正交双光栅的同步移相共光路干涉显微检测装置，其特征在于所述矩形窗口(12)为LXW = 6. 33mmX3. 16mm的窗口。
10.一种基于权利要求I所述基于正交双光栅的同步移相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)、一维周期幅度光栅(14)、一维周期相位光栅(15)、第二傅里叶透镜(16)和四象限偏振片组(17)，四象限偏振片组(17)出射的偏振光束在图像传感器(18)平面上产生干涉图样，计算机(19)将采集获得的干涉图样依据矩形窗口(12)的小窗口的尺寸分割获得待测物体(9)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(9)的相位分布
全文摘要
基于正交双光栅的同步移相共光路干涉显微检测装置及检测方法，属于光学干涉检测技术领域。它解决了现有同步相移干涉显微检测方法中，对检测数据进行处理的过程复杂并且测量精度低的问题。它将干涉显微技术和正交双光栅共光路分光同步移相技术相结合，将准直扩束后的线偏振平行光经第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜分成物光和参考光后最终并排汇合于矩形窗口，计算机通过采集获得一幅含有四个图样的干涉图，最终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。本发明适用于微小物体三维形貌和位相分布测量。
文档编号G01B9/04GK102865811SQ20121037474
公开日2013年1月9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, 刁鸣, 张雅彬, 窦峥 申请人:哈尔滨工程大学