专利名称：基于分光同步相移的共光路干涉检测装置及检测方法
技术领域：
本发明涉及基于分光同步相移的共光路干涉检测装置及检测方法，属于光学干涉检测领域。
背景技术：
光学相移干涉仪是一种非接触、高精度的全场测量工具，被广泛的应用于光学表面、形变及厚度等检测领域。传统的光学干涉检测方法有泰曼-格林干涉法、马赫-曾德干涉法以及剪切干涉法等。其中，泰曼-格林干涉法、马赫-曾德干涉法等采用分离光路干涉，即参考光束和测量光束通过不同路径进行干涉，易受外界振动、温度起伏等影响；剪切干涉法等采用共光路干涉，即参考光束与测量光束通过共同路径后干涉，其对外界振动、温度起伏等不敏感，具有一定抗干扰能力，但剪切干涉法同时实现剪切量和相移量调控比较困难，调控精度较低，且需移动光学元件引入相移提高测量精度，不仅不适合动态测量，还会引起 光学系统的振动，形成噪声。为了解决这些困难，国内外学者作了诸多有益尝试。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，该专利利用λ/4波片替代传统斐索干涉仪中的标准平晶，使考光束与测量光束通过共同路径后干涉，并结合四象限偏振片组通过一次曝光获得四幅相移干涉图，在保证高空间分辨率的前提下，实现了测量的实时性，但是该方法操作复杂困难，且需要高质量λ/4波片，成本高。墨西哥学者V. Arrizon等提出基于4f系统和光栅滤波的共光路干涉法(V. Arrizon, D.Sanchez-de-la-Llave. Common-path interferometry withone-dimensional periodic filters. Optics Letters, 2004, 29 (2) :141-143)。该方法在输入端使用两个窗，一个放置被测物体，另一个作为参考，结合4f系统光栅滤波的共光路结构，通过调整光栅周期、透镜焦距等参数，能够在输出端得到物体的干涉图样，但是该方法仍需移动光栅获得相移。G. Rodriguez-Zurita等在上述方法基础上,提出利用偏振调制方法实现同步相移(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，结合偏振调制通过一次曝光获得四幅相移干涉图。该方法调整方便，成本低，且可实现实时测量，但是因为利用多级衍射光到达CCD干涉，造成CCD有效面积利用率低，同时因为衍射级次光强的不同，使获得四幅干涉图对比度不同，进而增加数据处理的复杂性并影响测量精度。

发明内容
本发明目的是为了解决现有光学相移干涉检测方法操作复杂困难，且需要高质量λ/4波片，成本高，测量精度低的问题，提供了一种基于分光同步相移的共光路干涉检测装置及检测方法。本发明所述基于分光同步相移的共光路干涉检测装置，它包括光源，它还包括偏振片、准直扩束系统、两个λ/4波片、待测物体、矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅、第二透镜、分光同步相移系统、图像传感器和计算机，其中λ为光源发射光束的光波长，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经过两个λ/4波片、待测物体及矩形窗口后入射至第一透镜，经第一透镜汇聚后的出射光束通过一维周期光栅后入射至第二透镜，经第二透镜透射后的衍射光束入射至分光同步相移系统，该分光同步相移系统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；以光轴的方向为ζ轴方向建立xyz坐标轴，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 ；两个λ/4波片均与矩形窗口平行设置、且位于同一个平面内，所述两个λ/4波片 沿X轴方向并行等间距排布；第一透镜和第二透镜的焦距都为f ;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上并且位于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与矩形窗口沿X轴方向的宽度D之间满足关系d = 2 λ f/D0分光同步相移系统由消偏振分光棱镜和四象限偏振片组组成，所述消偏振分光棱镜呈立方体结构，所述四象限偏振片组由四片偏振片组成，分光同步相移系统的入射光束为消偏振分光棱镜的入射光束，分光同步相移系统的出射光束为四象限偏振片组的出射光束，消偏振分光棱镜将入射光束分成两束光束，分别为反射光束和透射光束，反射光束对应于四象限偏振片组中的两片偏振片，透射光束对应于四象限偏振片组中的两片偏振片，经四片偏振片偏振后出射，作为四象限偏振片组的出射光束；消偏振分光棱镜的分光面与XOZ平面平行，消偏振分光棱镜的入射光束与所述分光面平行，消偏振分光棱镜的入射光束从分光面一侧的斜面入射；所述四象限偏振片组为偏振方向依次逆时针旋转45°角的四片偏振片组成的2X2阵列。待测物体放置在矩形窗口内、矩形窗口的光束入射侧或矩形窗口的光束出射侧，待测物体沿X轴方向的长度小于或等于D/2，待测物体位于其中一个λ /4波片的正后方。一维周期光栅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。基于上述基于分光棱镜的三窗口共光路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准直扩束后形成平行偏振光束，该平行偏振光束通过两个λ /4波片、待测物体和矩形窗口后，再依次经过第一透镜、一维周期光栅和第二透镜产生O级和±1级衍射光束，该衍射光束入射至分光同步相移系统后，在图像传感器平面上产生干涉，将计算机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，将第三和第四幅干涉图样进行镜像翻转后的四幅干涉图样的强度顺次为^、、、^和I4，并按公式
权利要求
1.一种基于分光同步相移的共光路干涉检测装置，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)、两个λ/4波片(4)、待测物体(5)、矩形窗口 ￠)、第一透镜(7)、一维周期光栅(8)、第二透镜(9)、分光同步相移系统(10)、图像传感器(11)和计算机(12)，其中λ为光源(I)发射光束的光波长， 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经过两个λ/4波片(4)、待测物体(5)及矩形窗口(6)后入射至第一透镜(7)，经第一透镜(7)汇聚后的出射光束通过一维周期光栅(8)后入射至第二透镜(9)，经第二透镜(9)透射后的衍射光束入射至分光同步相移系统(10)，该分光同步相移系统(10)的出射光束由图像传感器(11)的光接收面接收，图像传感器(11)的图像信号输出端连接计算机(12)的图像信号输入端； 以光轴的方向为ζ轴方向建立xyz坐标轴，所述矩形窗口(6)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 ； 两个λ/4波片(4)均与矩形窗口(6)平行设置、且位于同一个平面内，所述两个λ/4波片(4)沿X轴方向并行等间距排布； 第一透镜(7)和第二透镜(9)的焦距都为f ； 矩形窗口(6)位于第一透镜(7)的前焦面上；一维周期光栅(8)位于第一透镜(7)的后焦面上并且位于第二透镜(9)的前焦面上； 图像传感器(11)位于第二透镜(9)的后焦面上； 一维周期光栅(8)的周期d与矩形窗口(6)沿X轴方向的宽度D之间满足关系d =2λ f/D。
2.根据权利要求I所述的基于分光同步相移的共光路干涉检测装置，其特征在于:分光同步相移系统(10)由消偏振分光棱镜(10-1)和四象限偏振片组(10-2)组成，所述消偏振分光棱镜(10-1)呈立方体结构，所述四象限偏振片组(10-2)由四片偏振片组成， 分光同步相移系统(10)的入射光束为消偏振分光棱镜(10-1)的入射光束，分光同步相移系统(10)的出射光束为四象限偏振片组(10-2)的出射光束， 消偏振分光棱镜(10-1)将入射光束分成两束光束，分别为反射光束和透射光束，反射光束对应于四象限偏振片组(10-2)中的两片偏振片，透射光束对应于四象限偏振片组(10-2)中的两片偏振片，经四片偏振片偏振后出射，作为四象限偏振片组(10-2)的出射光束； 消偏振分光棱镜( ο-l)的分光面与XOZ平面平行,消偏振分光棱镜(10-1)的入射光束与所述分光面平行，消偏振分光棱镜(10-1)的入射光束从分光面一侧的斜面入射；所述四象限偏振片组(10-2)为偏振方向依次逆时针旋转45°角的四片偏振片组成的2X2阵列。
3.根据权利要求I或2所述的基于分光同步相移的共光路干涉检测装置，其特征在于 待测物体(5)放置在矩形窗口(6)内、矩形窗口(6)的光束入射侧或矩形窗口(6)的光束出射侧，待测物体(5)沿X轴方向的长度小于或等于D/2，待测物体(5)位于其中一个入/4波片⑷的正后方。
4.根据权利要求I或2所述的基于分光同步相移的共光路干涉检测装置，其特征在于一维周期光栅(8)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。
5.根据权利要求I或2所述的基于分光同步相移的共光路干涉检测装置，其特征在于偏振片(2)的透光轴与X轴呈45°角。
6.根据权利要求I或2所述的基于分光同步相移的共光路干涉检测装置，其特征在于两个λ/4波片(4)中一个λ/4波片(4)快轴沿X轴方向放置，另一个λ/4波片(4)快轴沿y轴方向放置。
7.根据权利要求I或2所述的基于分光同步相移的共光路干涉检测装置，其特征在于所述矩形窗口(6)为 DX(D/2) = 6. 33mmX3. 16mm 的窗口。
8.一种基于权利要求I所述基于分光同步相移的共光路干涉检测装置的干涉检测方法，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)准直扩束后形成平行偏振光束，该平行偏振光束通过两个λ/4波片(4)、待测物体(5)和矩形窗口(6)后，再依次经过第一透镜(7)、一维周期光栅(8)和第二透镜(9)产生O级和± I级衍射光束，该衍射光束入射至分光同步相移系统(10)后，在图像传感器(11)平面上产生干涉，将计算机(12)采集获得的干涉图样根据矩形窗口(6)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，将第三和第四幅干涉图样进行镜像翻转后的四幅干涉图样的强度顺次为Ip 12、I3和14，并按公式
全文摘要
基于分光同步相移的共光路干涉检测装置及检测方法，属于光学干涉检测领域，本发明为解决现有光学相移干涉检测方法操作复杂困难，且需要高质量λ/4波片，成本高，测量精度低的问题。本发明方案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经过两个λ/4波片、待测物体及矩形窗口后入射至第一透镜，经第一透镜汇聚后的出射光束通过一维周期光栅后入射至第二透镜，经第二透镜透射后的衍射光束入射至分光同步相移系统，该分光同步相移系统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，获取待测物体的相位分布。
文档编号G01B9/02GK102840823SQ20121034130
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月14日 优先权日2012年9月14日
发明者单明广, 钟志, 郝本功 申请人:哈尔滨工程大学