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專利名稱：一種反射式點(diǎn)衍射載波同步移相干涉檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)干涉檢測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種反射式點(diǎn)衍射載波同步移相干涉檢測(cè)裝置及其專用的檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)移相干涉測(cè)量是一種非接觸、高精度的全場(chǎng)測(cè)量方法，被廣泛的應(yīng)用于光學(xué)表面、形變及厚度等測(cè)量領(lǐng)域。常用的干涉方法有離軸干涉法、時(shí)間共軸干涉法及空間共軸干涉法等。離軸干涉法通過(guò)在物光和參考光之間引入傾角，使干涉圖產(chǎn)生載波，從而將恢復(fù)相位所需的項(xiàng)與干擾項(xiàng)分離。但是，載波的引入使得CCD的帶寬不能被充分利用。時(shí)間和空間共軸干涉法不需要引入載波，而是直接記錄物體的相位變化產(chǎn)生的干涉圖，因此CCD的帶寬利用率高，但該方法需要記錄多幅(通常大于等于三幅)干涉圖來(lái)消除干擾項(xiàng)，同時(shí)時(shí)間共軸干涉法需在不同時(shí)間記錄多幅圖像，雖然能夠充分利用CCD的有效視場(chǎng)，但降低了測(cè)量的實(shí)時(shí)性；空間共軸干涉法在一個(gè)CCD上同時(shí)記錄多幅圖像，雖然提高了測(cè)量的實(shí)時(shí)性，但降低了 CCD視場(chǎng)利用率。西安光機(jī)所的姚保利等提出一種兼顧測(cè)量實(shí)時(shí)性、CCD帶寬利用率和CCD視場(chǎng)利用率的干涉方法，利用平行雙光柵和和偏振調(diào)制方法相結(jié)合構(gòu)建同步相移干涉顯微裝置(P.Gao, B.L.Yao, 1.Harder, J.Min, R.Guo, J.Zheng, T.Ye.Parallel two-stepphase-shifting digital holograph microscopy based on a grating pair.J.0pt.Soc.Am.A2011,28(3):434-440).該方法利用平行雙光柵將正交偏振的物光和參考光分束，結(jié)合偏振調(diào)制通過(guò)一次曝光同時(shí)獲得兩幅載波相移干涉圖，并通過(guò)兩幅圖相減消去了直流分量。該方法降低了離軸結(jié)構(gòu)對(duì)CCD帶寬的要求，而且相對(duì)于時(shí)間共軸結(jié)構(gòu)提高了測(cè)量實(shí)時(shí)性，相對(duì)空間共軸結(jié)構(gòu)提高了 CCD視場(chǎng)利用率。但是該裝置采用分離光路結(jié)構(gòu)，抗干擾能力有待于進(jìn)一步提聞。

相對(duì)于分離光路結(jié)構(gòu)，共光路結(jié)構(gòu)有非常好的抗干擾能力，點(diǎn)衍射式干涉方法就是其中一種。西安光機(jī)所的郭榮禮等提出了一種反射式點(diǎn)衍射顯微干涉儀(R.Guo，B.Yao, P.Gao, J.Min, J.Zheng, T.Ye.Reflective Point-diffraction microscopicinterferometer with long term stability.C0L2011, 9 (12): 120002.),在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)4f 光學(xué)系統(tǒng)中引入非偏振分光棱鏡產(chǎn)生兩束光，通過(guò)對(duì)其中一束光使用反射式針孔濾波，從而形成參考光，另一束光被反射鏡反射后與參考光一起共路傳播。該方法具有非常好的抗干擾能力，但是存在時(shí)間相移共軸方法的不足，而且需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)移動(dòng)偏振片實(shí)現(xiàn)移相，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有更高的穩(wěn)定性，計(jì)算效率更高的反射式點(diǎn)衍射載波同步移相干涉檢測(cè)裝置。本發(fā)明方法還在于提供一種反射式點(diǎn)衍射載波同步移相干涉檢測(cè)裝置專用的檢測(cè)方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:反射式點(diǎn)衍射載波同步移相干涉檢測(cè)裝置，包括光源、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、第一偏振片、四分之一波片、第一透鏡、非偏振分光棱鏡、第二偏振片、第一平面反射鏡、第二平面反射鏡、第二透鏡、偏振分光棱鏡、第一圖像傳感器、第二圖像傳感器，光源發(fā)射的光束經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)后依次通過(guò)第一偏振片、四分之一波片和待測(cè)物體，經(jīng)第一透鏡聚焦后的光束被非偏振分光棱鏡分成反射的物光和透射的參考光；物光經(jīng)過(guò)第二偏振片濾波后照射在第一平面反射鏡上，參考光照射在第二平面反射鏡上；經(jīng)過(guò)反射的物光和參考光經(jīng)非偏振分光棱鏡匯合成一束后依次通過(guò)第二透鏡和分光面與入射光束呈45°角的偏振分光棱鏡后形成兩幅干涉圖，分別被第一圖像傳感器和第二圖像傳感器采集到計(jì)算機(jī)中。第一平面反射鏡位于第一透鏡的焦平面上，所述的第二平面反射鏡位于第二透鏡的焦平面上。第一偏振片和四分之一波片以按照產(chǎn)生圓偏振光的方式放置，即第一偏振片的偏振方向和四分之一波片軸方向夾角為45°。第二偏振片按照透光軸與水平方向夾角為+ 45°或-45°進(jìn)行放置。第二平面反射鏡的反射面大小與系統(tǒng)輸入孔徑在傅里葉平面產(chǎn)生的艾里斑大小一致。第一平面反射鏡可以進(jìn)行與水平方向偏轉(zhuǎn)角為Θ的轉(zhuǎn)動(dòng)。待測(cè)物體和第一透鏡之間還可以依次放置顯微物鏡和校正物鏡。反射式點(diǎn)衍射載波同步移相干涉檢測(cè)方法，包括如下步驟:
(1)調(diào)整光源，使光源發(fā)射的光束經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、第一偏振片和四分之一波片后形成擴(kuò)束的圓偏振光，該光束經(jīng)過(guò)待測(cè)物體、第一透鏡和非偏振分光棱鏡后形成聚焦的物光和參考光，該物光和參考光分別被第一平面反射鏡和第二平面反射鏡反射后共同經(jīng)第二透鏡和偏振分光棱鏡形成兩幅干涉

圖11和I2，分別被第一圖像傳感器和第二圖像傳感器同時(shí)采集；(2)根據(jù)平面反射鏡的偏轉(zhuǎn)角Θ確定數(shù)字參考波:
權(quán)利要求
1.一種反射式點(diǎn)衍射載波同步移相干涉檢測(cè)裝置，包括光源(I)、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(2)、第一偏振片(3)、四分之一波片(4)、第一透鏡(6)、非偏振分光棱鏡(7)、第二偏振片(8)、第一平面反射鏡(9)、第二平面反射鏡(10)、第二透鏡(11)、偏振分光棱鏡(12)、第一圖像傳感器(13)、第二圖像傳感器(14)，其特征在于:光源(I)發(fā)射的光束經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(2)后依次通過(guò)第一偏振片(3)、四分之一波片(4)和待測(cè)物體(5)，經(jīng)第一透鏡(6)聚焦后的光束被非偏振分光棱鏡(7)分成反射的物光和透射的參考光；物光經(jīng)過(guò)第二偏振片(8)濾波后照射在第一平面反射鏡(9)上，參考光照射在第二平面反射鏡(10)上；經(jīng)過(guò)反射的物光和參考光經(jīng)非偏振分光棱鏡(7)匯合成一束后依次通過(guò)第二透鏡(11)和分光面與入射光束呈45°角的偏振分光棱鏡(12)后形成兩幅干涉圖，分別被第一圖像傳感器(13)和第二圖像傳感器(14)采集到計(jì)算機(jī)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種反射式點(diǎn)衍射載波同步移相干涉檢測(cè)裝置，其特征在于:所述的第一平面反射鏡(9)位于第一透鏡(6)的焦平面上，所述的第二平面反射鏡(10)位于第二透鏡(11)的焦平面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種反射式點(diǎn)衍射載波同步移相干涉檢測(cè)裝置，其特征在于:所述的第一偏振片(3)和四分之一波片(4)以按照產(chǎn)生圓偏振光的方式放置，即第一偏振片(3)的偏振方向和四分之一波片(4)軸方向夾角為45°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種反射式點(diǎn)衍射載波同步移相干涉檢測(cè)裝置，其特征在于:所述的第二偏振片(8)按照透光軸與水平方向夾角為+ 45°或-45°進(jìn)行放置。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種反射式點(diǎn)衍射載波同步移相干涉檢測(cè)裝置，其特征在于:所述的第二偏振片(8)按照透光軸與水平方向夾角為+ 45°或-45°進(jìn)行放置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種反射式點(diǎn)衍射載波同步移相干涉檢測(cè)裝置，其特征在于:所述第二平面反射鏡(10)的反射面大小與系統(tǒng)輸入孔徑在傅里葉平面產(chǎn)生的艾里斑大小一致。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種反射式點(diǎn)衍射載波同步移相干涉檢測(cè)裝置，其特征在于:所述第二平面反射鏡(10)的反射面大小與系統(tǒng)輸入孔徑在傅里葉平面產(chǎn)生的艾里斑大小一致。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種反射式點(diǎn)衍射載波同步移相干涉檢測(cè)裝置，其特征在于:所述的第一平面反射鏡(9)可以進(jìn)行與水平方向偏轉(zhuǎn)角為Θ的轉(zhuǎn)動(dòng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種反射式點(diǎn)衍射載波同步移相干涉檢測(cè)裝置，其特征在于:所述的待測(cè)物體(5)和第一透鏡(6)之間還可以依次放置顯微物鏡(15)和校正物鏡(16)。
10.一種反射式點(diǎn)衍射載波同步移相干涉檢測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)調(diào)整光源，使光源發(fā)射的光束經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、第一偏振片和四分之一波片后形成擴(kuò)束的圓偏振光，該光束經(jīng)過(guò)待測(cè)物體、第一透鏡和非偏振分光棱鏡后形成聚焦的物光和參考光，該物光和參考光分別被第一平面反射鏡和第二平面反射鏡反射后共同經(jīng)第二透鏡和偏振分光棱鏡形成兩幅干涉圖11和I2，分別被第一圖像傳感器和第二圖像傳感器同時(shí)采集; (2)根據(jù)平面反射 鏡的偏轉(zhuǎn)角Θ確定數(shù)字參考波:
全文摘要
本發(fā)明屬于光學(xué)干涉檢測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種反射式點(diǎn)衍射載波同步移相干涉檢測(cè)裝置及其專用的檢測(cè)方法。反射式點(diǎn)衍射載波同步移相干涉檢測(cè)裝置，包括光源、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)，第一偏振片、四分之一波片、第一透鏡、非偏振分光棱鏡、第二偏振片、第一平面反射鏡，第二平面反射鏡，第二透鏡，偏振分光棱鏡，第一圖像傳感器，第二圖像傳感器。本發(fā)明兼顧了CCD帶寬利用率、CCD視場(chǎng)利用率、測(cè)量實(shí)時(shí)性、抗干擾能力和系統(tǒng)復(fù)雜性，使系統(tǒng)的整體性能有了提高；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，不需光柵、偏振片組等特殊光學(xué)元件；通過(guò)引入顯微物鏡，該方法可應(yīng)用于顯微測(cè)量中；本發(fā)明裝置在操作中不需要改變光路操作方便靈活，穩(wěn)定性高，系統(tǒng)復(fù)雜性低。
文檔編號(hào)G01B9/02GK103245285SQ20131014095
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月22日
發(fā)明者單明廣, 鐘志, 郝本功, 刁鳴, 張雅彬, 竇崢 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)