專利名稱：基于微偏振片陣列的數(shù)字電子剪切散斑干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子剪切散斑干涉儀，尤其是一種涉及無損、非接觸式檢測技術(shù)領(lǐng)域的可實(shí)時(shí)獲得四幅相移圖像的基于微偏振片陣列的數(shù)字電子剪切散斑干涉儀。
背景技術(shù)：
微偏振片陣列是一種用于測量光線經(jīng)過不同透過方向的偏振片后各個(gè)偏振方向的光強(qiáng)的器件，通常與圖像傳感器(例如數(shù)碼相機(jī))搭配使用從而獲得包含由該微偏振片陣列測得的各偏振分量的圖像，并可以進(jìn)行實(shí)時(shí)相移分析。目前微偏振片陣列制備方法主要有基于聚乙烯醇薄膜刻蝕、基于光控取向的液晶材料以及基于金屬納米光柵幾種。隨著產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性指標(biāo)的不斷提升，需要采用無損檢測方法來研究和檢測材料存在的缺陷。由于具備全場、非接觸和無污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，諸如熱成像、全息成像術(shù)、電子散斑干涉術(shù)(ESPI)和電子剪切散斑干涉術(shù)(ESSPI)等光學(xué)檢測技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。ESSPI是一種基于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理、相移技術(shù)和干涉術(shù)的激光測量技術(shù)，與其他干涉技術(shù)采用兩束相同的光束產(chǎn)生干涉條紋的原理不同，ESSPI采用剪切器將物體表面兩個(gè)點(diǎn)的光波反射到成像平面上的同一點(diǎn)以產(chǎn)生散斑干涉像而無需采用另外的參考光束，因此是一種自參考干涉系統(tǒng)。在數(shù)字電子剪切散斑干涉術(shù)中先后出現(xiàn)了多種剪切成像的技術(shù)剪切凌鏡法、雙孔離焦剪切、邁克爾遜干涉光路圖像剪切以及沃拉斯頓棱鏡剪切。其中剪切棱鏡法是最早用來實(shí)現(xiàn)圖像剪切的方法，其核心剪切原件為光學(xué)棱鏡。其裝置特點(diǎn)為在透鏡前放置一個(gè)光學(xué)棱鏡，由于光學(xué)棱鏡將入射光光強(qiáng)分開成錯(cuò)位的兩束光，從而實(shí)現(xiàn)兩束光剪切。雙孔離焦剪切法是在成像透鏡的前或后表面附近開兩個(gè)對稱的小孔，根據(jù)透鏡成像原理，通過離焦成像實(shí)現(xiàn)兩圖像剪切。邁克爾遜干涉光路圖像剪切方法是采用邁克爾遜光路實(shí)現(xiàn)兩圖像剪切。沃拉斯頓棱鏡是常用的剪切元件，一般采用雙折射晶體制成，利用光的雙折射特性，再結(jié)合使用偏振片從而實(shí)現(xiàn)圖像的錯(cuò)位成像，該方法即為沃拉斯頓棱鏡剪切法。在中國專利200520040730. O中，張熹等人提出了一種邁克爾遜式的剪切散斑干涉儀，并采用精密電驅(qū)動(dòng)元件來驅(qū)動(dòng)透射光平移機(jī)構(gòu)平行移動(dòng)來獲得不同的相移圖，但由于每移動(dòng)到一個(gè)位置采集到的圖像只能夠得到一副相移圖像，因此不能實(shí)時(shí)得到四幅相移圖像。本專利提出了一種基于微偏振片陣列的剪切散斑干涉儀，可實(shí)現(xiàn)一次曝光即可得到四幅相移圖像。在非專利文獻(xiàn)“Pixelatedphase-mask dynamic interferometer”(SPIE,Vol. 5531,2004)中，JamesMillerd等人提出了將微偏振片陣列結(jié)構(gòu)應(yīng)用到全息干涉測量光路中，并得到了一次曝光即可獲得四幅相移圖，但未見有報(bào)道將微偏振片陣列應(yīng)用于剪切散斑干涉光路中。本專利將微偏振片陣列應(yīng)用于剪切散斑干涉光路，可制備出基于微偏振片陣列的電子剪切散斑干涉儀，可實(shí)時(shí)獲得四幅相移圖像。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提出了基于微偏振片陣列實(shí)現(xiàn)一次曝光即可獲得多個(gè)相移量的數(shù)字電子剪切散斑干涉儀，解決了傳統(tǒng)的數(shù)字電子剪切散斑干涉儀需要多次曝光才能夠獲得多個(gè)相移圖像的問題，同時(shí)簡化了以往干涉儀中用來產(chǎn)生相移量的裝置，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測。本發(fā)明的技術(shù)方案是基于微偏振片陣列的數(shù)字電子剪切散斑干涉儀，包括激光器、位于激光器出射光束光路上的擴(kuò)束鏡和被測物體；還包括位于從被測物體表面反射的光束的光路上且用于得到偏振方向相互垂直的兩束相干線偏振光的剪切器、設(shè)置從剪切器出射的光束的光路上的微偏振片陣列、與微偏振片陣列相連的感光兀件和與感光兀件相連的用于對感光元件采集的信號進(jìn)行傳輸和處理的處理設(shè)備。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述剪切器包括位于從被測物體表面反射的光束的光路上的透鏡、位于從透鏡透射出的光束的光路上的偏振分光棱鏡、位于偏振分光棱鏡透射出的光束光路上的第一四分之一波片、位于第一四分之一波片透射出光束的光路上的第一反射機(jī)構(gòu)、位于偏振分光棱鏡反射出的光束的光路上的第二四分之一波片、位于第二四分之一波片透射出光束的光路上的第二反射機(jī)構(gòu)和位于偏振分光棱鏡上第二次透射與反射出的光束的光路上的第三四分之一波片。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一四分之一波片與第二四分之一波片垂直。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第三四分之一波片與第一四分之一波片垂直且同時(shí)與第二四分之一波片平行。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一反射機(jī)構(gòu)與第二反射機(jī)構(gòu)均包括反射鏡和與反射鏡相連的用來調(diào)節(jié)反射鏡偏轉(zhuǎn)角度的偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述剪切器包括位于從被測物體表面反射的光束的光路上的透鏡、位于從透鏡透射出的光束的光路上的沃倫斯頓棱鏡和位于從沃倫斯頓棱鏡出射光束的光路上的第三四分之一波片。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的處理設(shè)備為計(jì)算機(jī)或微處理器。本發(fā)明的有益效果是1、一次曝光即可獲得多次相移，可達(dá)到實(shí)時(shí)檢測的效果；2、光路中簡化了產(chǎn)生相移的裝置；3、由于產(chǎn)生相移的微偏振片陣列直接集成到感光元件上,抗振要求降低。


圖1是微偏振片陣列結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是微偏振片陣列內(nèi)的微偏振片產(chǎn)生四步相移的原理示意圖。圖3是本發(fā)明基于微偏振片陣列的邁克爾遜式的數(shù)字電子剪切散斑干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明基于微偏振片陣列的沃倫斯頓棱鏡式的數(shù)字電子剪切散斑干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖。其中1、激光器,2、擴(kuò)束鏡,3、被測物體,4、偏振分光棱鏡,5、第一四分之一波片，6、第一反射機(jī)構(gòu),7、第二四分之一波片,8、第二反射機(jī)構(gòu),9、第三四分之一波片，10、微偏振片陣列，11、感光元件，12、處理設(shè)備，13、透鏡，14、沃倫斯頓棱鏡。
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖1-附圖4對本發(fā)明進(jìn)一步說明本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)一次曝光得到四個(gè)相移量，在感光元件11前面附著了微偏振片陣列10，微偏振片陣列10的示意圖如圖1所示，每一個(gè)像素單元都為一個(gè)偏振片，其透射方向如圖所示方向，微偏振片陣列與感光元件10配套使用，緊貼在感光元件10上面。微偏振片陣列的單元尺寸與感光元件10像素單元尺寸相同，即一一對應(yīng)關(guān)系。本發(fā)明的基于微偏振片陣列的數(shù)字電子剪切散斑干涉儀，包括激光器1、擴(kuò)束鏡2、被測物體3、剪切器、微偏振片陣列10、感光元件11和處理設(shè)備12。本發(fā)明所述的微偏振片陣列10為現(xiàn)有技術(shù)中的微偏振片陣列，其結(jié)構(gòu)如圖1所
/Jn ο本發(fā)明所述的感光元件11為現(xiàn)有技術(shù)中的CXD或CMOS等感光元件。本發(fā)明所述的處理設(shè)備12為現(xiàn)有技術(shù)中的計(jì)算機(jī)或微處理器。本發(fā)明所述的激光器I和擴(kuò)束鏡2均為現(xiàn)有技術(shù)，其具體的結(jié)構(gòu)本發(fā)明不做詳細(xì)的描述。本發(fā)明中的剪切器有兩種具體的實(shí)施方式實(shí)施方式一包括，偏振分光棱鏡4、第一四分之一波片5、第一反射機(jī)構(gòu)6、第二四分之一波片7、第二反射機(jī)構(gòu)8、第三四分之一波片9和透鏡13。如圖3所示。其中所述的偏振分光棱鏡4、第一四分之一波片5、第二四分之一波片7、第三四分之一波片9和透鏡13均為現(xiàn)有技術(shù)，其具體的結(jié)構(gòu)本發(fā)明不做詳細(xì)的描述。其中第一反射機(jī)構(gòu)6與第二反射機(jī)構(gòu)8均包括反射鏡和與反射鏡相連的用來調(diào)節(jié)反射鏡偏轉(zhuǎn)角度的偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。前述的偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為現(xiàn)有技術(shù)，具體結(jié)構(gòu)本發(fā)明不做詳細(xì)描述。實(shí)施方式二 包括，透鏡13、沃倫斯頓棱鏡14和第三四分之一波片9。如圖4所
/Jn ο其中所述的沃倫斯頓棱鏡14為現(xiàn)有技術(shù)中的沃倫斯頓棱鏡，其具體的結(jié)構(gòu)本發(fā)明不做詳細(xì)的描述。本發(fā)明的基于微偏振片陣列的數(shù)字電子剪切散斑干涉儀，包括激光器1、位于激光器I出射光束光路上的擴(kuò)束鏡2和被測物體3 ;還包括位于從被測物體3表面反射的光束的光路上且用于得到偏振方向相互垂直的兩束相干線偏振光的剪切器、設(shè)置從剪切器出射的光束的光路上的微偏振片陣列10、與微偏振片陣列10相連的感光兀件11和與感光兀件11相連的用于對感光元件11采集的信號進(jìn)行傳輸和處理的處理設(shè)備12。剪切器的實(shí)施方式一剪切器包括位于從被測物體3表面反射的光束的光路上的透鏡13、位于從透鏡13透射出的光束的光路上的偏振分光棱鏡4、位于偏振分光棱鏡4透射出的光束光路上的第一四分之一波片5、位于第一四分之一波片5透射出光束的光路上的第一反射機(jī)構(gòu)6、位于偏振分光棱鏡4反射出的光束的光路上的第二四分之一波片7、位于第二四分之一波片7透射出光束的光路上的第二反射機(jī)構(gòu)8和位于偏振分光棱鏡4上第二次透射與反射出的光束的光路上的第三四分之一波片9。第一四分之一波片5與第二四分之一波片7垂直。第三四分之一波片9與第一四分之一波片5垂直且同時(shí)與第二四分之一波片7平行。
基于前述實(shí)施方式一的剪切器的結(jié)構(gòu)本發(fā)明提出一種基于微偏振片陣列的邁克爾遜式的數(shù)字電子剪切散斑干涉儀，其具體的結(jié)構(gòu)如圖3所示?；谖⑵衿嚵械倪~克爾遜式的數(shù)字電子剪切散斑干涉儀的工作過程如下所述由激光器I發(fā)出的激光經(jīng)過擴(kuò)束鏡2擴(kuò)束后照射到待測物體3上，待測物體3漫反射的光經(jīng)透鏡13會(huì)聚到達(dá)偏振分光棱鏡4,此時(shí)入射光被分成兩束,第一束為透射光，偏振方向?yàn)槠叫杏诩埫嫠谄矫妫坏诙鵀榉瓷涔?，偏振方向垂直于紙面所在平面。第一束透射光?jīng)偏振分光棱鏡4透射后經(jīng)過第一四分之一波片5,第一四分之一波片5放置時(shí)快軸與紙面成-45° (或45° )，即經(jīng)偏振分光棱鏡4透射的光與該四分之一波片5的快軸夾角為45° (或-45° )，因此經(jīng)過四分之一波片5后的光為左旋圓偏振光(或右旋圓偏振光)。左旋圓偏振光(或右旋圓偏振光)到達(dá)第一反射機(jī)構(gòu)6后被反射，再一次經(jīng)過第一四分之一波片5,光由左旋圓偏振光(或右旋圓偏振光)變?yōu)榫€偏振光，此時(shí)的偏振方向與第一次經(jīng)過第一四分之一波片5之前的方向成90°，也即垂直于紙面所在平面，滿足偏振分光棱鏡4的反射條件,反射的光到達(dá)第三四分之一波片9。第二束反射光經(jīng)偏振分光棱鏡4反射光經(jīng)過第二四分之一波片7，該第二四分之一波片7放置時(shí)快軸與紙面所在平面成45° (或-45° )，即經(jīng)偏振分光棱鏡反射的光與該第二四分之一波片7的夾角成45° (或-45° )，因此經(jīng)過第二四分之一波片7的光為左旋圓偏振光(或右旋圓偏振光)。左旋圓偏振光(或右旋圓偏振光)到達(dá)第二反射機(jī)構(gòu)8后被反射，再一次經(jīng)過第二四分之一波片7,光由左旋圓偏振光(或右旋圓偏振光)變?yōu)榫€偏振光，此時(shí)的偏振方向與第一次經(jīng)過第二四分之一波片7之前的方向成90°，也即平行于紙面所在平面，滿足偏振分光棱鏡4的透射條件，透射的光到達(dá)第三四分之一波片9。因此第二次經(jīng)過偏振分光棱鏡4透射和反射的光到達(dá)第三四分之一波片9,兩束光的偏振方向互相垂直,第三四分之一波片9放置時(shí)快軸與偏振分光棱鏡透射光方向成-45° (或45° ),透過第三四分之一波片9的光分別為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光(或右旋圓偏振光和左旋圓偏振光)。經(jīng)過微偏振片陣列10后，引入了四步相移，之后被感光元件11接收，采集信號傳輸?shù)教幚碓O(shè)備12進(jìn)行處理。 本發(fā)明的基于微偏振片陣列的邁克爾遜式的數(shù)字電子剪切散斑干涉儀可以實(shí)現(xiàn)靈敏度的調(diào)節(jié)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)第一反射機(jī)構(gòu)6的偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)或者第二反射機(jī)構(gòu)8中的偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的任意一個(gè)，都可以實(shí)現(xiàn)錯(cuò)位像的錯(cuò)位方向及角度的變化，這就實(shí)現(xiàn)了基于微偏振片陣列的邁克爾遜式的數(shù)字電子剪切散斑干涉儀的靈敏度調(diào)節(jié)。當(dāng)兩束偏振方向互相垂直的偏振光(振幅分別為El和E2，光強(qiáng)為Il和12，位相差為Δ φ)穿過第三四分之一波片9時(shí)兩束偏振光的偏振方向與第三四分之一波片9分別成±45°時(shí),透過第三四分之一波片9的光分別為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光,兩束圓偏振光經(jīng)過微偏振片陣列10時(shí),透過微偏振片陣列10內(nèi)的微偏振片的光強(qiáng)與微偏振片陣列10內(nèi)的微偏振片的透偏振方向有關(guān)。如圖2所示。假定微偏振片陣列10內(nèi)的微偏振片的透射方向與第三四分之一波片10的快軸的夾角為α，則感光元件11所接受的光強(qiáng)信息為I = H 2(/j +I2+ cos(A^ + 2a))
現(xiàn)有技術(shù)中的微偏振片陣列10的每四個(gè)微偏振片單元構(gòu)成一個(gè)超像素，這四個(gè)微偏振片的偏振方向與第三四分之一波片的快軸夾角分別為0，1/4 31，1/2 JI，3/4 31。由上述公式，則得到下述四個(gè)相移公式
權(quán)利要求
1.基于微偏振片陣列的數(shù)字電子剪切散斑干涉儀，包括激光器(1)、位于激光器(1)出射光束光路上的擴(kuò)束鏡(2)和被測物體(3);其特征在于還包括位于從被測物體(3)表面反射的光束的光路上且用于得到偏振方向相互垂直的兩束相干線偏振光的剪切器、設(shè)置從剪切器出射的光束的光路上的微偏振片陣列(10)、與微偏振片陣列(10)相連的感光兀件(11)和與感光元件(11)相連的用于對感光元件(11)采集的信號進(jìn)行傳輸和處理的處理設(shè)備(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微偏振片陣列的數(shù)字電子剪切散斑干涉儀，其特征在于所述剪切器包括位于從被測物體(3)表面反射的光束的光路上的透鏡(13)、位于從透鏡(13)透射出的光束的光路上的偏振分光棱鏡(4)、位于偏振分光棱鏡(4)透射出的光束光路上的第一四分之一波片(5)、位于第一四分之一波片(5)透射出光束的光路上的第一反射機(jī)構(gòu)(6)、位于偏振分光棱鏡(4)反射出的光束的光路上的第二四分之一波片(7)、位于第二四分之一波片(X)透射出光束的光路上的第二反射機(jī)構(gòu)(8)和位于偏振分光棱鏡(4)上第二次透射與反射出的光束的光路上的第三四分之一波片(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于微偏振片陣列的數(shù)字電子剪切散斑干涉儀，其特征在于所述第一四分之一波片(5)與第二四分之一波片(7)垂直。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于微偏振片陣列的數(shù)字電子剪切散斑干涉儀，其特征在于所述第三四分之一波片(9)與第一四分之一波片(5)垂直且同時(shí)與第二四分之一波片(7)平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于微偏振片陣列的數(shù)字電子剪切散斑干涉儀，其特征在于所述第一反射機(jī)構(gòu)(6)與第二反射機(jī)構(gòu)(8)均包括反射鏡和與反射鏡相連的用來調(diào)節(jié)反射鏡偏轉(zhuǎn)角度的偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微偏振片陣列的數(shù)字電子剪切散斑干涉儀，其特征在于所述剪切器包括位于從被測物體(3)表面反射的光束的光路上的透鏡(13)、位于從透鏡(13)透射出的光束的光路上的沃倫斯頓棱鏡(14)和位于從沃倫斯頓棱鏡(14)出射光束的光路上的第三四分之一波片(9)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微偏振片陣列的數(shù)字電子剪切散斑干涉儀，其特征在于所述的處理設(shè)備為計(jì)算機(jī)或微處理器。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于微偏振片陣列的數(shù)字電子剪切散斑干涉儀，包括激光器、位于激光器出射光束光路上的擴(kuò)束鏡和被測物體；還包括位于從被測物體表面反射的光束的光路上且用于得到偏振方向相互垂直的兩束相干線偏振光的剪切器、設(shè)置從剪切器出射的光束的光路上的微偏振片陣列、與微偏振片陣列相連的感光元件和與感光元件相連的用于對感光元件采集的信號進(jìn)行傳輸和處理的處理設(shè)備。優(yōu)點(diǎn)一次曝光即可獲得多次相移，可達(dá)到實(shí)時(shí)檢測的效果；光路中簡化了產(chǎn)生相移的裝置；由于產(chǎn)生相移的微偏振片陣列直接集成到感光元件上，抗振要求降低。
文檔編號G02B27/28GK103048268SQ20131000849
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月10日
發(fā)明者張志剛, 張青川, 符師樺, 程騰, 張勇 申請人:南京中迅微傳感技術(shù)有限公司