基于正交偏振光的雙通道時空混合相移菲佐干涉儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于正交偏振光的雙通道時空混合相移菲佐干涉儀，包括光源及光源調(diào)整單元、分光準(zhǔn)直單元、信號提取和時域相移單元、成像單元、空域相移單元、圖像采集單元，光源及光源調(diào)整單元包括光源、濾光片、偏振調(diào)整器和光束擴展透鏡與空間濾波組件，分光準(zhǔn)直單元包括第一非偏振分光棱鏡和準(zhǔn)直透鏡，成像單元為成像物鏡，空域相移單元包括1/2波片、第二非偏振分光棱鏡、x向偏振片和z向偏振片，構(gòu)成雙通道，圖像采集單元包括x向CCD和z向CCD，第一非偏振分光棱鏡處于x方向與z方向相交的交點處，z向CCD和x向CCD在兩個通道上，用于采集待測量物體的具有相移量的干涉條紋圖。該干涉儀具有正交偏振空域相移和時域相移功能。
【專利說明】基于正交偏振光的雙通道時空混合相移菲佐干涉儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明申請涉及光學(xué)干涉測量儀器，具體是指一種既利用波片產(chǎn)生正交偏振光和實現(xiàn)空域同時相移、又能夠用波片或壓電陶瓷PZT實現(xiàn)時域相移的基于正交偏振光的雙通道時空混合相移菲佐干涉儀。
【背景技術(shù)】
[0002]相移干涉測量術(shù)Phase Shifting Interferometry,PSI是一種通過光電圖像傳感器如CCD記錄相移量單調(diào)變化的序列相移干涉數(shù)字圖像，經(jīng)過一定的相移算法計算出干涉條紋圖的相位分布，繼而實現(xiàn)相應(yīng)物理量測量的高精度干涉測量方法，測量精度可〈0.lnm。廣泛應(yīng)用于光學(xué)表面檢測、三維形貌測量、形變測量和數(shù)字全息等領(lǐng)域。
[0003]通常的相移干涉測量術(shù)是在不同時刻采集具有不同相移量的時域相移干涉圖，測量結(jié)果容易受到外界的振動和空氣擾動的影響，而且這種方法難以用于動態(tài)相位測量。解決這些問題的途徑有兩個:一是保持環(huán)境的穩(wěn)定；二是在同一時刻在不同位置同時采集具有不同相移量的多幅同時相移干涉圖，稱為空域同時相移方法。同時相移干涉測量方法既可解決傳統(tǒng)相移干涉測量方法易受環(huán)境干擾問題，也可以用于動態(tài)過程的相位測量，可以采用單圖像傳感器方式和多圖像傳感器方式實現(xiàn)。
[0004]使用單圖像傳感器實現(xiàn)空域同時相移的方法有三種:一是光柵相移法，利用衍射光柵將入射的干涉光場分為沿不同方向傳播的光束，再通過1/4波片和偏振片將三束光變換為相移量分別為-90°、0°、90°的三束光波，分別被同一圖像傳感器的三個區(qū)域采集，形成三幅相移干涉圖；第二種是區(qū)域相移法，用全息光學(xué)元件將同一正交圓偏振干涉光場按分振幅法分解為向四個不同方向的區(qū)域傳輸?shù)墓馐?，每一區(qū)域的干涉光場通過不同方向取向的線狀柵后形成相移量分別為0°、90°、180°、270°的相移干涉光場，這些干涉光場分別被同一圖像傳感器的四個區(qū)域采集為四幅相移干涉圖；第三種是單元相移法，此法在一個圖像傳感器上以四個像素為一個單元，每個單元中的四個像素分別被制作上不同取向的線狀柵，形成一個對正交圓偏振干涉光場分別產(chǎn)生0°、90°、180°、270°相移量的相移單元，干涉光場被圖像傳感器采集后，分別將每個相移單元具有相同相移量像素重新組合后，成為四幅相移干涉圖，此法是目前實現(xiàn)動態(tài)相位測量較好的相移方法，但是在干涉條紋數(shù)密度大時誤差比較大。所有使用單圖像傳感器實現(xiàn)空域同時相移都面臨著橫向分辨率不足的問題，特別是在對采樣條件要求高的數(shù)字全息中。
[0005]使用多圖像傳感器實現(xiàn)空域同時相移時，通常先將產(chǎn)生干涉的兩束光變?yōu)槠穹较蚧榇怪钡恼黄窆?，通過1/2波片后形成兩個相位差為180°的干涉光場，該干涉光場由分光鏡BS分為傳輸方向相互垂直的兩部分,一部分由偏振分束鏡PBS分為兩束,分別被兩個圖像傳感器采集后成為相移量為0°和180°的相移干涉圖，另一部分再通過一個1/4波片后形成相移量為90°和270°兩個干涉光場，由偏振分束鏡PBS分為兩束,分別被兩個圖像傳感器采集后成為相移量為90°和270°的相移干涉圖。根據(jù)相移算法的要求，通常需要在三個或四個相移通道上采用三到四個圖像傳感器。[0006]除了實現(xiàn)相移的方法外，干涉儀的光路結(jié)構(gòu)也是影響測量結(jié)果的重要因素。米用泰曼格林干涉儀TwymanGreen Interferometer或馬赫曾德干涉儀MachZehnderInterferometer等參考光路與測試光路不共路的干涉儀時，因兩條光路容易受到不同的干擾以及兩條光路中光學(xué)元件的不一致，其干涉條紋穩(wěn)定性和測量結(jié)果的精度都難免受到影響。而在菲佐Fizeau干涉儀光路結(jié)構(gòu)下，除了較小的測試段外，參考光路與測試光路都是共路的，這樣可以大大降低光學(xué)元件不一致對結(jié)果的影響，而且也容易保持干涉條紋的穩(wěn)定性。但是，菲佐干涉儀也存在干涉條紋對比度調(diào)節(jié)不方便、調(diào)整靈活性不足等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明申請的目的在于提供一種基于正交偏振光的雙通道時空混合相移菲佐干涉儀，該干涉儀具有正交偏振空域相移功能和具備時域相移功能。
[0008]本發(fā)明的上述目的可以通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:基于正交偏振光的雙通道時空混合相移菲佐干涉儀，其特征在于:所述干涉儀包括光源及光源調(diào)整單元、分光準(zhǔn)直單元、信號提取和時域相移單元、成像單元、空域相移單元、圖像采集單元，其中，所述的光源及光源調(diào)整單元包括光源、濾光片、偏振調(diào)整器和光束擴展透鏡與空間濾波組件，所述的分光準(zhǔn)直單兀包括第一非偏振分光棱鏡和準(zhǔn)直透鏡，所述的光源、濾光片、偏振調(diào)整器、光束擴展透鏡與空間濾波組件、第一非偏振分光棱鏡、準(zhǔn)直透鏡和信號提取和時域相移單元沿z方向的正方向依次設(shè)置，信號提取和時域相移單元正對待測量物體，所述的成像單元為成像物鏡，所述的空域相移單兀包括1/2波片、第二非偏振分光棱鏡、X向偏振片和z向偏振片，構(gòu)成雙通道，所述的圖像采集單元包括X向C⑶和z向(XD，所述的成像物鏡、1/2波片、第二非偏振分光棱鏡、X向偏振片和X向CCD沿X方向的正方向依次設(shè)置，1/2波片的快軸方向與X方向呈22.5°的夾角，并且所述的第一非偏振分光棱鏡處于X方向與z方向相交的交點處，所述的z向偏振片與X向偏振片以所述的第二非偏振分光棱鏡為基點，按照相互垂直偏振位置的方向放置，z向偏振片和z向CCD沿與z方向的負方向相平行的方向設(shè)置，z向C⑶和X向CXD在兩個通道上，用于采集待測量物體的具有相移量的干涉條紋圖。
[0009]本發(fā)明中，所述的偏振調(diào)整器為1/2波片。
[0010]本發(fā)明中，所述第二非偏振分光棱鏡和X向偏振片之間還增設(shè)有1/4波片,該1/4波片的快軸方向與X方向呈45°的夾角，用于采集相移量為90°的條紋圖，使得兩步算法提取的相位更精確。
[0011]本發(fā)明中，所述的信號提取和時域相移單元包括偏振分光棱鏡、可移動平臺和固定平臺，所述固定平臺具有壓電陶瓷微位移器，可移動平臺安裝在固定平臺上，并且與壓電陶瓷微位移器相連接，能夠在壓電陶瓷微位移器驅(qū)動下產(chǎn)生相移，所述的偏振分光棱鏡安裝在可移動平臺上，與可移動平臺聯(lián)動，所述的偏振分光棱鏡位于Z方向上，位于準(zhǔn)直透鏡與待測量物體之間，并且正對待測量物體。本發(fā)明中，所述的信號提取和時域相移單元還增設(shè)有反射鏡，所述的反射鏡也安裝在可移動平臺上，反射鏡正對偏振分光棱鏡，并且垂直于y方向。該信號提取和時域相移單元采用側(cè)向參考光結(jié)構(gòu)，鍍有高反射膜的偏振分光棱鏡側(cè)向反射面作為參考面，還增設(shè)有反射鏡，便于使參考面與待測量物表面保持相同的距離，具有針對不同表面反射率物體進行干涉條紋對比度調(diào)整的功能，同時還能夠避免消偏振物體對測量結(jié)果的影響。[0012]本發(fā)明中各單元功能如下:
[0013]光源及光源調(diào)整單元:光源提供干涉儀的測量光波；可變中密度濾光片用于調(diào)整測量光波強度；偏振調(diào)整器使光源發(fā)出的光波成為與入射面法線的方向成一定夾角的線偏振光波，并用于調(diào)整干涉條紋的對比度，對于線偏振激光光源，偏振調(diào)整器采用1/2波片，對于非線偏振光源，偏振調(diào)整器采用偏振片；光束擴展透鏡與空間濾波組件用于將測量光波調(diào)整為光強分布均勻的球面光波。
[0014]分光準(zhǔn)直單兀:第一非偏振分光棱鏡用于將測量光波引入信號提取單兀，并將返回的載有被測量物體信號物光波和參考光波反射到后續(xù)的測量單元；準(zhǔn)直透鏡將球面光波變?yōu)闇?zhǔn)直光波。
[0015]信號提取和時域相移單元有兩種可選擇的側(cè)向參考光結(jié)構(gòu)，分別如圖2所示的無反射鏡結(jié)構(gòu)和圖3所示的有反射鏡結(jié)構(gòu)。
[0016]在圖2所不的無反射鏡結(jié)構(gòu)中，偏振分光棱鏡用于將入射光束分離為傳輸方向相互垂直、偏振面相互正交的測量光束和參考光束，其A面作為參考反射面，A面上鍍的高反射膜用于反射參考光束，測量光束經(jīng)過待測量物體調(diào)制反射后成為物光束。可移動平臺用于固定偏振分光棱鏡并在固定平臺的壓電陶瓷PZT驅(qū)動下產(chǎn)生相移，固定平臺中安裝有壓電陶瓷PZT微位移器，用于連接可移動平臺并產(chǎn)生相移。
[0017]在圖3所不的結(jié)構(gòu)中，偏振分光棱鏡用于將入射光束分離為傳輸方向相互垂直、偏振面相互正交的測量光束和參考光束，反射鏡用于反射參考光束，測量光束經(jīng)過待測量物體調(diào)制反射后形成物光束。固定平臺用于固定偏振分光棱鏡并與可移動平臺連接，可移動平臺用于連接固定平臺和反射鏡，并在安裝在固定平臺中的壓電陶瓷PZT驅(qū)動下產(chǎn)生相移，固定平臺中安裝有壓電陶瓷PZT微位移器，用于連接可移動平臺并產(chǎn)生相移。
[0018]成像單元為成像物鏡用于使從信號提取和時域相移單元傳輸過來的會聚光變?yōu)榻咏叫械墓馐{(diào)整圖像探測器上的光束尺寸。
[0019]空域相移單元:1/2波片將正交偏振的物光和參考光變?yōu)槠叫杏诤痛怪庇谌肷涿娴木{(diào)制測量光和參考光的兩束同向偏振光，形成相位差為180°的兩個干涉光場，第二非偏振分光棱鏡使這兩個干涉光場分離為傳播方向相互垂直、偏振方向相互正交的空間相移干涉光場，兩個偏振片z向偏振片與X向偏振片按相互垂直偏振位置放置,不插入1/4波片時，兩個干涉光場的相移量為180° ,插入1/4波片后,兩個干涉光場的相移量為90°。
[0020]圖像采集單元:兩個C⑶用于在兩個通道上采集相移量為90°或180°干涉條紋圖。
[0021]本發(fā)明的上述目的還可以通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn):基于正交偏振光的雙通道時空混合相移菲佐干涉儀，其特征在于:所述干涉儀包括光源及光源調(diào)整單元、分光準(zhǔn)直單元、信號提取單元、成像單元、空域相移單元、圖像采集單元，其中，所述的光源及光源調(diào)整單元包括光源、濾光片、偏振調(diào)整器和光束擴展透鏡與空間濾波組件，所述的分光準(zhǔn)直單元包括第一非偏振分光棱鏡和準(zhǔn)直透鏡，所述的光源、濾光片、偏振調(diào)整器、光束擴展透鏡與空間濾波組件、第一非偏振分光棱鏡、準(zhǔn)直透鏡和信號提取單元沿z方向的正方向依次設(shè)置，信號提取單元正對待測量物體，所述的成像單元為成像物鏡，所述的空域相移單元包括1/4波片、1/2波片、第二非偏振分光棱鏡、X向偏振片和z向偏振片，所述的圖像采集單元包括X向C⑶和z向(XD，所述的成像物鏡、1/4波片、1/2波片、第二非偏振分光棱鏡、X向偏振片和X向C⑶沿X方向的正方向依次設(shè)置，1/4波片的快軸方向與X方向呈45°的夾角，1/2波片的快軸方向與X方向呈22.5°的夾角，并且所述的第一非偏振分光棱鏡處于X方向與Z方向相交的交點處，所述的Z向偏振片與X向偏振片以所述的第二非偏振分光棱鏡為基點，按照相互垂直偏振位置的方向放置，Z向偏振片和z向CCD沿與z方向的負方向相平行的方向設(shè)置，z向CXD和X向CXD在兩個通道上，用于采集待測量物體的具有相移量的干涉條紋圖。
[0022]本發(fā)明中，所述的偏振調(diào)整器為1/2波片。
[0023]本發(fā)明中，所述第二非偏振分光棱鏡和X向偏振片之間還增設(shè)有1/2波片,該1/2波片的快軸方向與X方向呈22.5°的夾角，用于采集相移量為90°的條紋圖，使得兩步算法提取的相位更精確。
[0024]本發(fā)明中，所述的信號提取單元包括偏振分光棱鏡、固定平臺和固定平臺座，所述的固定平臺安裝在固定平臺座上，所述的偏振分光棱鏡安裝在固定平臺上，所述的偏振分光棱鏡位于z方向上，位于準(zhǔn)直透鏡與待測量物體之間，并且正對待測量物體。
[0025]本發(fā)明中，所述的信號提取單元還增設(shè)有反射鏡，所述的反射鏡也安裝在固定平臺座上，反射鏡正對偏振分光棱鏡，并且垂直于y方向。
[0026]本發(fā)明中各單元功能如下:光源及光源調(diào)整單元:光源提供干涉儀的測量光波；可變中密度濾光片用于調(diào)整測量光波強度；偏振調(diào)整器使光源發(fā)出的光波成為與入射面法線方向成一定夾角的線偏振光波，并用于調(diào)整干涉條紋的對比度，對于線偏振激光光源，偏振調(diào)整器采用1/2波片，對于非線偏振光源，偏振調(diào)整器采用偏振片；光束擴展透鏡與空間濾波組件用于將測量光波調(diào)整為光強分布均勻的球面光波。
[0027]分光準(zhǔn)直單元:第一非偏振分光棱鏡用于將測量光波引入信號提取單元，并將返回的載有被測量物體信號物光波和參考光波反射到后續(xù)的測量單元；準(zhǔn)直透鏡將球面光波變?yōu)闇?zhǔn)直光波。
[0028]信號提取單元有兩種可選的側(cè)向參考光結(jié)構(gòu)，分別如圖5和圖6所示。
[0029]在圖5所不的結(jié)構(gòu)中，偏振分光棱鏡用于將入射光束分離為傳輸方向相互垂直、偏振面相互正交的測量光束和參考光束，其A面作為參考反射面，鍍在A面上的高反射膜用于反射參考光束，測量光束經(jīng)過待測量物體調(diào)制反射后形成物光束。固定平臺用于固定偏振分光棱鏡并與固定平臺相連接。
[0030]在圖6所不的結(jié)構(gòu)中，偏振分光棱鏡用于將入射光束分離為傳輸方向相互垂直、偏振面相互正交的測量光束和參考光束，反射鏡用于反射參考光束，測量光束經(jīng)過待測量物體調(diào)制反射后形成物光束。固定平臺用于固定偏振分光棱鏡，固定平臺用于固定反射鏡和固定平臺。
[0031]成像單元為成像物鏡，用于使從信號提取單元傳輸過來的會聚變?yōu)榻咏叫械墓馐?，調(diào)整圖像探測器上的光斑大小。
[0032]時域與空域相移單元:該單元由1/4波片、1/2波片、第二非偏振分光棱鏡、1/2波片、偏振片和偏振片組成。
[0033]1/4波片和1/2波片將正交偏振的物光和參考光的光束轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泻痛怪庇谌肷涿娴姆较蚓锕夂蛥⒖脊獾囊粚φ黄窆?，形成相位差?80°的兩個干涉光場,旋轉(zhuǎn)1/2波片可以在物光和參考光中引入時域相移，非偏振分光棱鏡使這兩個相互正交的干涉光場分離為傳播方向相互垂直的空間相移干涉光場，兩個偏振片Z向偏振片與X向偏振片按偏振方向相互垂直位置放置，分別用于分離出平行和垂直于入射面的干涉光場，不插入1/2波片時,獲得相移量為180°兩個干涉光場，插入1/2波片后,變?yōu)橄嘁屏繛?0°的兩個干涉光場。
[0034]圖像采集單元:兩個C⑶用于在兩個通道上采集相移量為90°或180°干涉條紋圖。
[0035]本發(fā)明所涉及的干涉儀用正交偏振光作為測量光和參考光，用偏振分光棱鏡分離測量光和參考光，用側(cè)向反射面作為參考面，通過1/4波片或1/2波片的插入和移出，獲得兩個傳播方向相互垂直、相位差分別為90°或180°的干涉光場，由兩個光電圖像傳感器同時記錄兩個通道的干涉條紋圖，通過兩步相移算法計算出被測量物體的相位。該干涉儀同時還具有用波片或壓電陶瓷PZT實現(xiàn)時域相移的功能。
[0036]與現(xiàn)有技術(shù)相比，該技術(shù)發(fā)明具有以下顯著效果:
[0037]1、本發(fā)明申請為時空混合相移雙通道菲佐干涉儀，結(jié)合兩步相移算法，可以實現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)相位測量，相對其他空域相移技術(shù)，降低了成本和技術(shù)難度，而且在使用空域載頻測量方法時，還提高了空間分辨率。
[0038]2、本發(fā)明申請采用側(cè)向參考面和偏振分光膜分離測量光和參考光方法，便于使參考面與待測量物表面保持相同的距離，具有針對不同表面反射率物體進行干涉條紋對比度調(diào)整的功能，同時還能夠避免消偏振物體對測量結(jié)果的影響。
[0039]3、本發(fā)明申請所述干涉儀在具備空域同時相移功能的基礎(chǔ)上，還具備時域相移功能，能夠?qū)崿F(xiàn)時域相移相位測量，也能夠?qū)y量系統(tǒng)進行校正。
[0040]4、本發(fā)明申請中、所示的帶參考反射鏡微位移裝置除可用于進行相移相位測量夕卜，還可以用于白光掃描干涉測量。
[0041]5、本發(fā)明申請中、所示的時域與空域相移單元，在通過不插入或插入后一個二分之一波片的空域相移方法獲得相移量為180°或90°的兩幅干涉條紋圖外，還可以通過旋轉(zhuǎn)前一個二分之一波片的進行時域相移，在兩幅空域相移干涉條紋圖中同時產(chǎn)生相同相移量的相移，獲得兩套相位差為180°或90°的相移干涉條紋圖。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0043]圖1本發(fā)明干涉儀實施例一的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖2是本發(fā)明干涉儀實施例一中無反射鏡的信號提取和時域相移單元結(jié)構(gòu)圖；
[0045]圖3是本發(fā)明干涉儀實施例一中有反射鏡的信號提取和時域相移單元結(jié)構(gòu)圖；
[0046]圖4本發(fā)明干涉儀實施例二的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0047]圖5是本發(fā)明干涉儀實施例二中無反射鏡的信號提取和時域相移單元結(jié)構(gòu)圖；
[0048]圖6是本發(fā)明干涉儀實施例二中有反射鏡的信號提取和時域相移單元結(jié)構(gòu)圖。
[0049]附圖標(biāo)記說明
[0050]光源101，濾光片102，偏振調(diào)整器103，光束擴展透鏡與空間濾波組件104，第一非偏振分光棱鏡105，準(zhǔn)直透鏡106，信號提取和時域相移單元107，待測量物體108，成像物鏡109，1/2波片110，第二非偏振分光棱鏡111，1/4波片112，X向偏振片113，z向偏振片 114，X 向 CCD 115，z 向 CCD 116，
[0051]偏振分光棱鏡1071，可移動平臺1072，固定平臺1073，反射鏡1074
[0052]光源201，濾光片202，偏振調(diào)整器203，光束擴展透鏡與空間濾波組件204，第一非偏振分光棱鏡205，準(zhǔn)直透鏡206，信號提取單元207，待測量物體208，成像物鏡209，1/4波片210，1/2波片211，第二非偏振分光棱鏡212，1/2波片213，x向偏振片214，z 向偏振片 215，X 向 CCD 216，z 向 CCD 217，
[0053]偏振分光棱鏡2071，固定平臺2072，固定平臺座2073，反射鏡2074，
【具體實施方式】
[0054]本發(fā)明的實施方式以線偏振激光為光源進行具體說明。實施方式說明中，光束傳輸過程中的空間坐標(biāo)系規(guī)定為:光束沿系統(tǒng)光軸傳輸?shù)姆较驗閦方向，即沿擴展透鏡與空間濾波組件后形成的球面光波的中心線為Z方向，且光線射出的方向為Z方向的正方向，X方向垂直于入射面和Z方向，y方向平行于入射面且與Z方向垂直,x、y、z三個方向成右手坐標(biāo)系。
[0055]實施例一
[0056]本發(fā)明基于正交偏振光的雙通道時空混合相移菲佐干涉儀的實施例一如圖1至圖3所示，該干涉儀包括光源及光源調(diào)整單元、分光準(zhǔn)直單元、信號提取和時域相移單元、成像單元、空域相移單元、圖像采集單元，其中，光源及光源調(diào)整單元包括光源101、濾光片102、偏振調(diào)整器103和光束擴展透鏡與空間濾波組件104，分光準(zhǔn)直單元包括第一非偏振分光棱鏡105和準(zhǔn)直透鏡106，偏振調(diào)整器103為1/2波片，光源101、濾光片102、偏振調(diào)整器103、光束擴展透鏡與空間濾波組件104、第一非偏振分光棱鏡105、準(zhǔn)直透鏡106和信號提取和時域相移單元107沿z方向的正方向依次設(shè)置，信號提取和時域相移單元107正對待測量物體108，成像單元為成像物鏡109，空域相移單元包括1/2波片110、第二非偏振分光棱鏡111、X向偏振片113和z向偏振片114，圖像采集單元包括X向CXDl 15和z向CXDl 16，成像物鏡109、1/2波片110、第二非偏振分光棱鏡111、X向偏振片113和X向CXDl 15沿X方向的正方向依次設(shè)置，1/2波片110的快軸方向與X方向呈22.5°的夾角，并且第一非偏振分光棱鏡105處于X方向與z方向相交的交點處，z向偏振片114與X向偏振片113以第二非偏振分光棱鏡111為基點，按照相互垂直偏振位置的方向放置，z向偏振片114和z向CXDl 16沿與z方向的負方向相平行的方向設(shè)置，z向CXDl 16和x向CXDl 15在兩個通道上，用于采集待測量物體108的具有相移量的干涉條紋圖。
[0057]本實施例中，還可以在第二非偏振分光棱鏡111和X向偏振片113之間增設(shè)有1/4波片112，該1/4波片112的快軸方向與X方向呈45°的夾角。
[0058]如圖2所示，本實施例中的信號提取和時域相移單元107包括偏振分光棱鏡1071、可移動平臺1072和固定平臺1073，固定平臺1073具有壓電陶瓷微位移器，可移動平臺1072安裝在固定平臺1073上，并且與壓電陶瓷微位移器相連接，能夠在壓電陶瓷微位移器驅(qū)動下產(chǎn)生相移，偏振分光棱鏡1071安裝在可移動平臺1072上，與可移動平臺1072聯(lián)動，偏振分光棱鏡1071位于z方向上，位于準(zhǔn)直透鏡106與待測量物體108之間，并且正對待測量物體108。
[0059]如圖3所示，信號提取和時域相移單元107還增設(shè)有反射鏡1074，反射鏡1074也安裝在可移動平臺1072上，反射鏡1074正對偏振分光棱鏡1071，并且垂直于y方向。該信號提取和時域相移單元107采用側(cè)向參考光結(jié)構(gòu)，鍍有高反射膜的偏振分光棱鏡側(cè)向反射面作為參考面，還增設(shè)有反射鏡1074，便于使參考面與待測量物表面保持相同的距離，具有針對不同表面反射率物體進行干涉條紋對比度調(diào)整的功能，同時還能夠避免消偏振物體對測量結(jié)果的影響。
[0060]本實施例的工作原理和工作過程如下:光源201采用激光器，由光源101發(fā)出的線偏振激光經(jīng)可變中密度濾光片102衰減后，1/2波片103將激光偏振方向旋轉(zhuǎn)到與X方向成一定夾角的線偏振光，夾角大小由干涉條紋對比度決定，經(jīng)過擴展透鏡與空間濾波組件104擴展濾波后，形成光強分布均勻的發(fā)散球面光波；光束擴展透鏡與空間濾波組件104采用現(xiàn)有組件，能夠?qū)⒔?jīng)1/2波片103來的線偏振光擴展濾波后，形成光強分布均勻的發(fā)散球面光波的組件即可，球面光波透過第一非偏振分光棱鏡105后，被準(zhǔn)直透鏡106準(zhǔn)直成平面光波。該平面波經(jīng)過偏振分光棱鏡1071時，X方向偏振分量被反射到參考面方向，經(jīng)參考面偏振分光棱鏡1071的A面或反射鏡1074反射后形成參考光波，y方向偏振分量透射后照射到被測量物體表面，被待測量物體108反射后形成物光波。參考光波再次被偏振分光棱鏡1071反射，物光波再次透過偏振分光棱鏡1071，二者又被準(zhǔn)直透鏡106變換為會聚光波，經(jīng)過第一非偏振分光棱鏡105反射到成像物鏡109，成像物鏡109把會聚光波變?yōu)闇?zhǔn)直光波，并使光束橫向尺寸與光電圖像傳感器的光敏面尺寸相匹配。由成像物鏡109出來的準(zhǔn)直光波通過快軸方向與X方向夾角為22.5°的1/2波片110后，將原X方向僅有參考光波、y方向僅有物光波的正交偏振光，變?yōu)閄方向和y方向均含參考光波和物光波的正交偏振光，而且兩個偏振方向干涉條紋之間的相移量為180°。再用一個第二非偏振分光棱鏡111，將這個正交偏振光分解為傳輸方向相互垂直的兩個正交偏振光，在透射方向放置偏振方向與y方向相同的X向偏振片113，獲得沿y方向偏振的干涉光場；在反射方向放置偏振方向與X方向相同的z向偏振片114,獲得沿X方向偏振的干涉光場；通過光電圖像傳感器X向CXDl 15和光電圖像傳感器Z向CXDl 16分別采集記錄，即可在兩個通道上獲得相移量為180°的兩幅相移干涉條紋圖。
[0061]要在兩個通道上獲得相移量為90°的兩幅相移干涉條紋圖，只需在第二非偏振分光棱鏡111與X向偏振片113之間插入快軸方向與X方向夾角為45°的1/4波片112即可。
[0062]如果需要采用常用的相移方法如采用4步、5步或N步相移算法，或需要對系統(tǒng)進行校正時，只需啟動圖2所示固定平臺1073或圖3所示固定平臺1073中的壓電陶瓷PZT微位移器產(chǎn)生相移，即可通過兩個通道上的光電圖像傳感器X向CXDl 15和z向CXDl 16獲得兩套相位差為90°或180°的時域相移干涉圖。
[0063]實施例二
[0064]本發(fā)明基于正交偏振光的雙通道時空混合相移菲佐干涉儀的實施例一如圖4至圖6所示，該干涉儀包括光源及光源調(diào)整單元、分光準(zhǔn)直單元、信號提取單元、成像單元、空域相移單元、圖像采集單元，其中，光源及光源調(diào)整單元包括光源201、濾光片202、偏振調(diào)整器203和光束擴展透鏡與空間濾波組件204,分光準(zhǔn)直單兀包括第一非偏振分光棱鏡205和準(zhǔn)直透鏡206，偏振調(diào)整器203為1/2波片，光源201、濾光片202、偏振調(diào)整器203、光束擴展透鏡與空間濾波組件204、第一非偏振分光棱鏡205、準(zhǔn)直透鏡206和信號提取單元207沿Z方向的正方向依次設(shè)置，信號提取單元207正對待測量物體208，成像單元為成像物鏡209，空域相移單元包括1/4波片210、第二非偏振分光棱鏡212、x向偏振片214和z向偏振片215，圖像采集單元包括X向(XD216和z向(XD217，成像物鏡209、1/4波片210、、第二非偏振分光棱鏡212、x向偏振片214和X向(XD216沿x方向的正方向依次設(shè)置，1/4波片210的快軸方向與X方向呈45°的夾角，_，并且第一非偏振分光棱鏡205處于X方向與z方向相交的交點處，z向偏振片215與X向偏振片214以第二非偏振分光棱鏡212為基點，按照相互垂直偏振位置的方向放置，z向偏振片215和z向(XD217沿與z方向的負方向相平行的方向設(shè)置，z向(XD217和X向(XD216在兩個通道上，用于采集待測量物體208的具有相移量的干涉條紋圖。
[0065]本實施例中，還可以在第二非偏振分光棱鏡212和X向偏振片214之間還增設(shè)有1/2波片213，該1/2波片213的快軸方向與X方向呈22.5°的夾角。
[0066]如圖4所示，本實施例中的時域相移由1/2波片211實施，1/2波片211固定在1/4波片210、第二非偏振分光棱鏡212之間，通過1/2波片211的快軸方向與X方向夾角變化實施相移。
[0067]如圖5所示，本實施例中的信號提取單元207包括偏振分光棱鏡2071、固定平臺2072和固定平臺座2073，固定平臺2072安裝在固定平臺座2073上，偏振分光棱鏡2071安裝在固定平臺2072上，偏振分光棱鏡2071位于z方向上，位于準(zhǔn)直透鏡206與待測量物體208之間，并且正對待測量物體208。
[0068]如圖6所示，信號提取單元207還增設(shè)有反射鏡2074，反射鏡2074也安裝在固定平臺座2073上，反射鏡2074正對偏振分光棱鏡2071，并且垂直于y方向。信號提取單元207采用側(cè)向參考光結(jié)構(gòu)，鍍有高反射膜的偏振分光棱鏡側(cè)向反射面作為參考面，還增設(shè)有反射鏡2074，便于使參考面與待測量物表面保持相同的距離，具有針對不同表面反射率物體進行干涉條紋對比度調(diào)整的功能，同時還能夠避免消偏振物體對測量結(jié)果的影響。
[0069]本實施例的工作原理和工作過程如下:光源201采用激光器，由光源201發(fā)出的線偏振激光經(jīng)可變中密度濾光片202衰減后，1/2波片203將激光偏振方向旋轉(zhuǎn)到與X方向成一定夾角的線偏振光，夾角大小由干涉條紋對比度決定，經(jīng)過擴展透鏡與空間濾波組件204擴展濾波后，形成光強分布均勻的發(fā)散球面光波；球面光波透過第一非偏振分光棱鏡205,被準(zhǔn)直透鏡206準(zhǔn)直成平面光波。該平面波經(jīng)過偏振分光棱鏡2071時，X方向偏振分量被反射到參考面方向，經(jīng)參考面偏振分光棱鏡2071的A面或反射鏡2074反射后形成參考光波，y方向偏振分量透射后照射到被測量物體表面，被物體208反射后形成物光波。參考光波再次被偏振分光棱鏡2071或反射鏡2074反射，物光波再次透過偏振分光棱鏡2071，二者又被準(zhǔn)直透鏡206變換為會聚光波，經(jīng)過非偏振分光棱鏡205反射到成像物鏡209，成像物鏡209把會聚光波變?yōu)闇?zhǔn)直光波，并使光束橫向尺寸與光電圖像傳感器的尺寸相匹配。由成像物鏡209出來的準(zhǔn)直光波通過快軸方向與X方向夾角為45°的1/4波片將原來X方向僅有參考光波、y方向僅有物光波的正交偏振光，變?yōu)閄方向和y方向均含物光波和參考光波的左右圓偏振光，這兩個圓偏振方向干涉條紋之間的相移量為180°。1/2波片211在物光波與參考光波之間產(chǎn)生隨該波片繞z方向旋轉(zhuǎn)角度變化的相移量，相移量大小等于1/2波片211快軸與X方向夾角的4倍，可用于實現(xiàn)時域相移。再用第二非偏振分光棱鏡212將這個正交偏振光分解為傳輸方向相互垂直的兩個正交偏振光，在透射方向放置偏振方向與I方向相同的X向偏振片214，獲得沿y方向偏振的干涉光場；在反射方向放置偏振方向與X方向相同的z向偏振片215,獲得沿X方向偏振的干涉光場；通過光電圖像傳感器X向(XD216和光電圖像傳感器z向(XD217分別記錄，即可在兩個通道上獲得相移量為180°的兩幅相移干涉條紋圖。
[0070]要在兩個通道上獲得相移量為90°的兩幅相移干涉條紋圖，只需在第二非偏振分光棱鏡212與偏振片X向214之間插入快軸方向與X方向夾角為22.5°的1/2波片213即可。
[0071]如果需要米用常用的相移方法如米用4步、5步或N步相移算法,或需要對系統(tǒng)進行校正時，只需將1/2波片211繞z方向旋轉(zhuǎn)，即可通過兩個通道上的光電圖像傳感器X向(XD216和z向(XD217獲得兩套相位差為90°或180°的時域相移干涉圖。
[0072]本發(fā)明的實施方式不限于此，在本發(fā)明上述基本技術(shù)思想前提下，按照本領(lǐng)域的普通技術(shù)知識和慣用手段對本
【發(fā)明內(nèi)容】
所做出其它多種形式的修改、替換或變更，均落在本發(fā)明申請保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.基于正交偏振光的雙通道時空混合相移菲佐干涉儀，其特征在于:所述干涉儀包括光源及光源調(diào)整單元、分光準(zhǔn)直單元、信號提取和時域相移單元、成像單元、空域相移單元、圖像采集單元，其中，所述的光源及光源調(diào)整單元包括光源(101)、濾光片(102)、偏振調(diào)整器(103)和光束擴展透鏡與空間濾波組件(104)，所述的分光準(zhǔn)直單元包括第一非偏振分光棱鏡(105)和準(zhǔn)直透鏡(106)，所述的光源(101)、濾光片(102)、偏振調(diào)整器(103)、光束擴展透鏡與空間濾波組件(104)、第一非偏振分光棱鏡(105)、準(zhǔn)直透鏡(106)和信號提取和時域相移單元(107)沿z方向的正方向依次設(shè)置，信號提取和時域相移單元(107)正對待測量物體(108)，所述的成像單元為成像物鏡(109)，所述的空域相移單元包括1/2波片(110)、第二非偏振分光棱鏡(111)、X向偏振片(113)和z向偏振片(114),構(gòu)成雙通道,所述的圖像采集單元包括X向CXD (115)和z向CXD (116)，所述的成像物鏡(109)、1/2波片(110)、第二非偏振分光棱鏡(lll)、x向偏振片(113)和X向CXD (115)沿X方向的正方向依次設(shè)置，1/2波片(110)的快軸方向與X方向呈22.5°的夾角，并且所述的第一非偏振分光棱鏡(105)處于X方向與z方向相交的交點處,所述的z向偏振片(114)與X向偏振片(113)以所述的第二非偏振分光棱鏡(111)為基點，按照相互垂直偏振位置的方向放置，z向偏振片(114)和z向CXD (116)沿與z方向的負方向相平行的方向設(shè)置，z向CXD (116)和X向CXD (115)在兩個通道上，用于采集待測量物體(108)的具有相移量的干涉條紋圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于正交偏振光的雙通道時空混合相移菲佐干涉儀，其特征在于:所述第二非偏振分光棱鏡(111)和X向偏振片(113)之間還增設(shè)有1/4波片(112)，該1/4波片(112)的快軸方向與X方向呈45°的夾角，用于采集相移量為90°的條紋圖，使得兩步算法提取的相位更精確。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于正交偏振光的雙通道時空混合相移菲佐干涉儀，其特征在于:所述的信號提取和時域相移單元(107)包括偏振分光棱鏡(1071)、可移動平臺(1072)和固定平臺(1073)，所述固定平臺(1073)具有壓電陶瓷微位移器，可移動平臺(1072)安裝在固定平臺(1073) 上，并且與壓電陶瓷微位移器相連接，能夠在壓電陶瓷微位移器驅(qū)動下產(chǎn)生相移，所述的偏振分光棱鏡(1071)安裝在可移動平臺(1072)上，與可移動平臺(1072)聯(lián)動，所述的偏振分光棱鏡(1071)位于z方向上，位于準(zhǔn)直透鏡(106)與待測量物體(108 )之間，并且正對待測量物體(108 )。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于正交偏振光的雙通道時空混合相移菲佐干涉儀，其特征在于:所述的信號提取和時域相移單元(107還增設(shè)有反射鏡(1074)，所述的反射鏡(1074)也安裝在可移動平臺(1072)上，反射鏡(1074)正對偏振分光棱鏡(1071 )，并且垂直于y方向。
5.基于正交偏振光的雙通道時空混合相移菲佐干涉儀，其特征在于:所述干涉儀包括光源及光源調(diào)整單元、分光準(zhǔn)直單元、信號提取單元、成像單元、空域相移單元、圖像采集單元，其中，所述的光源及光源調(diào)整單元包括光源(201)、濾光片(202)、偏振調(diào)整器(203)和光束擴展透鏡與空間濾波組件(204)，所述的分光準(zhǔn)直單元包括第一非偏振分光棱鏡(205)和準(zhǔn)直透鏡(206)，所述的光源(201)、濾光片(202)、偏振調(diào)整器(203)、光束擴展透鏡與空間濾波組件(204)、第一非偏振分光棱鏡(205)、準(zhǔn)直透鏡(206)和信號提取單兀(207)沿z方向的正方向依次設(shè)置，信號提取單元(207)正對待測量物體(208)，所述的成像單元為成像物鏡(209)，所述的空域相移單元包括1/4波片(210)、1/2波片(211)、第二非偏振分光棱鏡(212)、X向偏振片(214)和z向偏振片(215)，構(gòu)成雙通道，所述的圖像采集單元包括X向CCD (216)和z向CCD (217)，所述的成像物鏡(209)、1/4波片(210)、1/2波片(211)、第二非偏振分光棱鏡(212)、x向偏振片(214)和X向CXD (216)沿x方向的正方向依次設(shè)置，1/4波片(210)的快軸方向與X方向呈45°的夾角，所述的第一非偏振分光棱鏡(205)處于X方向與z方向相交的交點處,所述的z向偏振片(215)與X向偏振片(214)以所述的第二非偏振分光棱鏡(212)為基點，按照相互垂直偏振位置的方向放置，z向偏振片(215)和z向CXD (217)沿與z方向的負方向相平行的方向設(shè)置，z向CXD (217)和x向CXD (216)在兩個通道上，用于采集待測量物體(208)的具有相移量的干涉條紋圖。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于正交偏振光的雙通道時空混合相移菲佐干涉儀，其特征在于:所述第二非偏振分光棱鏡(212)和X向偏振片(214)之間還增設(shè)有1/2波片(213)，該1/2波片(213)的快軸方向與X方向呈22.5°的夾角，用于采集相移量為90°的條紋圖，使得兩步算法提取的相位更精確。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的基于正交偏振光的雙通道時空混合相移菲佐干涉儀，其特征在于:所述的信號提取單元(207)包括偏振分光棱鏡(2071)、固定平臺(2072)和固定平臺座(2073)，所述的固定平臺(2072)安裝在固定平臺座(2073)上，所述的偏振分光棱鏡(2071)安裝在固定平臺(2072)上，所述的偏振分光棱鏡(2071)位于z方向上，位于準(zhǔn)直透鏡(206)與待測量物體(208)之間，并且正對待測量物體(208)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于正交偏振光的雙通道時空混合相移菲佐干涉儀，其特征在于:所述的信號提取單元(207)還增設(shè)有反射鏡(2074)，所述的反射鏡(2074)也安裝在固定平臺座(2073)上，反射鏡(2074)正對偏振分光棱鏡(2071)，并且垂直于y方向。
【文檔編號】G01B9/02GK103712554SQ201310737972
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】呂曉旭, 孫鵬, 王翰林, 王函鹍, 鄧健, 鐘麗云 申請人:華南師范大學(xué)