基於同步載頻移相的共光路幹涉檢測裝置與方法

2023-10-17 04:38:39 1

專利名稱：基於同步載頻移相的共光路幹涉檢測裝置與方法
技術領域：
本發明涉及基於同步載頻移相的共光路幹涉檢測裝置與方法，屬於光學領域。
背景技術：
載頻幹涉利用具有一定夾角的物光和參考光發生幹涉，可從形成的單幅載頻幹涉圖獲得待測物體的位相信息，從而適合用 於運動物體或動態過程的實時測量，但是該方法為了能夠從單幅幹涉圖樣中再現物光的復振幅分布，需要傾斜物光和參考光以獲得足夠大夾角使幹涉圖樣的零頻分量、實像和共軛像在頻譜面上分離，進而不能充分利用圖像傳感器的橫向解析度或空間帶寬積。墨西哥學者C. Meneses-Fabian等提出利用4f共焦系統和一維光柵相結合實現載 M 調製方法 C. Meneses-Fabian, G. Rodriguez-Zurita. Carrier fringes in thetwo-aperture common-path interferometer. Optics Letters, 2011，36(5):642_644。該方法將一維光柵置於4f共焦系統頻譜面離焦處，通過引入離焦量獲得載頻幹涉圖，該方法不需傾斜物光和參考光，調整方便，成本低，同時因為採用共光路結構，抗幹擾能力強，但是該方法仍不能充分利用圖像傳感器的橫向解析度或空間帶寬積。西安光機所的姚保利等提出利用平行雙光柵的同步載頻移相干涉方法P. Gao, B.L. Yao, I. Harder, J. Min, R. Guo, J. Zheng, T. Ye. Parallel two-step phase-shiftingdigital holograph microscopy based on a grating pair.J.Opt. Soc. Am. A2011，28 (3) :434-440。該方法通過調整平行雙光柵間距調製載頻，並結合偏振調製通過一次曝光獲得兩幅相移載頻幹涉圖。該方法通過將兩幅相移幹涉圖樣相減來消除零頻分量，從而降低了對幹涉圖樣中載頻量的要求，同時提高了對CCD的空間解析度和空間帶寬積的利用率，但是該方法光利用率低，數據處理複雜，並需通過測量條紋確定載頻量。

發明內容
本發明目的是針對上述現有技術的不足之處，將離焦光柵分光技術和偏振調製技術相結合，提供了一種基於同步載頻移相的共光路幹涉檢測裝置與方法。本發明所述基於同步載頻移相的共光路幹涉檢測裝置，它包括光源、偏振片、準直擴束系統、兩個X/4波片、待測物體、矩形窗口、第一透鏡、一維周期光柵、第二透鏡、偏振片組、圖像傳感器和計算機，其中、為光源發射光束的光波長，光源發射的光束經偏振片入射至準直擴束系統的光接收面，經該準直擴束系統準直擴束後的出射光束經過兩個X/4波片、待測物體及矩形窗口後入射至第一透鏡，經第一透鏡匯聚後的出射光束通過一維周期光柵後入射至第二透鏡，經第二透鏡透射後的衍射光束入射至偏振片組，該偏振片組的出射光束由圖像傳感器的光接收面接收，圖像傳感器的圖像信號輸出端連接計算機的圖像信號輸入端；以光軸的方向為z軸方向建立xyz三維直角坐標軸，所述矩形窗口沿垂直於光軸的方向設置，並且沿X軸方向均分為兩個小窗口 ；
兩個λ/4波片均與矩形窗口平行設置，所述兩個λ/4波片沿X軸方向並行等間距排布在同一平面內；第一透鏡和第二透鏡的焦距都為f ;矩形窗口位於第一透鏡的前焦面上；一維周期光柵位於第一透鏡的後焦f-Af處並且位於第二透鏡的前焦f+ Λ f處，其中Af為離焦量，Λ f大於O並且小於f ；圖像傳感器位於第二透鏡的後焦面上；一維周期光柵的周期d與矩形窗口沿X軸方向的寬度D之間滿足關係d=2Af/D。基於上述基於同步載頻移相的共光路幹涉檢測裝置的檢測方法，它的實現過程如下打開光源，使光源發射的光束經偏振片和準直擴束系統準直擴束後形成平行偏振光束，該平行偏振光束通過兩個λ /4波片、待測物體和矩形窗口後，再依次經過第一透鏡、一維周期光柵和第二透鏡產生O級和土 I級衍射光束，該衍射光束通過偏振片組濾波後，在圖像傳感器平面上產生幹涉，將計算機採集獲得的幹涉圖樣根據矩形窗口的小窗口的尺寸分割獲得兩幅幹涉圖樣，通過計算得到待測物體的相位分布爐(^):
I 、Im(W)
φ χ,ν) =——；f 』
、"1 Re (O')其中，O』為待測物體的復振幅分布，ImO表示取虛部，ReO表示取實部，O，=Fr1 {FT {(I1-I2) · RJ · HffI，其中，FT表示傅立葉變換，FT-1表示逆傅立葉變換，Hff為低通濾波器的傳遞函數，Re為根據一維周期光柵的離焦量△€得到的數字參考波函數&(17)RE(x, y) =exp (_i2 π X Δ f/f/d)，I1為由偏振片組中一片偏振片濾波得到的幹涉圖強度分布，該偏振片的透光軸與X軸呈0°，I2為由偏振片組中另一片偏振片濾波得到的幹涉圖強度分布，該另一片偏振片的透光軸與X軸呈45°，I1 (X，y) = I R |2+ | O 12+R*0+R0*，I2 (x, y) = I R12+ I O 12+exp (_i α ) R*0+exp (ia) RO*,其中，R表示參考光，R*表示R的復共軛，O表示物光，O*表示O的復共軛，α = π/2為載波相移量。本發明的優點本發明方法簡單、處理方便、可充分利用圖像傳感器的空間解析度和空間帶寬積的檢測目的，同時還提供一種滿足和適用於上述方法的基於同步載頻移相的共光路幹涉檢測裝置，使該方法得以實施。基於同步載頻移相的共光路幹涉檢測方法有以下特點和有益效果I.克服了本領域的技術偏見，將離焦光柵分光技術和偏振調製技術相結合，通過一次曝光採集獲得兩幅相移幹涉圖，並通過差動相減方法消除零頻分量以達到物體相位恢復的目的，這種結合方式獲得了意想不到的好的效果，不僅方法簡單易行，光利用率高，而且可充分利用CCD的橫向解析度和空間帶寬積。2.兩幅載頻幹涉圖對比度相同，載頻確定容易，映射關係簡單，可極大提聞相位恢復算法效率，同時可消除因多級次衍射引入的相移誤差和隨機噪聲，提高測量精度，進而更適合實時動態測量，這是區別於現有技術的創新點之二 ；本發明裝置具有如下顯著特點I.本發明裝置結構簡單，成本低；2.本發明裝置在操作中不需要改變光路，也不需要傾斜或移動任何實驗器件，操作方便靈活，穩定性高。


圖I是本發明所述基於同步載頻移相的共光路幹涉檢測裝置的結構示意圖；圖2是偏振片組結構示意圖；圖3是與圖2對應的幹涉圖樣； 圖4是在圖3的基礎上提取的兩幅幹涉圖樣；圖5是恢復的相位分布圖；圖6是圖5中虛線以上的相位分布圖對應的一維分布圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結合圖I說明本實施方式，本實施方式所述基於同步載頻移相的共光路幹涉檢測裝置，它包括光源I、偏振片2、準直擴束系統3、兩個λ/4波片4、待測物體5、矩形窗口 6、第一透鏡7、一維周期光柵8、第二透鏡9、偏振片組10、圖像傳感器11和計算機12，其中λ為光源I發射光束的光波長，光源I發射的光束經偏振片2入射至準直擴束系統3的光接收面，經該準直擴束系統3準直擴束後的出射光束經過兩個λ /4波片4、待測物體5及矩形窗口 6後入射至第一透鏡7，經第一透鏡7匯聚後的出射光束通過一維周期光柵8後入射至第二透鏡9，經第二透鏡9透射後的衍射光束入射至偏振片組10，該偏振片組10的出射光束由圖像傳感器11的光接收面接收，圖像傳感器11的圖像信號輸出端連接計算機12的圖像信號輸入端；以光軸的方向為ζ軸方向建立xyz三維直角坐標軸，所述矩形窗口 6沿垂直於光軸的方向設置，並且沿X軸方向均分為兩個小窗口 ；兩個λ/4波片4均與矩形窗口 6平行設置，所述兩個λ/4波片4沿X軸方向並行等間距排布在同一平面內；第一透鏡7和第二透鏡9的焦距都為f ；矩形窗口 6位於第一透鏡7的前焦面上；一維周期光柵8位於第一透鏡7的後焦f-Af處並且位於第二透鏡9的前焦f+ Λ f處，其中Af為離焦量，Δ f大於O並且小於f ；圖像傳感器11位於第二透鏡9的後焦面上；一維周期光柵8的周期d與矩形窗口 6沿X軸方向的寬度D之間滿足關係
d=2A f/Do本實施方式中，光源I米用波長632. 8nm的He-Ne雷射器。第一透鏡7和第二透鏡9的焦距均為f=250mm。
具體實施方式
二 本實施方式對實施方式一作進一步說明，一維周期光柵8為二值一維周期光柵、正弦一維周期光柵或餘弦一維周期光柵。本實施方式中，一維周期幅度光柵8採用周期d=50 μ m的Ronchi光柵。
具體實施方式
三本實施方式對實施方式一或二作進一步說明，偏振片組10由兩片偏振片組成，該兩片偏振片形成1X2陣列，該兩片偏振片的透光軸與X軸分別呈0°和45。。
具體實施方式
四本實施方式對實施方式一、二或三作進一步說明，兩個X/4波片4中一個\ /4波片4快軸沿X軸方向放置，另一個\ /4波片4快軸沿y軸方向放置。
具體實施方式
五本實施方式對實施方式一、二、三或四作進一步說明，偏振片2的透光軸與X軸呈45°角。
具體實施方式
六本實施方式對實施方式一、二、三、四或五作進一步說明，待測物體5放置在矩形窗口 6內、矩形窗口 6的光束入射側或矩形窗口 6的光束出射側,待測物體5沿X軸方向的長度小於或等於D/2，待測物體5位於其中一個\ /4波片4的正後方。所述待測物體5沿X軸方向的長度可根據需要選取，只要小於或等於D/2即可。
具體實施方式
七下面結合圖I至圖6說明本實施方式，基於本實施方式一所述基於同步載頻移相的共光路幹涉檢測裝置的檢測方法，它的實現過程如下打開光源I，使光源I發射的光束經偏振片2和準直擴束系統3準直擴束後形成平行偏振光束，該平行偏振光束通過兩個、/4波片4、待測物體5和矩形窗口 6後，再依次經過第一透鏡7、一維周期光柵8和第二透鏡9產生0級和土 I級衍射光束,該衍射光束通過偏振片組10濾波後，在圖像傳感器11平面上產生幹涉，如圖3所示，將計算機12採集獲得的幹涉圖樣根據矩形窗口 6的小窗口的尺寸分割獲得兩幅幹涉圖樣，如圖4所示，通過計算得到待測物體5的相位分布識(U)，如圖5、6所示
、Im ((T) mx.y) =——--，
、"'Re (O')其中，0』為待測物體的復振幅分布，ImO表示取虛部，ReO表示取實部，O，=Fr1 {FT {(I1-I2) RJ Hff}，其中，FT表示傅立葉變換，FT—1表示逆傅立葉變換，Hff為低通濾波器的傳遞函數，Re為根據一維周期光柵8的離焦量A f得到的數字參考波函數Re(x，y)RE(x, y) =exp (_i2 X A f/f/d)，I1為由偏振片組10中一片偏振片濾波得到的幹涉圖強度分布，該偏振片的透光軸與X軸呈0°，I2為由偏振片組10中另一片偏振片濾波得到的幹涉圖強度分布，該另一片偏振片的透光軸與X軸呈45°，I1 (X，y) = I R |2+1 012+R*0+R0*，I2 (x, y) = I R12+1 012+exp (_i a ) R*0+exp (i a ) RO*,其中，R表示參考光，R*表示R的復共軛，0表示物光，Cf表示0的復共軛，a =
31/2為載波相移量。上述過程中I1-I2是去除直流量的過程I1 (X，y) -I2 (X，y) = [1-exp (_i a ) ] R*0+[l_exp (i a ) ] RO*,去除直流量後，其頻譜由[1-exp (_ia)] R*0和[1-exp (i a ) ] R(f兩部分組成，且這兩部分沿頻譜中心對稱分布。Re (X，y)=exp(-i2 Ji x A f/f/d)與I1U,y)-I2(x, y) = [l-exp(_i a )]R*0+[l-exp(a )]R0* 相乘得到(I1-I2) RE=[l_exp (_i a )]R*0 · RE+[l-exp(a)]RO* · Re,這樣[1-expH a )]R*0 · Re 移動到了 頻譜的中心，[1-exp (i a )]R(f· Re則移到了離頻譜中心更遠的地方，因此，通過低通濾波Hw，得到O，=[l_exp (-i a ) ] R*0 · RE。此實施實例結 構簡單，同時因為採用同步載頻偏振相移技術，避免了器件移動引入的幹擾，系統穩定性好，而且載波頻率能夠直接從離焦量中獲得，降低了計算量，提高了處理速度。
權利要求
1.基於同步載頻移相的共光路幹涉檢測裝置，它包括光源(1)，其特徵在於它還包括偏振片(2)、準直擴束系統(3)、兩個λ/4波片(4)、待測物體(5)、矩形窗口(6)、第一透鏡(7)、一維周期光柵(8)、第二透鏡(9)、偏振片組(10)、圖像傳感器(11)和計算機(12)，其中入為光源(I)發射光束的光波長， 光源(I)發射的光束經偏振片(2)入射至準直擴束系統(3)的光接收面，經該準直擴束系統(3)準直擴束後的出射光束經過兩個λ/4波片(4)、待測物體(5)及矩形窗口(6)後入射至第一透鏡(7)，經第一透鏡(7)匯聚後的出射光束通過一維周期光柵(8)後入射至第二透鏡(9)，經第二透鏡(9)透射後的衍射光束入射至偏振片組(10)，該偏振片組(10)的出射光束由圖像傳感器(11)的光接收面接收，圖像傳感器(11)的圖像信號輸出端連接計算機(12)的圖像信號輸入端； 以光軸的方向為ζ軸方向建立xyz三維直角坐標軸，所述矩形窗口(6)沿垂直於光軸的方向設置，並且沿X軸方向均分為兩個小窗口 ； 兩個λ/4波片(4)均與矩形窗口(6)平行設置，所述兩個λ/4波片(4)沿X軸方向並行等間距排布在同一平面內； 第一透鏡(7)和第二透鏡(9)的焦距都為f ； 矩形窗口(6)位於第一透鏡(7)的前焦面上；一維周期光柵(8)位於第一透鏡(7)的後焦f-Af處並且位於第二透鏡(9)的前焦f+Af處，其中Af為離焦量，Af大於O並且小於f ; 圖像傳感器(11)位於第二透鏡(9)的後焦面上； 一維周期光柵(8)的周期d與矩形窗口(6)沿X軸方向的寬度D之間滿足關係d=2Af/D0
2.根據權利要求I所述基於同步載頻移相的共光路幹涉檢測裝置，其特徵在於，一維周期光柵(8)為二值一維周期光柵、正弦一維周期光柵或餘弦一維周期光柵。
3.根據權利要求I所述基於同步載頻移相的共光路幹涉檢測裝置，其特徵在於，偏振片組(10)由兩片偏振片組成，該兩片偏振片形成I X 2陣列，該兩片偏振片的透光軸與X軸分別呈0°和45。。
4.根據權利要求I所述基於同步載頻移相的共光路幹涉檢測裝置，其特徵在於，兩個入/4波片(4)中一個λ/4波片(4)快軸沿X軸方向放置，另一個λ/4波片(4)快軸沿y軸方向放置。
5.根據權利要求I所述基於同步載頻移相的共光路幹涉檢測裝置，其特徵在於，偏振片(2)的透光軸與X軸呈45°角。
6.根據權利要求I所述基於同步載頻移相的共光路幹涉檢測裝置，其特徵在於，待測物體(5)放置在矩形窗口(6)內、矩形窗口(6)的光束入射側或矩形窗口(6)的光束出射側，待測物體(5)沿X軸方向的長度小於或等於D/2，待測物體(5)位於其中一個λ/4波片(4)的正後方。
7.基於權利要求I所述基於同步載頻移相的共光路幹涉檢測裝置的檢測方法，其特徵在於它的實現過程如下 打開光源(1)，使光源(I)發射的光束經偏振片(2)和準直擴束系統(3)準直擴束後形成平行偏振光束，該平行偏振光束通過兩個λ/4波片(4)、待測物體(5)和矩形窗口(6)後，再依次經過第一透鏡(7)、一維周期光柵(8)和第二透鏡(9)產生O級和±1級衍射光束，該衍射光束通過偏振片組(10)濾波後，在圖像傳感器(11)平面上產生幹涉，將計算機(12)採集獲得的幹涉圖樣根據矩形窗口(6)的小窗口的尺寸分割獲得兩幅幹涉圖樣，通過計算得到待測物體(5)的相位分布爐(Λ少)
全文摘要
基於同步載頻移相的共光路幹涉檢測裝置與方法，屬於光學領域，本發明為解決現有技術的不足之處。本發明包括光源、偏振片、準直擴束系統、兩個λ/4波片、待測物體、矩形窗口、第一透鏡、一維周期光柵、第二透鏡、偏振片組、圖像傳感器和計算機，打開光源，使光源發射的光束經偏振片和準直擴束系統準直擴束後形成平行偏振光束，該平行偏振光束通過兩個λ/4波片、待測物體和矩形窗口後，再依次經過第一透鏡、一維周期光柵和第二透鏡產生0級和±1級衍射光束，該衍射光束通過偏振片組濾波後，在圖像傳感器平面上產生幹涉，將計算機採集獲得的幹涉圖樣根據矩形窗口的小窗口的尺寸分割獲得兩幅幹涉圖樣，通過計算得到待測物體的相位分布。
文檔編號G01J9/02GK102954842SQ201210424239
公開日2013年3月6日 申請日期2012年10月30日 優先權日2012年10月30日
發明者鍾志, 單明廣, 郝本功, 張雅彬, 竇崢, 刁鳴 申請人:哈爾濱工程大學