專(zhuān)利名稱(chēng)：基于正交雙光柵的同步移相干涉顯微檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于正交雙光柵的同步移相干涉顯微檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法，屬于光學(xué)干涉顯微檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
干涉顯微將干涉技術(shù)和顯微 放大技術(shù)相結(jié)合，可精確地分析物體的三維形貌和相位型物體的位相信息，具有分辨力高、測(cè)量速度快等傳統(tǒng)干涉技術(shù)和顯微技術(shù)不可替代的優(yōu)勢(shì)，是一種比較理想的微小物體三維形貌和位相分布測(cè)量的方法。2006年，瑞士 Lyncee Tec公司首次推出DHM-1000數(shù)字全息顯微鏡，可用于測(cè)量微小物體的三維形貌和位相分布。但因?yàn)椴捎秒x軸全息光路而不能充分利用圖像傳感器CCD的分辨率和空間帶寬積；同時(shí)不能在光路中消除物鏡引起的相位畸變，為相位重構(gòu)帶來(lái)困難，并引起重構(gòu)誤差。中國(guó)專(zhuān)利《基于衍射光柵的物參共路相移數(shù)字全息顯微裝置》，公開(kāi)號(hào)為CN102147233A，
公開(kāi)日為20110810，利用光柵衍射和針孔濾波構(gòu)建了物參共路的干涉顯微裝置，降低了環(huán)境振動(dòng)對(duì)干涉成像的影響，提高了成像的縱向分辨率，但是該方法需通過(guò)移動(dòng)光柵獲得相移，不僅調(diào)控困難，而且因?yàn)橐诓煌瑫r(shí)間分別完成對(duì)多幅干涉圖樣的記錄，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)待測(cè)物體的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量。西安光機(jī)所的姚保利等提出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的方法(P. Gao, B. L. Yao, I. Harder, J. Min, R. Guo, J. Zheng, T. Ye.Parallel two-step phase-shifting digital holograph microscopy based on agrating pair. J. Opt. Soc. Am. A 2011,28(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)一次曝光獲得兩幅相移干涉圖。該方法可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，但該方法仍因采用離軸光路而不能充分利用CCD分辨率和空間帶寬積；同時(shí)因?yàn)槲锕夂蛥⒖脊庵g存在夾角引入載頻，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有同步相移干涉顯微檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)待測(cè)物體相位恢復(fù)的數(shù)據(jù)處理復(fù)雜的問(wèn)題，提供一種基于正交雙光柵的同步移相干涉顯微檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法。本發(fā)明所述基于正交雙光柵的同步移相干涉顯微檢測(cè)裝置，它包括光源，它還包括線偏振片、第一偏振分光棱鏡、第一準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、待測(cè)物體、顯微物鏡、校正物鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第二準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、第二偏振分光棱鏡、λ /4波片、矩形窗口、第一傅里葉透鏡、一維周期幅度光柵、一維周期相位光柵、第二傅里葉透鏡、四象限偏振片組、圖像傳感器和計(jì)算機(jī)，其中λ為光源發(fā)射光束的光波長(zhǎng)，一維周期幅度光柵和一維周期相位光柵組成雙光柵，一維周期幅度光柵和一維周期相位光柵按照光柵線方向正交放置；
光源發(fā)射的光束經(jīng)線偏振片后入射至第一偏振分光棱鏡，第一偏振分光棱鏡的反射光束入射至第一準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)的光接收面，經(jīng)第一準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后的出射光束依次經(jīng)待測(cè)物體、顯微物鏡和校正物鏡后，入射至第一反射鏡，第一反射鏡的反射光束作為物光束入射至第二偏振分光棱鏡；第一偏振分光棱鏡的透射光束經(jīng)第二反射鏡反射后入射至第二準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)的光接收面，經(jīng)第二準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后的出射光束作為參考光束入射至第二偏振分光棱鏡；匯合于第二偏振分光棱鏡的物光束和參考光束經(jīng)過(guò)λ /4波片和矩形窗口后入射至第一傅里葉透鏡，經(jīng)第一傅里葉透鏡匯聚后的出射光束通過(guò)由一維周期幅度光柵和一維周期相位光柵組成的雙光柵后入射至第二傅里葉透鏡，經(jīng)第二傅里葉透鏡透射后的出射光束入射至四象限偏振片組，該四象限偏振片組的出射光束由圖像傳感器的光接收面接收，圖像傳感器的信號(hào)輸出端連接計(jì)算機(jī)的圖像信號(hào)輸入端； 以第一傅里葉透鏡光軸的方向?yàn)棣戚S方向建立xyz三維直角坐標(biāo)系，所述矩形窗口沿垂直于光軸的方向設(shè)置，并且沿X軸方向均分為兩個(gè)小窗口 ；第一傅里葉透鏡和第二傅里葉透鏡的焦距均為f ；矩形窗口位于第一傅里葉透鏡的前焦面上；一維周期幅度光柵和一維周期相位光柵組成的雙光柵位于第一傅里葉透鏡的后焦面上并且位于第二傅里葉透鏡的前焦面上；圖像傳感器位于第二傅里葉透鏡的后焦面上；一維周期幅度光柵的周期d與矩形窗口沿X軸方向的長(zhǎng)度L之間滿(mǎn)足關(guān)系d =2 λ f/L ;一維周期相位光柵的周期dphase與矩形窗口沿y軸方向的寬度W之間滿(mǎn)足關(guān)系
dphase ( 2 λ f/W。一維周期幅度光柵為二值一維周期幅度光柵、正弦一維周期幅度光柵或余弦一維周期幅度光柵。一維周期相位光柵為相位為O和π的二值光柵。四象限偏振片組為四片偏振片組成的2X2陣列，該四片偏振片的排布沿逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)橐来涡D(zhuǎn)45°角。線偏振片的透光軸與X軸呈45°角。所述λ/4波片沿與X軸呈45°角的方向放置。所述矩形窗口為L(zhǎng)XW = 6. 33臟X3. 16臟的窗口。一種基于上述基于正交雙光柵的同步移相干涉顯微檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，它的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下打開(kāi)光源，使光源發(fā)射的光束經(jīng)線偏振片和第一偏振分光棱鏡后分成偏振方向相互垂直的物光束和參考光束；物光束和參考光束經(jīng)第二偏振分光棱鏡匯合后，依次通過(guò)入/4波片、矩形窗口、第一傅里葉透鏡、一維周期幅度光柵、一維周期相位光柵、第二傅里葉透鏡和四象限偏振片組，四象限偏振片組出射的偏振光束在圖像傳感器平面上產(chǎn)生干涉圖樣，計(jì)算機(jī)將采集獲得的干涉圖樣依據(jù)矩形窗口的小窗口的尺寸分割獲得待測(cè)物體的四幅干涉圖樣，該四幅干涉圖樣以右上角圖像為第一幅干涉圖樣，并按照逆時(shí)針?lè)较蚺挪紴榈谝恢恋谒姆缮鎴D樣，四幅干涉圖樣按順序的強(qiáng)度分布順次為。、、込和I4，根據(jù)四幅干涉圖樣的強(qiáng)度分布計(jì)算獲得待測(cè)物體的相位分布爐(/, V):
權(quán)利要求
1.一種基于正交雙光柵的同步移相干涉顯微檢測(cè)裝置，它包括光源(1)，其特征在于它還包括線偏振片(2)、第一偏振分光棱鏡(3)、第一準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(4)、待測(cè)物體(5)、顯微物鏡(6)、校正物鏡(7)、第一反射鏡(8)、第二反射鏡(9)、第二準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(10)、第二偏振分光棱鏡(11)、λ/4波片(12)、矩形窗口(13)、第一傅里葉透鏡(14)、一維周期幅度光柵(15)、一維周期相位光柵(16)、第二傅里葉透鏡(17)、四象限偏振片組(18)、圖像傳感器(19)和計(jì)算機(jī)(20)，其中λ為光源(I)發(fā)射光束的光波長(zhǎng)， 一維周期幅度光柵(15)和一維周期相位光柵(16)組成雙光柵，一維周期幅度光柵(15)和一維周期相位光柵(16)按照光柵線方向正交放置； 光源(I)發(fā)射的光束經(jīng)線偏振片(2)后入射至第一偏振分光棱鏡(3),第一偏振分光棱鏡(3)的反射光束入射至第一準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(4)的光接收面，經(jīng)第一準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(4)準(zhǔn)直擴(kuò)束后的出射光束依次經(jīng)待測(cè)物體(5)、顯微物鏡(6)和校正物鏡(7)后，入射至第一反射鏡(8),第一反射鏡(8)的反射光束作為物光束入射至第二偏振分光棱鏡(11)； 第一偏振分光棱鏡(3)的透射光束經(jīng)第二反射鏡(9)反射后入射至第二準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(10)的光接收面，經(jīng)第二準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)(10)準(zhǔn)直擴(kuò)束后的出射光束作為參考光束入射至第二偏振分光棱鏡(11); 匯合于第二偏振分光棱鏡(11)的物光束和參考光束經(jīng)過(guò)λ/4波片(12)和矩形窗口(13)后入射至第一傅里葉透鏡(14)，經(jīng)第一傅里葉透鏡(14)匯聚后的出射光束通過(guò)由一維周期幅度光柵(15)和一維周期相位光柵(16)組成的雙光柵后入射至第二傅里葉透鏡(17)，經(jīng)第二傅里葉透鏡(17)透射后的出射光束入射至四象限偏振片組(18)，該四象限偏振片組(18)的出射光束由圖像傳感器(19)的光接收面接收，圖像傳感器(19)的信號(hào)輸出端連接計(jì)算機(jī)(20)的圖像信號(hào)輸入端； 以第一傅里葉透鏡(14)光軸的方向?yàn)棣戚S方向建立xyz三維直角坐標(biāo)系，所述矩形窗口(13)沿垂直于光軸的方向設(shè)置，并且沿X軸方向均分為兩個(gè)小窗口 ； 第一傅里葉透鏡(14)和第二傅里葉透鏡(17)的焦距均為f ； 矩形窗口(13)位于第一傅里葉透鏡(14)的前焦面上；一維周期幅度光柵(15)和一維周期相位光柵(16)組成的雙光柵位于第一傅里葉透鏡(14)的后焦面上并且位于第二傅里葉透鏡(17)的前焦面上； 圖像傳感器(19)位于第二傅里葉透鏡(17)的后焦面上； 一維周期幅度光柵(15)的周期d與矩形窗口(13)沿X軸方向的長(zhǎng)度L之間滿(mǎn)足關(guān)系d = 2 λ f/L ； 一維周期相位光柵(16)的周期dph■與矩形窗口(13)沿y軸方向的寬度W之間滿(mǎn)足關(guān)系dphase < 2 λ f/ffo
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于正交雙光柵的同步移相干涉顯微檢測(cè)裝置，其特征在于一維周期幅度光柵(15)為二值一維周期幅度光柵、正弦一維周期幅度光柵或余弦一維周期幅度光柵。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于正交雙光柵的同步移相干涉顯微檢測(cè)裝置，其特征在于 一維周期相位光柵(16)為相位為O和π的二值光柵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于正交雙光柵的同步移相干涉顯微檢測(cè)裝置，其特征在于四象限偏振片組(18)為四片偏振片組成的2X2陣列，該四片偏振片的排布沿逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)橐来涡D(zhuǎn)45°角。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于正交雙光柵的同步移相干涉顯微檢測(cè)裝置，其特征在于線偏振片⑵的透光軸與X軸呈45°角。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于正交雙光柵的同步移相干涉顯微檢測(cè)裝置，其特征在于所述λ/4波片(12)沿與X軸呈45°角的方向放置。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于正交雙光柵的同步移相干涉顯微檢測(cè)裝置，其特征在于所述矩形窗口(13)為L(zhǎng)XW = 6. 33mmX3. 16mm的窗口。
8.一種基于權(quán)利要求I所述基于正交雙光柵的同步移相干涉顯微檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，其特征在于它的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下 打開(kāi)光源(I)，使光源(I)發(fā)射的光束經(jīng)線偏振片(2)和第一偏振分光棱鏡(3)后分成偏振方向相互垂直的物光束和參考光束；物光束和參考光束經(jīng)第二偏振分光棱鏡(11)匯合后，依次通過(guò)λ/4波片(12)、矩形窗口(13)、第一傅里葉透鏡(14)、一維周期幅度光柵(15)、一維周期相位光柵(16)、第二傅里葉透鏡(17)和四象限偏振片組(18)，四象限偏振片組(18)出射的偏振光束在圖像傳感器(19)平面上產(chǎn)生干涉圖樣，計(jì)算機(jī)(20)將采集獲得的干涉圖樣依據(jù)矩形窗口(13)的小窗口的尺寸分割獲得待測(cè)物體(5)的四幅干涉圖樣，該四幅干涉圖樣以右上角圖像為第一幅干涉圖樣，并按照逆時(shí)針?lè)较蚺挪紴榈谝恢恋谒姆缮鎴D樣，四幅干涉圖樣按順序的強(qiáng)度分布順次為。、、込和I4，根據(jù)四幅干涉圖樣的強(qiáng)度分布計(jì)算獲得待測(cè)物體(5)的相位分布爐
全文摘要
基于正交雙光柵的同步移相干涉顯微檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法，屬于光學(xué)干涉顯微檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。它解決了現(xiàn)有同步相移干涉顯微檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)待測(cè)物體相位恢復(fù)的數(shù)據(jù)處理復(fù)雜的問(wèn)題。它將干涉顯微技術(shù)和正交雙光柵分光同步移相技術(shù)相結(jié)合，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物體相貌的檢測(cè)，將線偏振光經(jīng)第一偏振分光棱鏡分成物光束和參考光束，再并排匯合于第二偏振分光棱鏡，最后經(jīng)由圖像傳感器及與圖像傳感器相連的計(jì)算機(jī)采集獲得一幅含有四個(gè)圖樣的干涉圖，再利用四步相移公式計(jì)算待測(cè)物體的相位分布；在操作中不需要改變光路，也不需要移動(dòng)任何裝置組件。本發(fā)明適用于對(duì)待測(cè)物體的相貌檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01B11/06GK102914258SQ20121037139
公開(kāi)日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29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)