[發明專利]基于分光棱鏡的三窗口共光路干涉檢測裝置及檢測方法

有效

• 申請號: 201210336467.4
• 申請日: 2012-09-12
• 公開（公告）號: CN102878922A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: 單明廣;鐘志;郝本功
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01B9/02
• 分類號: G01B9/02
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 牟永林

1.一種基于分光棱鏡的三窗口共光路干涉檢測裝置，它包括光源(1)，其特征在于：它還包括偏振片(2)、準直擴束系統(3)、三個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)、分光同步相移系統(10)、圖像傳感器(11)和計算機(12)，其中λ為光源(1)發射光束的光波長，

光源(1)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)準直擴束后的出射光束經過三個λ/4波片(4)、待測物體(5)及矩形窗口(6)后入射至第一透鏡(7)，經第一透鏡(7)匯聚后的出射光束通過一維周期光柵(8)后入射至第二透鏡(9)，經第二透鏡(9)透射后的衍射光束入射至分光同步相移系統(10)，該分光同步相移系統(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z軸方向建立xyz坐標軸，所述矩形窗口(6)沿垂直于光軸的方向設置，并且沿x軸方向均分為三個小窗口；

三個λ/4波片(4)均與矩形窗口(6)平行設置、且位于同一個平面內，所述三個λ/4波片(4)沿x軸方向并行等間距排布，居于中間的λ/4波片(4)的中心線與準直擴束系統(3)的光軸重合；

第一透鏡(7)和第二透鏡(9)的焦距相同；

矩形窗口(6)位于第一透鏡(7)的前焦面上；一維周期光柵(8)位于第一透鏡(7)的后焦面上并且位于第二透鏡(9)的前焦面上；

圖像傳感器(11)位于第二透鏡(9)的后焦面上；

一維周期光柵(8)的周期d與矩形窗口(6)沿λ/4波片(4)排列方向的寬度D之間滿足關系：d＝3λf/D，式中f為第一透鏡(7)和第二透鏡(9)的焦距。

2.根據權利要求1所述的基于分光棱鏡的三窗口共光路干涉檢測裝置，其特征在于：分光同步相移系統(10)由消偏振分光棱鏡(10-1)和偏振片組(10-2)組成，所述消偏振分光棱鏡(10-1)呈立方體結構，該偏振片組(10-2)由兩片偏振片組成，

分光同步相移系統(10)的入射光束為消偏振分光棱鏡(10-1)的入射光束，分光同步相移系統(10)的出射光束為偏振片組(10-2)的出射光束，

消偏振分光棱鏡(10-1)將入射光束分成兩束光束，該兩束光束分別從消偏振分光棱鏡(10-1)的分光面兩側出射，并分別對應于偏振片組(10-2)中的一片偏振片，經兩片偏振片偏振后出射，作為偏振片組(10-2)的出射光束；

消偏振分光棱鏡(10-1)的分光面與xz平面平行，消偏振分光棱鏡(10-1)的入射光束與所述分光面平行，消偏振分光棱鏡(10-1)的入射光束從分光面一側的斜面入射；所述偏振片組(10-2)為偏振方向分別成0°角和90°角的兩片偏振片組成的2×1陣列。

3.根據權利要求1或2所述的基于分光棱鏡的三窗口共光路干涉檢測裝置，其特征在于：

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λ/4波片(4)排列方向的長度小于或者等于D/3，待測物體(5)位于所述居于中間的λ/4波片(4)的正后方。

4.根據權利要求1或2所述的基于分光棱鏡的三窗口共光路干涉檢測裝置，其特征在于：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余弦一維周期光柵。

5.根據權利要求1或2所述的基于分光棱鏡的三窗口共光路干涉檢測裝置，其特征在于：偏振片(2)的透光軸與x軸成45°角。

6.根據權利要求1或2所述的基于分光棱鏡的三窗口共光路干涉檢測裝置，其特征在于：三個λ/4波片(4)中兩側的λ/4波片(4)快軸沿x軸方向放置，中間的λ/4波片(4)快軸沿y軸方向放置。

7.根據權利要求1或2所述的基于分光棱鏡的三窗口共光路干涉檢測裝置，其特征在于：所述矩形窗口(6)為D×(D/3)＝9.49mm×3.16mm的窗口。

8.一種基于權利要求1所述基于分光棱鏡的三窗口共光路干涉檢測裝置的干涉檢測方法，其特征在于：它的實現過程如下：

打開光源(1)，使光源(1)發射的光束經偏振片(2)和準直擴束系統(3)準直擴束后形成平行偏振光束，該平行偏振光束通過三個λ/4波片(4)、待測物體(5)和矩形窗口(6)后，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±1級衍射光束，該衍射光束入射至分光同步相移系統(10)后，在圖像傳感器(11)平面上產生干涉，將計算機(12)采集獲得的干涉圖像根據矩形窗口(6)的小窗口的尺寸分割獲得待測物體(5)的六幅干涉圖樣，該六幅干涉圖樣按照從左到右，并且從上到下的順序強度分布依次為I_-D/3，0、I_0，0、I_D/3，0、I_-D/3，90、I_0，90和I_D/3，90，對強度分布為I_-D/3，90、I_0，90和I_D/3，90的干涉圖樣進行鏡像翻轉后得到強度分布I′_-D/3，90、I′_0，90和I′_D/3，90，計算由一維周期光柵(8)引起的相移角θ：

θ=arccos[2+2sinc2(C0)-K4sinc2(C0)K],]]>

式中C₀為一維周期光柵(8)占空比，K為中間變量，

K=I-D/3,0+I′-D/3,90+ID/3,0+D′D/3,90I0,0+I′0,90,]]>

根據相移角θ，計算待測物體(5)的相位分布