[發明專利]基于同步載頻移相的共光路干涉檢測裝置與方法

有效

• 申請號: 201210424239.2
• 申請日: 2012-10-30
• 公開（公告）號: CN102954842A
• 公開（公告）日: 2013-03-06
• 發明（設計）人: 鐘志;單明廣;郝本功;張雅彬;竇崢;刁鳴
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01J9/02
• 分類號: G01J9/02
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 張宏威

技術領域

本發明涉及基于同步載頻移相的共光路干涉檢測裝置與方法，屬于光學領域。

背景技術

載頻干涉利用具有一定夾角的物光和參考光發生干涉，可從形成的單幅載頻干涉圖獲得待測物體的位相信息，從而適合用于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干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干涉圖樣的零頻分量、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分辨率或空間帶寬積。

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頻調制方法C.Meneses-Fabian,G.Rodriguez-Zurita.Carrier?fringes?in?the?two-aperture?common-path?interferometer.Optics?Letters,2011,36(5):642-644。該方法將一維光柵置于4f共焦系統頻譜面離焦處，通過引入離焦量獲得載頻干涉圖，該方法不需傾斜物光和參考光，調整方便，成本低，同時因為采用共光路結構，抗干擾能力強，但是該方法仍不能充分利用圖像傳感器的橫向分辨率或空間帶寬積。

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-shifting?digital?holograph?microscopy?based?on?a?grating?pair.J.Opt.Soc.Am.A?2011,28(3):434-440。該方法通過調整平行雙光柵間距調制載頻，并結合偏振調制通過一次曝光獲得兩幅相移載頻干涉圖。該方法通過將兩幅相移干涉圖樣相減來消除零頻分量，從而降低了對干涉圖樣中載頻量的要求，同時提高了對CCD的空間分辨率和空間帶寬積的利用率，但是該方法光利用率低，數據處理復雜，并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制技術相結合，提供了一種基于同步載頻移相的共光路干涉檢測裝置與方法。

本發明所述基于同步載頻移相的共光路干涉檢測裝置，它包括光源、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，其中λ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后的出射光束經過兩個λ/4波片、待測物體及矩形窗口后入射至第一透鏡，經第一透鏡匯聚后的出射光束通過一維周期光柵后入射至第二透鏡，經第二透鏡透射后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于光軸的方向設置，并且沿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軸方向并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；

矩形窗口位于第一透鏡的前焦面上；一維周期光柵位于第一透鏡的后焦f-Δf處并且位于第二透鏡的前焦f+Δf處，其中Δf為離焦量，Δf大于0并且小于f；

圖像傳感器位于第二透鏡的后焦面上；

一維周期光柵的周期d與矩形窗口沿x軸方向的寬度D之間滿足關系：d=2λf/D。

基于上述基于同步載頻移相的共光路干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后形成平行偏振光束，該平行偏振光束通過兩個λ/4波片、待測物體和矩形窗口后，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后，在圖像傳感器平面上產生干涉，將計算機采集獲得的干涉圖樣根據矩形窗口的小窗口的尺寸分割獲得兩幅干涉圖樣，通過計算得到待測物體的相位分布

其中，O'為待測物體的復振幅分布，Im()表示取虛部，Re()表示取實部，

O'=FT^-1{FT{(I₁-I₂)·R_E}·H_W}，