一种基于反射光栅的相移点衍射干涉检测装置及检测方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于光学干涉检测技术领域，具体涉及一种基于反射光栅的相移点衍射干涉检测装置及检测方法。基于反射光栅的相移点衍射干涉检测装置，包括光源、准直扩束系统、窗口、待测物体、第一透镜、非偏振分光棱镜、反射光栅、小孔反射镜、第二透镜、图像传感器，光源发射的光束经准直扩束系统准直扩束后的出射光束经过窗口、待测物体后入射至第一透镜，经第一透镜聚焦后的光束被非偏振分光棱镜分成一束参考光和一束物光；参考光照射在小孔反射镜上，物光照射在反射光栅上。本发明专利技术装置系统复杂度低，结构简单，操作灵活方便，成本低，不需要偏振片组等特殊光学元件。

【技术实现步骤摘要】
一种基于反射光栅的相移点衍射干涉检测装置及检测方法
本专利技术属于光学干涉检测
，具体涉及一种基于反射光栅的相移点衍射干涉检测装置及检测方法。
技术介绍
光学干涉检测法因其非接触、分辨力高、无须对样品做特殊处理等独特特点，已被广泛的应用于光学表面、形变及厚度等检测领域。目前的光学干涉检测结构可分为分离光路和共光路两种：分离光路干涉仪，如泰曼-格林干涉仪、马赫-曾德干涉仪等因为参考光束和测量光束通过不同路径进行干涉，易受外界振动、温度起伏等影响。相比于分离光路干涉仪，共光路干涉仪因为参考光束和测量光束经过完全相同的光学路径进行干涉，其对外界振动、温度起伏等不敏感，具有抗干扰能力强等优点，在光学干涉检测领域备受关注。共光路干涉仪一种典型结构为点衍射干涉仪，但早期的点衍射干涉仪定量测量能力较差，为了弥补这一缺点，国内外学者作了很多有益尝试。以色列学者N.T.Shaked提出一种反射式离轴点衍射显微干涉仪(ShakedN.T.“Quantitativephasemicroscopyofbiologicalsamplesusingaportableinterferometer,”Opt.Lett.,37(11),2016-2018(2012).)，在一个标准4f光学系统中引入非偏振分光棱镜产生两束光，通过对其中一束光使用反射式针孔滤波，从而形成参考光，另一束光被反射镜反射后通过非偏振分光棱镜与参考光再度汇合。该方法只需采集一幅干涉图便可获取定量相位信息，测量效率高，但因为采用离轴结构，牺牲了相机的空间带宽和空间采样能力，进而限制了系统空间分辨力，并容易丢失待测样品的高频信息。专利201310206690.1“一种反射式点衍射离轴同步移相干涉检测装置与检测方法”通过引入基于偏振分光棱镜的分光同步正交相移技术，通过一次曝光采集获得两幅正交相移，在保证测量效率的同时，提高了系统测量分辨力，但系统复杂，相机的视场利用率低。西安光机所的郭荣礼等提出了一种反射式点衍射同轴显微干涉仪(R.Guo,B.Yao,P.Gao,J.Min,J.Zheng,T.Ye.“ReflectivePoint-diffractionmicroscopicinterferometerwithlongtermstability.”COL2011,9(12):120002.)，通过引入偏振相移技术，按时间顺序曝光采集四幅相移干涉图，视场利用率高，但因为采用至少4片偏振元件实现相移，系统复杂度高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于反射光栅的相移点衍射干涉检测装置。本专利技术的目的还在于提供一种基于反射光栅的相移点衍射干涉检测方法。本专利技术的目的是这样实现的：基于反射光栅的相移点衍射干涉检测装置，包括光源、准直扩束系统、窗口、待测物体、第一透镜、非偏振分光棱镜、反射光栅、小孔反射镜、第二透镜、图像传感器，光源发射的光束经准直扩束系统准直扩束后的出射光束经过窗口、待测物体后入射至第一透镜，经第一透镜聚焦后的光束被非偏振分光棱镜分成一束参考光和一束物光；参考光照射在小孔反射镜上，物光照射在反射光栅上；经过反射的物光和参考光再次经过非偏振分光棱镜后汇合成一束光束后，经第二透镜后生成干涉图，同时被图像传感器采集到计算机中。小孔反射镜位于第一透镜的焦平面上，所述的反射光栅位于第二透镜的焦平面上。反射光栅可进行横向微小移动以产生相移。反射光栅的+1衍射级光被用于生成干涉图。小孔反射镜的反射区域直径为dp≤1.22λf1/D，其中，λ为光源波长，f1为第一透镜的焦距，D为窗口的直径。待测物体和第一透镜之间还可以依次放置显微物镜和校正物镜。基于反射光栅的相移点衍射干涉检测方法，包括如下步骤：(1)调整光源，使光源发射的光束依次经过准直扩束系统、窗口、待测物体、第一透镜和非偏振分光棱镜后形成聚焦的物光和参考光，物光和参考光分别被反射光栅和小孔反射镜反射后共同经过非偏振分光棱镜和第二透镜形成干涉图，被图像传感器采集传输到计算机中；(2)反射光栅被驱动产生系列横向位移Δ＝(k-1)d/N，图像传感器采集的干涉图将被引入系列相移δk＝(k-1)2π/N，其相应的强度分布为其中，k＝1,2,…,N，O为物光光场分布，R为参考光光场分布，为待测物体的相位分布；利用最小二乘法可获得待测物体的相位分布为本专利技术的有益效果在于：1.本专利技术将反射式点衍射干涉方法与反射光栅移相技术相结合，通过采集系列相移干涉图完成待测相位恢复，在保证系统抗干扰能力和分辨力以及图像传感器视场利用率的基础上，提高了相移精度，简化了相移的复杂度；2.本专利技术装置系统复杂度低，结构简单，操作灵活方便，成本低，不需要偏振片组等特殊光学元件；3.通过引入显微物镜，该方法可应用于显微测量中。附图说明图1为基于反射光栅的相移点衍射干涉检测装置的原理示意图；图2为基于反射光栅的相移点衍射显微干涉检测装置的原理示意图；图3(a)为计算机采集的第一幅相移干涉图；图3(b)为计算机采集的第二幅相移干涉图；图3(c)为计算机采集的第三幅相移干涉图；图3(d)为计算机采集的第四幅相移干涉图；图4为根据待测物体的相位分布恢复获得的待测物体的相位分布。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步描述。本专利技术所述基于反射光栅的相移点衍射干涉检测装置，它包括光源、准直扩束系统、窗口、待测物体、第一透镜、非偏振分光棱镜、反射光栅、小孔反射镜、第二透镜、图像传感器，光源发射的光束经准直扩束系统准直扩束，而后出射光束经过窗口、待测物体后入射至第一透镜，经第一透镜聚焦后的光束被非偏振分光棱镜分成一束参考光和一束物光；参考光照射在小孔反射镜上，物光照射在反射光栅上；经过反射的物光和参考光再次经过非偏振分光棱镜后汇合成一束光束后，经第二透镜后生成干涉图，同时被图像传感器采集到计算机中。小孔反射镜位于第一透镜的焦平面上，反射光栅位于第二透镜的焦平面上。反射光栅可进行横向微小移动以产生相移。反射光栅的+1衍射级光被用于生成干涉图。小孔反射镜的反射区域直径为dp≤1.22λf1/D，其中，λ为光源波长，f1为第一透镜的焦距，D为窗口的直径。待测物体和第一透镜之间还可以依次放置显微物镜和校正物镜用于显微测量。基于上述干涉检测装置的干涉检测方法，它的实现过程如下：①、调整光源，使光源发射的光束依次经过准直扩束系统、窗口、待测物体、第一透镜和非偏振分光棱镜后形成聚焦的物光和参考光，该物光和参考光分别被反射光栅和小孔反射镜反射后共同经过非偏振分光棱镜和第二透镜形成干涉图，被图像传感器采集传输到计算机中；②、假设反射光栅被驱动产生系列横向位移Δ＝(k-1)d/N，图像传感器采集的干涉图将被引入系列相移δk＝(k-1)2π/N，其相应的强度分布为其中，k＝1,2,…,N，O为物光光场分布，R为参考光光场分布，为待测物体的相位分布。利用最小二乘法可获得待测物体的相位分布为下面结合图1说明本专利技术的具体实施方式，本实施方式所述基于反射光栅的相移点衍射干涉检测装置，它包括光源1、准直扩束系统2、窗口3、待测物体4、第一透镜5、非偏振分光棱镜6、反射光栅7、小孔反射镜8、第二透镜9、图像传感器10。其中，光源1采用波长632.8nm的He-Ne激光器，或者为其它单色可见光源本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于反射光栅的相移点衍射干涉检测装置，包括光源(1)、准直扩束系统(2)、窗口(3)、待测物体(4)、第一透镜(5)、非偏振分光棱镜(6)、反射光栅(7)、小孔反射镜(8)、第二透镜(9)、图像传感器(10)，其特征在于：光源(1)发射的光束经准直扩束系统(2)准直扩束后的出射光束经过窗口(3)、待测物体(4)后入射至第一透镜(5)，经第一透镜(5)聚焦后的光束被非偏振分光棱镜(6)分成一束参考光和一束物光；参考光照射在小孔反射镜(8)上，物光照射在反射光栅(7)上；经过反射的物光和参考光再次经过非偏振分光棱镜(6)后汇合成一束光束后，经第二透镜(9)后生成干涉图，同时被图像传感器(10)采集到计算机中。

【技术特征摘要】
1.一种基于反射光栅的相移点衍射干涉检测装置，包括光源(1)、准直扩束系统(2)、窗口(3)、待测物体(4)、第一透镜(5)、非偏振分光棱镜(6)、反射光栅(7)、小孔反射镜(8)、第二透镜(9)、图像传感器(10)，其特征在于：光源(1)发射的光束经准直扩束系统(2)准直扩束后的出射光束经过窗口(3)、待测物体(4)后入射至第一透镜(5)，经第一透镜(5)聚焦后的光束被非偏振分光棱镜(6)分成一束参考光和一束物光；参考光照射在小孔反射镜(8)上，物光照射在反射光栅(7)上；经过反射的物光和参考光再次经过非偏振分光棱镜(6)后汇合成一束光束后，经第二透镜(9)后生成干涉图，同时被图像传感器(10)采集到计算机中；所述的小孔反射镜(8)位于第一透镜(5)的焦平面上，所述的反射光栅(7)位于第二透镜(9)的焦平面上；所述的反射光栅(7)可进行横向微小移动以产生相移；所述的反射光栅(7)的+1衍射级光被...

【专利技术属性】
技术研发人员：单明广，钟志，白鸿一，张雅彬，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23