[发明专利]基于分光同步相移的共光路干涉检测装置及检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于分光同步相移的共光路干涉检测装置及检测方法，属于光学干涉检测领域。

背景技术

光学相移干涉仪是一种非接触、高精度的全场测量工具，被广泛的应用于光学表面、形变及厚度等检测领域。传统的光学干涉检测方法有泰曼-格林干涉法、马赫-曾德干涉法以及剪切干涉法等。其中，泰曼-格林干涉法、马赫-曾德干涉法等采用分离光路干涉，即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；剪切干涉法等采用共光路干涉，即参考光束与测量光束通过共同路径后干涉，其对外界振动、温度起伏等不敏感，具有一定抗干扰能力，但剪切干涉法同时实现剪切量和相移量调控比较困难，调控精度较低，且需移动光学元件引入相移提高测量精度，不仅不适合动态测量，还会引起光学系统的振动，形成噪声。为了解决这些困难，国内外学者作了诸多有益尝试。

中国专利《可实时测量的同步相移斐索干涉装置》，公开号为CN102589414A，公开日为2012年7月18日，该专利利用λ/4波片替代传统斐索干涉仪中的标准平晶，使考光束与测量光束通过共同路径后干涉，并结合四象限偏振片组通过一次曝光获得四幅相移干涉图，在保证高空间分辨率的前提下，实现了测量的实时性，但是该方法操作复杂困难，且需要高质量λ/4波片，成本高。

墨西哥学者V.Arrizón等提出基于4f系统和光栅滤波的共光路干涉法(V.Arrizón，D.Sánchez-de-la-Llave.Common-path interferometry with one-dimensional periodic filters.Optics Letters，2004，29(2)：141-143)。该方法在输入端使用两个窗，一个放置被测物体，另一个作为参考，结合4f系统光栅滤波的共光路结构，通过调整光栅周期、透镜焦距等参数，能够在输出端得到物体的干涉图样，但是该方法仍需移动光栅获得相移。G.Rodriguez-Zurita等在上述方法基础上，提出利用偏振调制方法实现同步相移(G.Rodriguez-Zurita，C.Meneses-Fabian，N.I.Toto-Arellano，J.F.Vázquez-Castillo，C.Robledo-Sánchez.One-shot phase-shifting phase-grating interferometry with modulation of polarization：case of four interferograms.Opt.Express，2008，16(11)：7806-7817)。该方法利用光栅产生的0、±1和±2衍射光，结合偏振调制通过一次曝光获得四幅相移干涉图。该方法调整方便，成本低，且可实现实时测量，但是因为利用多级衍射光到达CCD干涉，造成CCD有效面积利用率低，同时因为衍射级次光强的不同，使获得四幅干涉图对比度不同，进而增加数据处理的复杂性并影响测量精度。

发明内容

本发明目的是为了解决现有光学相移干涉检测方法操作复杂困难，且需要高质量λ/4波片，成本高，测量精度低的问题，提供了一种基于分光同步相移的共光路干涉检测装置及检测方法。

本发明所述基于分光同步相移的共光路干涉检测装置，它包括光源，它还包括偏振片、准直扩束系统、两个λ/4波片、待测物体、矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅、第二透镜、分光同步相移系统、图像传感器和计算机，其中λ为光源发射光束的光波长，

光源发射的光束经偏振片入射至准直扩束系统的光接收面，经该准直扩束系统准直扩束后的出射光束经过两个λ/4波片、待测物体及矩形窗口后入射至第一透镜，经第一透镜汇聚后的出射光束通过一维周期光栅后入射至第二透镜，经第二透镜透射后的衍射光束入射至分光同步相移系统，该分光同步相移系统的出射光束由图像传感器的光接收面接收，图像传感器的图像信号输出端连接计算机的图像信号输入端；

以光轴的方向为z轴方向建立xyz坐标轴，所述矩形窗口沿垂直于光轴的方向设置，并且沿x轴方向均分为两个小窗口；

两个λ/4波片均与矩形窗口平行设置、且位于同一个平面内，所述两个λ/4波片沿x轴方向并行等间距排布；

第一透镜和第二透镜的焦距都为f；

矩形窗口位于第一透镜的前焦面上；一维周期光栅位于第一透镜的后焦面上并且位于第二透镜的前焦面上；

图像传感器位于第二透镜的后焦面上；

一维周期光栅的周期d与矩形窗口沿x轴方向的宽度D之间满足关系：d＝2λf/D。