[发明专利]基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置及检测方法

权利要求书

1.一种基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置，它包括光源(1)，其特征在于：它还包括线偏振片(2)、第一偏振分光棱镜(3)、第一准直扩束系统(4)、待测物体(5)、显微物镜(6)、校正物镜(7)、第一反射镜(8)、第二反射镜(9)、第二准直扩束系统(10)、第二偏振分光棱镜(11)、λ/4波片(12)、矩形窗口(13)、第一傅里叶透镜(14)、一维周期幅度光栅(15)、一维周期相位光栅(16)、第二傅里叶透镜(17)、四象限偏振片组(18)、图像传感器(19)和计算机(20)，其中λ为光源(1)发射光束的光波长，

一维周期幅度光栅(15)和一维周期相位光栅(16)组成双光栅，一维周期幅度光栅(15)和一维周期相位光栅(16)按照光栅线方向正交放置；

光源(1)发射的光束经线偏振片(2)后入射至第一偏振分光棱镜(3)，第一偏振分光棱镜(3)的反射光束入射至第一准直扩束系统(4)的光接收面，经第一准直扩束系统(4)准直扩束后的出射光束依次经待测物体(5)、显微物镜(6)和校正物镜(7)后，入射至第一反射镜(8)，第一反射镜(8)的反射光束作为物光束入射至第二偏振分光棱镜(11)；

第一偏振分光棱镜(3)的透射光束经第二反射镜(9)反射后入射至第二准直扩束系统(10)的光接收面，经第二准直扩束系统(10)准直扩束后的出射光束作为参考光束入射至第二偏振分光棱镜(11)；

汇合于第二偏振分光棱镜(11)的物光束和参考光束经过λ/4波片(12)和矩形窗口(13)后入射至第一傅里叶透镜(14)，经第一傅里叶透镜(14)汇聚后的出射光束通过由一维周期幅度光栅(15)和一维周期相位光栅(16)组成的双光栅后入射至第二傅里叶透镜(17)，经第二傅里叶透镜(17)透射后的出射光束入射至四象限偏振片组(18)，该四象限偏振片组(18)的出射光束由图像传感器(19)的光接收面接收，图像传感器(19)的信号输出端连接计算机(20)的图像信号输入端；

以第一傅里叶透镜(14)光轴的方向为z轴方向建立xyz三维直角坐标系，所述矩形窗口(13)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；

第一傅里叶透镜(14)和第二傅里叶透镜(17)的焦距均为f；

矩形窗口(13)位于第一傅里叶透镜(14)的前焦面上；一维周期幅度光栅(15)和一维周期相位光栅(16)组成的双光栅位于第一傅里叶透镜(14)的后焦面上并且位于第二傅里叶透镜(17)的前焦面上；

图像传感器(19)位于第二傅里叶透镜(17)的后焦面上；

一维周期幅度光栅(15)的周期d与矩形窗口(13)沿x轴方向的长度L之间满足关系：d＝2λf/L；

一维周期相位光栅(16)的周期d_phase与矩形窗口(13)沿y轴方向的宽度W之间满足关系：d_phase≤2λf/W。

2.根据权利要求1所述的基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置，其特征在于：一维周期幅度光栅(15)为二值一维周期幅度光栅、正弦一维周期幅度光栅或余弦一维周期幅度光栅。

3.根据权利要求1所述的基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置，其特征在于：

一维周期相位光栅(16)为相位为0和π的二值光栅。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置，其特征在于：四象限偏振片组(18)为四片偏振片组成的2×2阵列，该四片偏振片的排布沿逆时针方向为依次旋转45°角。

5.根据权利要求1所述的基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置，其特征在于：线偏振片(2)的透光轴与x轴呈45°角。

6.根据权利要求1所述的基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置，其特征在于：所述λ/4波片(12)沿与x轴呈45°角的方向放置。

7.根据权利要求1所述的基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置，其特征在于：所述矩形窗口(13)为L×W＝6.33mm×3.16mm的窗口。

8.一种基于权利要求1所述基于正交双光栅的同步移相干涉显微检测装置的检测方法，其特征在于：它的实现过程如下：

打开光源(1)，使光源(1)发射的光束经线偏振片(2)和第一偏振分光棱镜(3)后分成偏振方向相互垂直的物光束和参考光束；物光束和参考光束经第二偏振分光棱镜(11)汇合后，依次通过λ/4波片(12)、矩形窗口(13)、第一傅里叶透镜(14)、一维周期幅度光栅(15)、一维周期相位光栅(16)、第二傅里叶透镜(17)和四象限偏振片组(18)，四象限偏振片组(18)出射的偏振光束在图像传感器(19)平面上产生干涉图样，计算机(20)将采集获得的干涉图样依据矩形窗口(13)的小窗口的尺寸分割获得待测物体(5)的四幅干涉图样，该四幅干涉图样以右上角图像为第一幅干涉图样，并按照逆时针方向排布为第一至第四幅干涉图样，四幅干涉图样按顺序的强度分布顺次为I₁、I₂、I₃和I₄，根据四幅干涉图样的强度分布计算获得待测物体(5)的相位分布