[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种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，属于光学干涉显微检测技术领域。

背景技术

干涉显微将干涉技术和显微放大技术相结合，可精确地分析物体的三维形貌和相位型物体的位相信息，具有分辨力高、测量速度快等传统干涉技术和显微技术不可替代的优势，是一种比较理想的微小物体三维形貌和位相分布测量的方法。

2006年，瑞士Lyncee Tec公司首次推出DHM-1000数字全息显微镜，可用于测量微小物体的三维形貌和位相分布。但因为采用离轴全息光路而不能充分利用图像传感器CCD的分辨率和空间带宽积；同时不能在光路中消除物镜引起的相位畸变，为相位重构带来困难，并引起重构误差。

中国专利《基于衍射光栅的物参共路相移数字全息显微装置》，公开号为CN102147233A，公开日为20110810，利用光栅衍射和针孔滤波构建了物参共路的干涉显微装置，降低了环境振动对干涉成像的影响，提高了成像的纵向分辨率，但是该方法需通过移动光栅获得相移，不仅调控困难，而且因为要在不同时间分别完成对多幅干涉图样的记录，因此无法实现待测物体的动态实时测量。

西安光机所的姚保利等提出利用平行双光栅和和偏振调制方法相结合构建同步相移干涉显微装置的方法(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)。该方法利用平行双光栅将正交偏振的物光和参考光分束，结合偏振调制通过一次曝光获得两幅相移干涉图。该方法可实现实时测量，但该方法仍因采用离轴光路而不能充分利用CCD分辨率和空间带宽积；同时因为物光和参考光之间存在夹角引入载频，数据处理复杂。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有同步相移干涉显微检测方法实现待测物体相位恢复的数据处理复杂的问题，提供一种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。

本发明所述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，它还包括线偏振片、第一偏振分光棱镜、第一准直扩束系统、待测物体、显微物镜、校正物镜、第一反射镜、第二反射镜、第二准直扩束系统、第二偏振分光棱镜、λ/4波片、矩形窗口、第一傅里叶透镜、一维周期幅度光栅、一维周期相位光栅、第二傅里叶透镜、四象限偏振片组、图像传感器和计算机，其中λ为光源发射光束的光波长，

一维周期幅度光栅和一维周期相位光栅组成双光栅，一维周期幅度光栅和一维周期相位光栅按照光栅线方向正交放置；

光源发射的光束经线偏振片后入射至第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜的反射光束入射至第一准直扩束系统的光接收面，经第一准直扩束系统准直扩束后的出射光束依次经待测物体、显微物镜和校正物镜后，入射至第一反射镜，第一反射镜的反射光束作为物光束入射至第二偏振分光棱镜；

第一偏振分光棱镜的透射光束经第二反射镜反射后入射至第二准直扩束系统的光接收面，经第二准直扩束系统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；

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

以第一傅里叶透镜光轴的方向为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；

第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜的焦距均为f；

矩形窗口位于第一傅里叶透镜的前焦面上；一维周期幅度光栅和一维周期相位光栅组成的双光栅位于第一傅里叶透镜的后焦面上并且位于第二傅里叶透镜的前焦面上；

图像传感器位于第二傅里叶透镜的后焦面上；

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

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