[发明专利]相移干涉条纹生成系统及其生成方法

说明书

本发明提出一种相移干涉条纹生成系统及其生成方法，该生成系统包括可发射线偏振光的光源，可将所述光源发出光线分设形成为参照光与物体光两束光的分光单元，以及可将参照光与物体光合并的合光单元，所述分光单元与所述合光单元之间形成有参照光传输光路以及物体光传输光路，所述合光单元的光线输出端设置有偏振检波器，通过旋转偏振检波器的角度，以产生相移干涉条纹。该生成方法为基于上述生成系统。该发明实现了高速、高精度的四幅相移干涉条纹生成，极大程度上解决了以往相移干涉条纹生成装置低速、高额且精度差的问题，同时由于本发明装置的高速性在一定程度上也解决了由测量环境变动引起的测量不准等恶性问题。

技术领域

本发明属于数字全息领域，尤其涉及一种数字全息的干涉条纹的生成。

背景技术

数字全息是利用光学干涉及衍射原理的数字化光场重建的方法，它将反射光的不透明物体表面或者透过光的透明、半透明物体内部结构中每一个三维空间中的点看作为一个点光源，通过光学干涉和衍射的数学公式，利用计算机计算出这些点光源发光时光波相位，根据干涉测量法实现对不透明物体表面或者透明、半透明物体形状进行纳米级超精密的三维测量。

进行数字全息超精密三维测量时，需要干涉条纹的记录和物体光重建两个步骤。首先，使用可干涉距离较长的激光作为光源，使用分光器将一束激光分为两束，由于分光器的物理光学特性，分开的两束激光光波相位可认为相同或者相位差非常微小。其次，其中一束激光不透过任何物体或者不经过物体反射，在空间中传播，称为参照光；而另一束激光透过透明物体或者经过不透明物体的反射后在空间中传播，称为物体光；参照光和物体光传播到另外一个分光器上并进行合成，以相同光轴相同传播方向照射到数字相机传感器的相同位置上。参照光由于无阻碍地在空间中进行传播，照射到数字相机传感器上时的相位可认为与激光器发出的激光初始相位相同，可认为参照光相位值为0；物体光由于经过不透明物体表面反射或者透明物体透射而发生相位的改变。根据光学干涉条件，两列传播方向相同、路径相同、波长相同、相位差恒定、偏振方向相同的光波可在空间中形成明暗相间的干涉条纹，因此参照光和物体光在数字相机传感器表面上形成干涉条纹，其明暗振幅呈余弦波(cos)，其相位取决于物体光和参照光相位差的大小。进一步地，数字相机传感器将干涉条纹进行数字化，以数字图像的形式记录物体光和参照光的干涉条纹。由于数字相机传感器仅能够记录光强信息，因此对于余弦波(cos)振幅变化的干涉条纹，无法分辨物体光和参照光相位差的正与负。而在三维重建时正的相位差表示相对参照平面突起的形状，负的相位差表示相对参照平面凹陷的形状，因此为了精确计算相位差的正与负，必须使用数字菲涅耳衍射变换对干涉条纹进行数学计算，再通过菲涅耳变换域的带通滤波，得到正确的带有符号的相位差。最后，相位差变化2pi(即360°)表示与参照平面产生了一个光波长的距离差(光程差)，这就是干涉测量，利用干涉测量方法，当相位差变化超过2pi时则需要使用相位连接方法，这样就能够实现不透明物体表面形状或者透明物体形状的三维重建。由于可见光的波长单位为纳米，因此，数字全息三维测量能够实现纳米级超精密三维测量。

被记录下来的干涉条纹的质量直接决定测量结果的误差以及信噪比。在实际当中，一方面，由玻璃、云母或水晶制成的光学器件，其表面极易产生多次反射，这些反射光线会在数字相机传感器上产生干涉条纹，并作为噪声，与反映物体形变的物体光干涉条纹一同被记录下来，对测量造成极大不利影响。另一方面，数字全息测量中有一种叫做相移数字全息测量法，它通过改变参照光光程(3次，每次1/4光程，也即0.5pi相位值)，记录四幅不同参照光光程的干涉条纹图像，再利用相移法直接计算出带有符号的正确的参照光与物体光的相位差，并代入数字菲涅耳衍射变换，而无需在变换后再经过带通滤波处理，避免了干涉信息的丢失，极大提高了测量精度。