[发明专利]基于正交双光栅的同步移相共光路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共光路干涉显微检测装置及检测方法，属于光学干涉检测技术领域。

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，具有分辨率高、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；因为采用分离光路干涉，即物光和参考光通过不同路径进行干涉，易受外界振动、温度起伏等影响，降低了实验的可重复性。

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，而且振动等干扰会给不同时刻采集的干涉图样引入相位误差，同时因为要在不同时间分别完成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分光棱镜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，J.W.Min，R.L.Guo，J.J.Zheng，T.Ye.Parallel two-step phase-shifting microscopic interferometry based on a cube beamsplitter.Optics Communications.2011，284：4136-4140)。该方法利用分光棱镜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。该方法结构简单，光能利用率高，但该方法一次曝光只能获得两幅干涉图样，同时因为正交偏振的物光和参考光在分光棱镜中间反射层反射时，物光或参考光中的一个会发生半波损失，且透射光与反射光强度不同，进而会在两幅干涉图中引入附加相位差，使两幅干涉图样对比度不同，进而增加数据处理的复杂性并影响测量精度。

发明内容

本发明是为了解决现有同步相移干涉显微检测方法中，对检测数据进行处理的过程复杂并且测量精度低的问题，提供一种基于正交双光栅的同步移相共光路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共光路干涉显微检测装置，它包括光源，它还包括线偏振片、准直扩束系统、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一λ/4波片、校正物镜、显微物镜、待测物体、第二λ/4波片、第三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准直扩束系统的光接收面，经准直扩束系统准直扩束后的出射光束入射至第一分光棱镜，第一分光棱镜的反射光束作为参考光束经第二λ/4波片入射至矩形窗口；

第一分光棱镜的透射光束再经第二分光棱镜透射后入射至第一λ/4波片，第一λ/4波片的出射光束经由校正物镜和显微物镜入射至待测物体，被待测物体反射的光束再经显微物镜、校正物镜和第一λ/4波片入射至第二分光棱镜，经第二分光棱镜的反射光束作为物光束经第三λ/4波片入射至矩形窗口；

并排汇合于矩形窗口的物光束和参考光束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；

第二λ/4波片和第三λ/4波片与矩形窗口平行设置、且位于同一个平面内，第二λ/4波片和第三λ/4波片沿x轴方向并行等间距排布；

第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜的焦距均为f；