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专利名称：一种空间相移器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种光学仪器，具体涉及一种空间相移器。
背景技术：
电子散斑干涉技术(ESPI)是以激光散斑作为被测物场变化信息的载体，利用被测物体在受激光照射后产生干涉散斑场的相关条纹来检测双光束波前后之间的相位变化。一束激光被透镜扩展并投射到被检测物体的表面上，反射光与从激光器直接投射到摄像机的参考光光束发生干涉，在被照射的表面产生散斑场及一系列散斑图像。当物体运动时，这些散斑会随之发生变化，这些变化表征出被测物体表面的位移场变化或形变信息。使用CCD (电荷耦合器件)摄像机得到视频信号，由计算机软件处理分析后在监视器上显示出表征物场变化的散斑干涉条纹图，通过数值计算将这些条纹解析为人们所熟知的物理量。传统的干涉测量方法是直接判读一幅干涉图中的条纹序号N(x，y)由此获得被测波面的相位信息fK灰>1 = 2威(Xjh由于干涉的各种噪音、探测和判读的灵敏度及其不一致性等因素的影响，所得被测波面的面形并不理想。I960年Carr6提出相移的思想，Bruning等人实现了相移技术。相移技术能较准确的求得相位信息，得到被测波面的理想面形，因而得到了迅速的发展。相移的工作原理如下干涉光场中任一点的合成光强为I(x7y) = a{x,y) + h(xfy) 08[φ(χ}y)} χ = 0,1,…，X-I ；y = 0,1,…，Y-I (2-1)其中，(χ，y)-图像中的像素位置，I (x，y)-_干涉条纹强度，a(x, y) —背景光强，b (x，y)/a(x, y)-对比度或调制度，fi^y)-要提取的位相。—般来说，I (x, y)已知,但a(x, y)、b(x, y)和免( 均未知，所以至少需要三幅
干涉图才能确定丨炉(1，>')。于是将式(2-1)变成如下
/(x,j) = (B(jr,.y) + l<i,_y)cos[f(u)—Δβ( )](2— 2)Δ a (k)是引入的两支干涉光路中的可变位相，k = 0，1，…，K_l。当k = 3时,就是四步相移,取等步长0/2) Δ α 0 = O, Aa1= Ji /2, Aa2 =Ji，Δ a 3 = 3 /2将这些量代入(2-2)式,联立求解可得
,、,\IMy)
= arctg -f-—^r _/,《W卜 J3(^v) _相移的方法通常分为时间相移[k = K(时间)]和空间相移[k = K(空间)]两种，其中，时间相移是通过在时间时序中采集几幅图来计算相位；空间相移是在同一时刻采集一幅图，该图中包含不同的空间相位信息，用一幅图就可计算相位。实现空间相移的关键环节是空间分光和空间相移，现有的空间相移技术是基于光栅分光和偏振干涉的单CCD成像空间相移系统，其中光栅的作用在于分光，这些分光束经过设在光栅背面的偏振片组进行相移，从而得到几束已知相位差的光，并由CCD记录干涉图像，再通过计算机处理得出被测相位，从而反映被测物体的变形情况。但是上述的现有空间相移技术存在以下的不足I、包含的光学元件多，结构复杂。2、由光栅分出的光的强度不均匀，易造成测量误差。3、偏振片之间的缝隙会漏光，影响检测结果。

实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单且测量精度高的空间相移器。本实用新型实现上述目的的技术方案为一种空间相移器，包括基板以及设在基板上的多个相移单元，每个相移单元包括η个厚度不等的相移台阶，所述η为大于等于3的自然数；将所述η个相移台阶按厚度从大到小排列，相邻两相移台阶的高度差为λ/n，其中λ为光波波长；所述每个相移单元中不同厚度的相移台阶之间的位置关系均相同；所述每个相移单元与CCD镜头光板上的一个像素相对应。本实用新型所述的空间相移器，其中，所述η优选3、4或5。即优选采用常用的三步相移、四步相移和五步相移来实现相位变化。本实用新型的空间相移器的一个具体方案，其中，所述的η为3，这3个相移台阶按厚度从大到小排列分别为第一相移台阶、第二相移台阶和第三相移台阶，相邻两相移台阶的高度差为λ/3。特别地，所述3个相移台阶的位置关系是第一相移台阶、第二相移台阶和第三相移台阶在纵向依次排列；这3个相移台阶的位置关系也可是第一相移台阶、第三相移台阶和第二相移台阶在纵向依次排列。本实用新型的空间相移器的另一个具体方案，其中，所述的η为4，这4个相移台阶按厚度从大到小排列分别为第一相移台阶、第二相移台阶、第三相移台阶和第四相移台阶，相邻两相移台阶的高度差为λ/4。特别地，所述4个相移台阶的位置关系是这4个相移台阶分为前后两行，每行2个,前行从左至右分别是第一相移台阶和第二相移台阶,后行从左至右分别为第三相移台阶和第四相移台阶；这4个相移台阶的位置关系也可是这4个相移台阶分为前后两行，每行2个，前行从左至右分别是第一相移台阶和第三相移台阶，后行从左至右分别为第二相移台阶和第四相移台阶。本实用新型的空间相移器的再一个具体方案，其中，所述的η为5，这5个相移台阶按厚度从大到小排列分别为第一相移台阶、第二相移台阶、第三相移台阶、第四相移台阶和第五相移台阶，相邻两相移台阶的高度差为λ/5。特别地，所述5个相移台阶的位置关系是这5个相移台阶分为左右两列，左列3个，右列2个，左列从前到后依次为第一相移台阶、第四相移台阶和第五相移台阶，右列从前到后依次为第二相移台阶和第三相移台阶；这5个相移台阶的位置关系也可是这5个相移台阶分为左右两列，左列3个，右列2个，左列从前到后依次为第五相移台阶、第四相移台阶和第一相移台阶，右列从前到后依次为第三相移台阶和第二相移台阶。本实用新型所述的空间相移器的一个优选方案，其中，所述的基板由石英玻璃形成。本实用新型的空间相移器的一个优选方案，其中，所述的第一相移台阶的厚度等于基板的厚度，该基板的厚度为光波波长的整数倍。理论上第一相移台阶的厚度最小可以为一个波长，但是由于光波波长较小，为了制作方便，第一相移台阶的厚度一般为光波波长的3000 3500倍。本实用新型的空间相移器的工作原理是在每一个相移单元中，按厚度从大到小排列的相邻两相移台阶之间的厚度差为λ/n，相应地可算得两者的相位差(即相移量)为2π/η(光波在一个波长内的相位变化为O 2 π，因此通过两相移台阶后的光的相位差等于两者的厚度差与波长的比值再乘以2 π),当所述的η为大于等于3的自然数时，一个相移单元中便可获得至少3幅相位差已知的干涉图纹，根据背景技术中的描述可知，只要获得三幅以上已知相位差的干涉图纹，便可算得相应的像素位置的相位。由于每一个相移单元与CCD镜头上的光板的一个像素对应，因此光板上的一个像素记录一个相移单元的干涉图纹，对应可算得被测物体上一个相应像·素位置的相位；将多个与相移单元对应的待测面的相位组合在一起便可得到整个待测面的完整相位，从而可算得待测面的变形量。本实用新型与现有技术相比具有以下的有益效果I、本实用新型的空间相移器通过由厚度不同的相移台阶组成的相移单元实现分光和相移，所有的相移单元集成在一个基板上形成一个光学元件，结构简单，体积小，便于安装到干涉仪上，减少仪器体积和重量；而现有技术采用光栅进行分光，再采用偏振片进行相移，使用的光学兀件多，结构复杂。2、由于各个相移单元结构完全相同，因此各个相移单元分出的分光束的强度均匀，从而有利于提高检测的精度；而现有技术中采用光栅分光所分出来的分光束强度不均匀，造成测量精度低。3、由于所有的相移单元集成在一个基板上，相移单元之间没有间隙，因此不会像现有技术那样因偏振片漏光而影响检测结果。4、本实用新型的一个相移单元分别与CXD光板的一个像素以及被测表面的一个像素位置对应，每一个相移单元可测得一个像素位置的相位，使得待测面上的每一个像素位置均能测出相位，测量精度大大提高。5、本实用新型的空间相移器只需在基板上采用光刻蚀的方法刻蚀出相移单元即可制得，生产工艺简单，生产成本低。

图I 图4为本实用新型的空间相移器的实施例I的结构示意图，其中，图I为主视图，图2为左视图，图3为俯视图，图4为立体图。图5为图I所示的空间相移器与CXD摄像机光板的结构示意图。图6和图7为图I所示的空间相移器的制作过程示意图。图8本实用新型的空间相移器的实施例2的结构示意图。图9本实用新型的空间相移器的实施例3的结构示意图。图10本实用新型的空间相移器的实施例4的结构示意图。[0038]图11本实用新型的空间相移器的实施例5的结构示意图。图12本实用新型的空间相移器的实施例6的结构示意图。
具体实施方式
实施例I参见图I 图4，本实施例的空间相移器包括基板I以及设在基板I上的多个相移单元，其中，基板I由石英玻璃制成；每个相移单元包括4个厚度不等的相移台阶2，将这4个相移台阶2按厚度从大到小排列分别为第一相移台阶2-1、第二相移台阶2-2、第三相移台阶2-3和第四相移台阶2-4，相邻两相移台阶2的高度差为λ/4，其中λ为激光器打出的激光的波长，该波长为640纳米，亦即所述相邻两相移台阶2的高度差为160纳米；相邻两相移台阶2的相位差为1/2 π，亦即以第一相移台阶2-1为基准，第二相移台阶2-2、第三相移台阶2-3和第四相移台阶2-4的相位差分别是π /2、π和3 π /2 ;基板I的厚度为所述波长λ的3000倍，即I. 92毫米。所述每个相移单元中不同厚度的相移台阶2之间的位置关系均相同，具体为在每一个相移单元中，所述4个相移台阶2均分为前后两行，每行包含两个相移台阶2，前行从左至右分别是第一相移台阶2-1和第二相移台阶2-2，后行从左至右分别为第三相移台阶2-3和第四相移台阶2-4 ;所述多个相移单元相互连接集成在基板I上。参见图5，本实用新型的空间相移器应用到干涉仪中时，所述每个相移单元分别与CXD镜头上的光板3的一个像素3-1对应，例如，如果CXD的像素3-1的尺寸为10 X 10微米，那么每个相移单元的大小也为10 X 10微米；如果CXD的像素3-1的尺寸为5. 2X5. 2微米，每个相移单元的大小也为5. 2X5. 2微米，因此相移单元的尺寸大小可根据所使用的CCD镜头的光板3的像素3-1的大小来确定。参见图6和图7，本实施例的空间相移器可通过以下方法制得参见图6，先在基板
I上与第一相移台阶2-1和第四相移台阶2-4对应处纵向隔行刻蚀160纳米的纵向槽1-1，形成第二相移台阶2-2 (基板I的表面形成第一相移台阶2-1);然后在与第三相移台阶2-3和第四相移台阶2-4对应处横向刻蚀320纳米的横向槽1-2，形成第三相移台阶2-3和第四相移台阶2-4(其中，第三相移台阶2-3是在基板I表面刻蚀320纳米形成，第四相移台阶2-4是在纵向槽1-1的底部刻蚀320纳米形成)(参见图7)。实施例2参见图8，本实施例中与实施例I的不同在于本实施例的空间相移器对应的光波的波长为532纳米，因此所述相邻两相移台阶2的高度差为133纳米；本实施例中，每个相移单元2中不同厚度的相移台阶2之间的位置关系为所述4个相移台阶2亦分为前后两行，每行包含两个相移台阶2，前行从左至右分别是第一相移台阶2-1和第三相移台阶2-3，后行从左至右分别为第二相移台阶2-2和第四相移台阶2-4 ;本实施例的空间相移器的制作方法为先横向隔行刻蚀133纳米，然后再纵向隔行刻蚀266纳米。本实施例上述以外的其他实施方式与实施例I相同。实施例3参见图9，本实施例中，每个相移单元包括3个厚度不等的相移台阶2，将这3个相移台阶2按厚度从大到小排列分别为第一相移台阶2-1、第二相移台阶2-2和第三相移台阶2-3，相邻两相移台阶2的高度差为λ /3 ;相邻两相移台阶2的相位差为2 π /3，亦即以第一相移台阶2_1为基准，第二相移台阶2_2和第二相移台阶2_3的相位差分别是2 π /3和4π/3。每个相移单元2中不同厚度的相移台阶2之间的位置关系为第一相移台阶2-1、第二相移台阶2-2和第三相移台阶2-3在纵向从前到后依次排列。本实施例上述以外的其他实施方式可参照实施例I来进行。实施例4参见图10，本实施例与实施例3的不同之处在于，每个相移单元2中不同厚度的相移台阶2之间的位置关系为第一相移台阶2-1、第三相移台阶2-3和第二相移台阶2-2在纵向从前到后依次排列。本实施例上述以外的其他实施方式与实施例3相同。实施例5参见图11，本实施例中，每个相移单元包括5个厚度不等的相移台阶2，将这5个相移台阶2按厚度从大到小排列分别为第一相移台阶2-1、第二相移台阶2-2、第三相移台阶2-3、第四相移台阶2-4和第五相移台阶2-5，相邻两相移台阶2的高度差为λ /5 ;相邻两相移台阶2的相位差为2/5 π，亦即以第一相移台阶2-1为基准，第二相移台阶2-2、第三相移台阶2-3、第四相移台阶2-4和第五相移台阶2-5的相位差分别是2 π /5、4 π /5、6 π /5和8 π /5。每个相移单元2中不同厚度的相移台阶2之间的位置关系为所述5个相移台阶2分为左右两列，左列具有3个相移台阶2，右列具有2个相移台阶2，左列从前到后依次为第一相移台阶2-1、第四相移台阶2-4和第五相移台阶2-5，右列从前到后依次为第二相移台阶2_2和第二相移台阶2_3。本实施例上述以外的其他实施方式可参照实施例I来进行。实施例6参见图12，本实施例与实施例5的不同之处在于，每个相移单元2中不同厚度的相移台阶2之间的位置关系为所述5个相移台阶2分为左右两列，左列具有3个相移台阶2，右列具有2个相移台阶2，左列从前到后依次为第五相移台阶2-5、第四相移台阶2-4和第一相移台阶2-1，右列从前到后依次为第三相移台阶2-3和第二相移台阶2-2。本实施例上述以外的其他实施方式与实施例5相同。上述为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种空间相移器，其特征在于，包括基板以及设在基板上的多个相移单元，每个相移单元包括η个厚度不等的相移台阶，所述η为大于等于3的自然数；将所述η个相移台阶按厚度从大到小排列，相邻两相移台阶的高度差为λ/n，其中λ为光波波长；所述每个相移单元中不同厚度的相移台阶之间的位置关系均相同；所述每个相移单元与CCD镜头光板上的一个像素相对应。
2.根据权利要求I所述的空间相移器，其特征在于，所述η为3、4或5。
3.根据权利要求2所述的空间相移器，其特征在于，所述的η为3，这3个相移台阶按厚度从大到小排列分别为第一相移台阶、第二相移台阶和第三相移台阶，相邻两相移台阶的高度差为λ/3。
4.根据权利要求3所述的空间相移器，其特征在于，所述3个相移台阶的位置关系是第一相移台阶、第二相移台阶和第三相移台阶在纵向依次排列； 或者是第一相移台阶、第三相移台阶和第二相移台阶在纵向依次排列。
5.根据权利要求2所述的空间相移器，其特征在于，所述的η为4，这4个相移台阶按厚度从大到小排列分别为第一相移台阶、第二相移台阶、第三相移台阶和第四相移台阶，相邻两相移台阶的高度差为λ/4。
6.根据权利要求5所述的空间相移器，其特征在于，所述4个相移台阶的位置关系是这4个相移台阶分为前后两行，每行2个，前行从左至右分别是第一相移台阶和第二相移台阶，后行从左至右分别为第三相移台阶和第四相移台阶； 或者是这4个相移台阶分为前后两行,每行2个,前行从左至右分别是第一相移台阶和第三相移台阶，后行从左至右分别为第二相移台阶和第四相移台阶。
7.根据权利要求2所述的空间相移器，特征在于，所述的η为5，这5个相移台阶按厚度从大到小排列分别为第一相移台阶、第二相移台阶、第三相移台阶、第四相移台阶和第五相移台阶，相邻两相移台阶的高度差为λ/5。
8.根据权利要求7所述的空间相移器，其特征在于，所述5个相移台阶的位置关系是这5个相移台阶分为左右两列，左列3个，右列2个，左列从前到后依次为第一相移台阶、第四相移台阶和第五相移台阶，右列从前到后依次为第二相移台阶和第三相移台阶； 或者是这5个相移台阶分为左右两列，左列3个，右列2个，左列从前到后依次为第五相移台阶、第四相移台阶和第一相移台阶，右列从前到后依次为第三相移台阶和第二相移台阶。
9.根据权利要求I所述的空间相移器，其特征在于，所述的基板由石英玻璃制成。
10.根据权利要求I所述的空间相移器，其特征在于，所述的第一相移台阶的厚度等于基板的厚度，该基板的厚度为光波波长的整数倍。
专利摘要本实用新型公开了一种空间相移器，包括基板以及设在基板上的多个相移单元，每个相移单元包括n个厚度不等的相移台阶，所述n为大于等于3的自然数；将所述n个相移台阶按厚度从大到小排列，相邻两相移台阶的高度差为λ/n，其中λ为光波波长；所述每个相移单元中不同厚度的相移台阶之间的位置关系均相同；所述每个相移单元与CCD镜头光板上的一个像素相对应。本实用新型的空间相移器具有结构简单、测量精度高、生产成本低的优点。
文档编号G01B11/16GK202770398SQ201220433010
公开日2013年3月6日 申请日期2012年8月28日 优先权日2012年8月28日
发明者曾启林, 黄嘉兴 申请人:广州华工百川科技股份有限公司