专利名称：分光同步移相干涉显微检测装置及检测方法
技术领域：
本发明涉及分光同步移相干涉显微检测装置及检测方法，属于光学干涉检测领域。
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。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，而且因为在不同时间上分别完成记录多幅干涉图样，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. ff. Min, R. L. Guo, J. J. Zheng, T. Ye. Paralleltwo-step phase-shifting microscopic interferometry based on a cubebeamsplitter. 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，物光或参考光其中一个会发生半波损失，且透射光与反射光强度不同，进而在两幅干涉图中引入附加相位差，并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
本发明目的是为了解决现有光学相移干涉检测方法操作复杂困难、测量精度低的问题，提供了一种分光同步移相干涉显微检测装置及检测方法。本发明所述分光同步移相干涉显微检测装置，它包括光源，它还包括偏振片、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、一维周期光栅、第二傅里叶透镜、消偏振分光棱镜、四象限偏振片组、图像传感器和计算机，其中入为光源发射光束的光波长，光源发射的光束经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一维周期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消偏振分光棱镜和四象限偏振片组，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；一维周期光栅的周期d与矩形窗口沿X轴方向的长度D之间满足关系d=2Af/D。消偏振分光棱镜按照其分光面与X轴和ζ轴构成的平面平行的方式放置，入射光从与其分光面成45°或-45°角的斜面入射。一维周期光栅为二值一维周期光栅或正弦一维周期光栅或余弦一维周期光栅。四象限偏振片组为偏振方向依次逆时针旋转45°角的四片偏振片组成的2X2阵列，该四片偏振片沿逆时针方向排布。基于所述分光同步移相干涉显微检测装置的干涉检测方法，它的实现过程如下打开光源，使光源发射的光束经偏振片和第一偏振分光棱镜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汇合后，依次通过λ/4波片、矩形窗口、第一傅里叶透镜、一维周期光栅、第二傅里叶透镜、消偏振分光棱镜和四象限偏振片组，四象限偏振片组出射的偏振光束在图像传感器平面上产生干涉图样，计算机将采集获得的干涉图样依据矩形窗口的小窗口的尺寸分割获得待测物体的四幅干涉图样，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，将第三幅干涉图样和第四幅干涉图样进行镜像翻转后，四幅干涉图样按顺序的强度分布顺次为I:、12、I3和I4，根据四幅干涉图样的强度分布计算获得待测物体的相位分
权利要求
1.一种分光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(IO )、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)、一维周期光栅(15)、第二傅里叶透镜(16)、消偏振分光棱镜(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(I)发射光束的光波长， 光源(I)发射的光束经偏振片(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一维周期光栅(15)后入射至第二傅里叶透镜(16)，经第二傅里叶透镜(16)透射后的出射光束入射至消偏振分光棱镜(17)和四象限偏振片组(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ζ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(16)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；一维周期光栅(15)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(16)的前焦面上； 图像传感器(19)位于第二傅里叶透镜(16)的后焦面上； 一维周期光栅(15)的周期d与矩形窗口(10)沿X轴方向的长度D之间满足关系d=2A f/Do
2.根据权利要求I所述的分光同步移相干涉显微检测装置，其特征在于 消偏振分光棱镜(17)按照其分光面与X轴和ζ轴构成的平面平行的方式放置，入射光从与其分光面成45°或-45°角的斜面入射。
3.根据权利要求I或2所述的分光同步移相干涉显微检测装置，其特征在于一维周期光栅(15)为二值一维周期光栅或正弦一维周期光栅或余弦一维周期光栅。
4.根据权利要求I或2所述的分光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)为偏振方向依次逆时针旋转45°角的四片偏振片组成的2X2阵列，该四片偏振片沿逆时针方向排布。
5.根据权利要求I或2所述的分光同步移相干涉显微检测装置，其特征在于偏振片(2)的透光轴与X轴呈45°角。
6.根据权利要求I或2所述的分光同步移相干涉显微检测装置，其特征在于所述λ /4波片(12)快轴沿与X轴呈45°角的方向放置。
7.根据权利要求I或2所述的分光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 DX (D/2) =6. 33mmX3. 16mm 的窗口。
8.一种基于权利要求I所述分光同步移相干涉显微检测装置的干涉检测方法，其特征在于它的实现过程如下 打开光源(I)，使光源(I)发射的光束经偏振片(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)、一维周期光栅(15)、第二傅里叶透镜(16)、消偏振分光棱镜(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，将第三幅干涉图样和第四幅干涉图样进行镜像翻转后，四幅干涉图样按顺序的强度分布顺次为I:、12、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)的相位分布炉(χ,7):φ(χ, V) = arctan ~—。
全文摘要
分光同步移相干涉显微检测装置及检测方法，属于光学干涉检测领域，本发明为解决现有光学相移干涉检测方法操作复杂困难、测量精度低的问题。本发明方案光源发射的光束经偏振片和第一偏振分光棱镜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汇合后，依次通过λ/4波片、矩形窗口、第一傅里叶透镜、一维周期光栅、第二傅里叶透镜、消偏振分光棱镜和四象限偏振片组，四象限偏振片组出射的偏振光束在图像传感器平面上产生干涉图样，计算机将采集获得的干涉图样进行处理，并获取待测物体的相位分布。
文档编号G01B11/06GK102914257SQ20121037139
公开日2013年2月6日 申请日期2012年9月29日 优先权日2012年9月29日
发明者单明广, 钟志, 郝本功, 张雅彬, 窦峥, 刁鸣 申请人:哈尔滨工程大学
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