[发明专利]基于正交双光栅的同步移相干涉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检测装置及检测方法，属于光学移相干涉检测领域。

背景技术

光学移相干涉测量是一种非接触、高精度的全场测量方法，被广泛的应用于光学表面、形变及厚度等测量领域，但传统的移相技术由于需要在不同时间采集多幅移相干涉图，不适合测量运动物体或动态过程。同步移相可在同一时间得到多幅相移干涉图，克服了传统移相干涉技术的缺点，可实现运动物体或动态过程的实时测量，近年来受到国内外学者的广泛关注。

墨西哥学者G.Rodriguez-Zurita等提出利用一维光栅和偏振调制方法相结合实现同步相移的方法(G.Rodriguez-Zurita，C.Meneses-Fabian，N.I.Toto-Arellano，J.F.Vázquez-Castillo，C.Robledo-Sánchez.One-shot phase-shifting phase-grating interferometry with modulation of polarization：case of four interferograms.Opt.Express，2008，16(11)：7806-7817)。该方法利用光栅产生的0、±1和±2衍射光，结合了偏振调制通过一次曝光获得的四幅相移干涉图。该方法调整方便，成本低，且可实现实时测量，但是该方法因为利用多级衍射光到达CCD干涉，造成CCD的有效面积利用率低，同时因为衍射级次光强的不同，使得四幅干涉图对比度不同，增加了数据处理的复杂性并影响测量精度。

南京理工大学陈磊等提出基于二维光栅分光和偏振调制方法相结合实现同步相移的方法(左芬，陈磊，徐春生.基于二维光栅分光的同步移相干涉测量技术.光学学报，2007，27(4)：663-667)。该方法在迈克耳逊偏振移相干涉仪的基础上，利用一个正交的二维光栅产生对称的衍射光，并选取(±1，±1)级衍射光作为测量分光路，结合偏振调制通过一次曝光获得四幅相移干涉图。该方法实现了实时测量，但是它对光能和图像传感器CCD有效面积的利用率低，同时受(0，0)、(0，±1)和(±1，0)等衍射级次光影响大。

发明内容

本发明是为了解决现有同步相移方法对光能和CCD有效面积的利用率低的问题，提供一种基于正交双光栅的同步移相干涉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检测装置，它包括光源，它还包括偏振片、准直扩束系统、第一偏振分光棱镜、待测物体、第一反射镜、第二反射镜、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；

光源发射的光束经偏振片入射至准直扩束系统的光接收面，经该准直扩束系统准直扩束后的出射光束入射至第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜的反射光束经待测物体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，图像传感器的图像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。

一维周期幅度光栅为二值一维周期幅度光栅、正弦一维周期幅度光栅或余弦一维周期幅度光栅。