[发明专利]基于同步载频移相的共光路干涉检测装置与方法

权利要求书

1.基于同步载频移相的共光路干涉检测装置，它包括光源（1），其特征在于：它还包括偏振片（2）、准直扩束系统（3）、两个λ/4波片（4）、待测物体（5）、矩形窗口（6）、第一透镜（7）、一维周期光栅（8）、第二透镜（9）、偏振片组（10）、图像传感器（11）和计算机（12），其中λ为光源（1）发射光束的光波长，

光源（1）发射的光束经偏振片（2）入射至准直扩束系统（3）的光接收面，经该准直扩束系统（3）准直扩束后的出射光束经过两个λ/4波片（4）、待测物体（5）及矩形窗口（6）后入射至第一透镜（7），经第一透镜（7）汇聚后的出射光束通过一维周期光栅（8）后入射至第二透镜（9），经第二透镜（9）透射后的衍射光束入射至偏振片组（10），该偏振片组（10）的出射光束由图像传感器（11）的光接收面接收，图像传感器（11）的图像信号输出端连接计算机（12）的图像信号输入端；

以光轴的方向为z轴方向建立xyz三维直角坐标轴，所述矩形窗口（6）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；

两个λ/4波片（4）均与矩形窗口（6）平行设置，所述两个λ/4波片（4）沿x轴方向并行等间距排布在同一平面内；

第一透镜（7）和第二透镜（9）的焦距都为f；

矩形窗口（6）位于第一透镜（7）的前焦面上；一维周期光栅（8）位于第一透镜（7）的后焦f-Δf处并且位于第二透镜（9）的前焦f+Δf处，其中Δf为离焦量，Δf大于0并且小于f；

图像传感器（11）位于第二透镜（9）的后焦面上；

一维周期光栅（8）的周期d与矩形窗口（6）沿x轴方向的宽度D之间满足关系：d=2λf/D。

2.根据权利要求1所述基于同步载频移相的共光路干涉检测装置，其特征在于，一维周期光栅（8）为二值一维周期光栅、正弦一维周期光栅或余弦一维周期光栅。

3.根据权利要求1所述基于同步载频移相的共光路干涉检测装置，其特征在于，偏振片组（10）由两片偏振片组成，该两片偏振片形成1×2阵列，该两片偏振片的透光轴与x轴分别呈0°和45°。

4.根据权利要求1所述基于同步载频移相的共光路干涉检测装置，其特征在于，两个λ/4波片（4）中一个λ/4波片（4）快轴沿x轴方向放置，另一个λ/4波片（4）快轴沿y轴方向放置。

5.根据权利要求1所述基于同步载频移相的共光路干涉检测装置，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1所述基于同步载频移相的共光路干涉检测装置，其特征在于，待测物体（5）放置在矩形窗口（6）内、矩形窗口（6）的光束入射侧或矩形窗口（6）的光束出射侧，待测物体（5）沿x轴方向的长度小于或等于D/2，待测物体（5）位于其中一个λ/4波片（4）的正后方。

7.基于权利要求1所述基于同步载频移相的共光路干涉检测装置的检测方法，其特征在于：它的实现过程如下：

打开光源（1），使光源（1）发射的光束经偏振片（2）和准直扩束系统（3）准直扩束后形成平行偏振光束，该平行偏振光束通过两个λ/4波片（4）、待测物体（5）和矩形窗口（6）后，再依次经过第一透镜（7）、一维周期光栅（8）和第二透镜（9）产生0级和±1级衍射光束，该衍射光束通过偏振片组（10）滤波后，在图像传感器（11）平面上产生干涉，将计算机（12）采集获得的干涉图样根据矩形窗口（6）的小窗口的尺寸分割获得两幅干涉图样，通过计算得到待测物体（5）的相位分布

其中，O'为待测物体的复振幅分布，Im()表示取虚部，Re()表示取实部，

O'=FT^-1{FT{(I₁-I₂)·R_E}·H_W}，

其中，FT表示傅里叶变换，FT^-1表示逆傅里叶变换，H_W为低通滤波器的传递函数，R_E为根据一维周期光栅（8）的离焦量Δf得到的数字参考波函数R_E(x,y)：

R_E(x,y)=exp(-i2πxΔf/f/d)，

I₁为由偏振片组（10）中一片偏振片滤波得到的干涉图强度分布，该偏振片的透光轴与x轴呈0°，I₂为由偏振片组（10）中另一片偏振片滤波得到的干涉图强度分布，该另一片偏振片的透光轴与x轴呈45°，

I₁(x,y)=|R|²+|O|²+R^*O+RO^*，

I₂(x,y)=|R|²+|O|²+exp(-iα)R^*O+exp(iα)RO^*，

其中，R表示参考光，R^*表示R的复共轭，O表示物光，O^*表示O的复共轭，α＝π/2为载波相移量。