[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

说明书

技术领域

本发明涉及基于同步载频移相的共光路干涉检测装置与方法，属于光学领域。

背景技术

载频干涉利用具有一定夹角的物光和参考光发生干涉，可从形成的单幅载频干涉图获得待测物体的位相信息，从而适合用于运动物体或动态过程的实时测量，但是该方法为了能够从单幅干涉图样中再现物光的复振幅分布，需要倾斜物光和参考光以获得足够大夹角使干涉图样的零频分量、实像和共轭像在频谱面上分离，进而不能充分利用图像传感器的横向分辨率或空间带宽积。

墨西哥学者C.Meneses-Fabian等提出利用4f共焦系统和一维光栅相结合实现载频调制方法C.Meneses-Fabian,G.Rodriguez-Zurita.Carrier fringes in the two-aperture common-path interferometer.Optics Letters,2011,36(5):642-644。该方法将一维光栅置于4f共焦系统频谱面离焦处，通过引入离焦量获得载频干涉图，该方法不需倾斜物光和参考光，调整方便，成本低，同时因为采用共光路结构，抗干扰能力强，但是该方法仍不能充分利用图像传感器的横向分辨率或空间带宽积。

西安光机所的姚保利等提出利用平行双光栅的同步载频移相干涉方法P.Gao,B.L.Yao,I.Harder,J.Min,R.Guo,J.Zheng,T.Ye.Parallel two-step phase-shifting digital holograph microscopy based on a grating pair.J.Opt.Soc.Am.A 2011,28(3):434-440。该方法通过调整平行双光栅间距调制载频，并结合偏振调制通过一次曝光获得两幅相移载频干涉图。该方法通过将两幅相移干涉图样相减来消除零频分量，从而降低了对干涉图样中载频量的要求，同时提高了对CCD的空间分辨率和空间带宽积的利用率，但是该方法光利用率低，数据处理复杂，并需通过测量条纹确定载频量。

发明内容

本发明目的是针对上述现有技术的不足之处，将离焦光栅分光技术和偏振调制技术相结合，提供了一种基于同步载频移相的共光路干涉检测装置与方法。

本发明所述基于同步载频移相的共光路干涉检测装置，它包括光源、偏振片、准直扩束系统、两个λ/4波片、待测物体、矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅、第二透镜、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，

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经过两个λ/4波片、待测物体及矩形窗口后入射至第一透镜，经第一透镜汇聚后的出射光束通过一维周期光栅后入射至第二透镜，经第二透镜透射后的衍射光束入射至偏振片组，该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波片均与矩形窗口平行设置，所述两个λ/4波片沿x轴方向并行等间距排布在同一平面内；

第一透镜和第二透镜的焦距都为f；

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

图像传感器位于第二透镜的后焦面上；

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

基于上述基于同步载频移相的共光路干涉检测装置的检测方法，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准直扩束系统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、待测物体和矩形窗口后，再依次经过第一透镜、一维周期光栅和第二透镜产生0级和±1级衍射光束，该衍射光束通过偏振片组滤波后，在图像传感器平面上产生干涉，将计算机采集获得的干涉图样根据矩形窗口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}，