[发明专利]基于同步载频移相的共光路干涉显微检测装置与方法

权利要求书

1.基于同步载频移相的共光路干涉显微检测装置，它包括光源（1），其特征在于，它还包括线偏振片（2）、准直扩束系统（3）、第一分光棱镜（4）、第二分光棱镜（5）、第一λ/4波片（6）、校正物镜（7）、显微物镜（8）、待测物体（9）、第二λ/4波片（10）、第三λ/4波片（11）、矩形窗口（12）、第一傅里叶透镜（13）、一维周期光栅（14）、第二傅里叶透镜（15）、偏振片组（16）、图像传感器（17）和计算机（18），其中λ为光源（1）发射光束的光波长，

光源（1）发射的光束经线偏振片（2）后入射至准直扩束系统（3）的光接收面，经准直扩束系统（3）准直扩束后的出射光束入射至第一分光棱镜（4），第一分光棱镜（4）的反射光束作为参考光束经第二λ/4波片（10）入射至矩形窗口（12）；

第一分光棱镜（4）的透射光束经第二分光棱镜（5）透射后入射至第一λ/4波片（6），第一λ/4波片（6）的出射光束经由校正物镜（7）和显微物镜（8）入射至待测物体（9）并被反射，待测物体（9）的反射光束再经显微物镜（8）、校正物镜（7）和第一λ/4波片（6）入射至第二分光棱镜（5），第二分光棱镜（5）的反射光束作为物光束经第三λ/4波片（11）入射至矩形窗口（12）；

并排汇合于矩形窗口（12）的物光束和参考光束入射至第一傅里叶透镜（13），经第一傅里叶透镜（13）汇聚后的出射光束通过一维周期光栅（14）后入射至第二傅里叶透镜（15），经第二傅里叶透镜（15）透射后的出射光束入射至偏振片组（16），该偏振片组（16）的出射光束由图像传感器（17）的光接收面接收，图像传感器（17）的信号输出端连接计算机（18）的图像信号输入端；

以第一傅里叶透镜（13）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（12）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；

第二λ/4波片（10）和第三λ/4波片（11）与矩形窗口（12）平行设置、且第二λ/4波片（10）和第三λ/4波片（11）沿x轴方向并行等间距排布在同一平面内；

第一傅里叶透镜（13）和第二傅里叶透镜（15）的焦距均为f；

矩形窗口（12）位于第一傅里叶透镜（13）的前焦面上；一维周期光栅（14）位于第一傅里叶透镜（13）的后焦f-Δf处并且位于第二傅里叶透镜（15）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（17）位于第二傅里叶透镜（15）的后焦面上；

一维周期光栅（14）的周期d与矩形窗口（12）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显微检测装置，其特征在于，第一分光棱镜（4）和第二分光棱镜（5）均为非偏振分光棱镜，第二λ/4波片（10）和第三λ/4波片（11）的快轴方向相同。

3.根据权利要求1所述基于同步载频移相的共光路干涉显微检测装置，其特征在于，第一分光棱镜（4）和第二分光棱镜（5）均为偏振分光棱镜，第二λ/4波片（10）和第三λ/4波片（11）的快轴方向相互垂直。

4.根据权利要求1所述基于同步载频移相的共光路干涉显微检测装置，其特征在于，第二λ/4波片（10）的快轴沿与x轴呈45°角的方向放置，第三λ/4波片（11）的快轴沿与x轴呈-45°角的方向放置。

5.根据权利要求1至4任一权利要求所述基于同步载频移相的共光路干涉显微检测装置，其特征在于，一维周期光栅（14）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。

6.根据权利要求1所述基于同步载频移相的共光路干涉显微检测装置，其特征在于，偏振片组（16）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°。

7.根据权利要求1所述基于同步载频移相的共光路干涉显微检测装置，其特征在于，线偏振片（2）的透光轴与x轴呈45°角。

8.一种基于权利要求1所述基于同步载频移相的共光路干涉显微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）发射的光束经线偏振片（2）和准直扩束系统（3）的准直扩束后形成平行偏振光后，入射至第一分光棱镜（4），经第一分光棱镜（4）反射与透射后最终分别形成参考光束和物光束汇合至矩形窗口（12），并排汇合于矩形窗口（12）的参考光束和物光束再依次通过第一傅里叶透镜（13）、一维周期光栅（14）、第二傅里叶透镜（15）和偏振片组（16），偏振片组（16）出射的偏振光束在图像传感器（17）平面上产生干涉图样，

将计算机（18）将采集获得的干涉图样根据矩形窗口（12）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（9）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（14）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（16）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（14）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。