[发明专利]基于同步载频移相的干涉显微检测装置与检测方法

权利要求书

1.一种基于同步载频移相的干涉显微检测装置，它包括光源(1)，其特征在于：它还包括线偏振片(2)、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(10)、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)、偏振片组(17)、图像传感器(18)和计算机(19)，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偏振片组(17)，该偏振片组(17)的出射光束由图像传感器(18)的光接收面接收，图像传感器(18)的信号输出端连接计算机(19)的图像信号输入端；

以第一傅里叶透镜(14)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(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f-Δf处并且位于第二傅里叶透镜(16)的前焦f+Δf处，其中Δf为一维周期光栅(15)的离焦量，Δf大于0并且小于f；

图像传感器(18)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(13)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所述的基于同步载频移相的干涉显微检测装置，其特征在于：一维周期光栅(15)为二值一维周期光栅、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或2所述的基于同步载频移相的干涉显微检测装置，其特征在于：偏振片组(17)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3所述的基于同步载频移相的干涉显微检测装置，其特征在于：λ/4波片(12)快轴与x轴呈45°。

5.根据权利要求1或4所述的基于同步载频移相的干涉显微检测装置，其特征在于：线偏振片(2)的透光轴与x轴呈45°。

6.一种基于权利要求1所述基于同步载频移相的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)和偏振片组(17)，

偏振片组(17)出射的偏振光束在图像传感器(18)平面上产生干涉图样，将计算机(19)采集获得的干涉图样根据矩形窗口(13)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为低通滤波的传递函数，R_E为根据一维周期光栅(12)的离焦量Δf，得到的数字参考波R_E(x，y)：

R_E(x，y)＝exp(-i2πxΔf/f/d)，

I₁为由偏振片组(14)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。