[发明专利]光栅分光式同步移相干涉测量装置及方法

权利要求书

1.光栅分光式同步移相干涉测量装置，其特征在于：包括激光器(1)、检偏器(2)、准直扩束镜(3)、1/2波片(4)、偏振分光棱镜(5)、参考反射镜(6)、第一透镜(7)、第一二维Ronchi光栅(8)、四象限移相器(9)、第一1/4波片(10)、待测物(11)、第二透镜(12)、第二二维Ronchi光栅(13)、第二1/4波片(14)、第三1/4波片(15)、收集透镜(16)、四象限探测器(17)和计算机(18)；

其中激光器(1)、检偏器(2)、准直扩束镜(3)和1/2波片(4)组成光源部分；偏振分光棱镜(5)、第一1/4波片(10)、四象限移相器(9)、第一二维Ronchi光栅(8)、第一透镜(7)和参考反射镜(6)组成参考光部分；第二1/4波片(14)、第二二维Ronchi光栅(13)、第二透镜(12)与待测物(11)组成测量光部分；光源部分、参考光部分与测量光部分一起构成泰曼格林干涉装置；

光学路径：激光器(1)发射的光束经检偏器(2)后依次通过准直扩束镜(3)、1/2波片(4)和偏振分光棱镜(5)，经偏振分光棱镜(5)分成测量光和参考光；测量光依次经过第二1/4波片(14)、第二二维Ronchi光栅(13)、第二透镜(12)和待测物(11)后，依次射向第二透镜(12)、第二二维Ronchi光栅(13)、第二1/4波片(14)和偏振分光棱镜(5)；参考光依次经过第一1/4波片(10)、第一二维Ronchi光栅(8)、第一透镜(7)和参考反射镜(6)后，依次射向参考反射镜(6)、第一透镜(7)、第一二维Ronchi光栅(8)、四象限移相器(9)、第一1/4波片(10)和偏振分光棱镜(5)，再次合并的参考光与测量光通过第三1/4波片(15)、收集透镜(16)、四象限探测器(17)组成的光强采集部分，采集的干涉光强信号输入计算机(18)。

2.根据权利要求1所述的光栅分光式同步移相干涉测量装置，其特征在于：所述第一二维Ronchi光栅(8)和第二二维Ronchi光栅(13)作为分光元件，其偶数级次衍射光为0；四象限移相器(9)为2×2阵列，逆时针相位分别为0°、90°、180°、270°。

3.根据权利要求2所述的光栅分光式同步移相干涉测量装置，其特征在于：所述四象限移相器(9)是在同一块石英玻璃上利用光刻技术制作形成。

4.光栅分光式同步移相干涉测量方法，其特征在于：具体步骤为：激光器(1)发出的光经过光源部分后变成偏振方向与光轴成45°的线偏振光，所述光源部分由激光器(1)、检偏器(2)、准直扩束镜(3)和1/2波片(4)组成，随后经过偏振分光棱镜(5)分成偏振方向相互垂直、光强相等的参考光与测量光；参考光经过第一1/4波片(10)变成左旋圆偏振光，通过第一二维Ronchi光栅(8)和第一透镜(7)分光形成四路等光强的子光束，为同步移相获取四路特性完全一致的子光束组，经由参考反射镜(6)垂直反射再次经过第一透镜(7)和第一二维Ronchi光栅(8)，根据衍射方程只有对称的四束子光平行出射，平行出射的四束参考光经过四象限移相器(9)，实现四束参考光的相位依次为0°、90°、180°、270°，再经过第一1/4波片(10)和偏振分光棱镜(5)；测量光通过第二1/4波片(14)变成右旋圆偏振光，右旋圆偏振光经历第二二维Ronchi光栅(13)与第二透镜(12)选取与参考光对应的四束测量光，再由待测物(11)反射回来，携带有被测面信息的对应的四束测量光再次经过第二透镜(12)和第二二维Ronchi光栅(13)后也变成平行光，第二次经过第二1/4波片(14)和偏振分光棱镜(5)与参考光汇合；汇合后的参考光与测量光即发生干涉，四路干涉信号含有不同的光强信息，经过收集透镜(16)，最后由四象限探测器(17)探测四束移相后的干涉光强值并输入计算机(18)。

5.根据权利要求4所述的光栅分光式同步移相干涉测量方法，其特征在于：

由公式一

I_i＝(a²+b²)×[1-sin(φ-θ_i)]i＝1,2,3,4 公式一

分别计算得到四路移相干涉光强关系式，式中，a、b分别为参考光与测量光幅值，(a²+b²)表示背景光强，φ为含有测量表面位移信息的相位值，θ_i为四象限移相器厚度引入的不同的相位值。

6.根据权利要求5所述的光栅分光式同步移相干涉测量方法，其特征在于：

利用四象限探测器瞬时采集四路子光束组的干涉光强值，利用计算机(18)处理以及移相算法对干涉信息进行处理；

由公式二

得到测量面的相对位移值△s，式中，λ为入射光波长，I_i表示一幅干涉图上对应点的光强值。