使用小孔衍射板的共光路点衍射同步移相干涉测试装置

技术领域

本发明涉及光干涉计量测试领域，特别是一种使用小孔衍射板的共光路点衍射同步移相干涉测试装置。

背景技术

点衍射干涉仪（Point Diffraction Interferometer，PDI）是Smartt在1972年提出的，其基本原理为带有被测信息的会聚波通过一个直径约为数个波长（小于艾里斑直径）的小孔之后，会发生衍射，形成一个近似标准的球面波，可作为干涉测试中的参考光，用来代替传统干涉仪中由标准球面镜产生的参考球面波。

移相干涉测量技术是指通过对干涉场的调制产生移相，再由所采集到的若干幅移相干涉图像利用一定算法，恢复待测物理量的一项测量技术。利用移相技术，可以通过干涉图之间简单的点对点计算来复原相位，不需要定位条纹中心，也不需要利用插值等算法拟合相位，因此移相干涉技术显著提高了干涉测量的精度和自动化程度。移相方式可以分为时域移相和空域移相。相对于时域移相，空域移相（即同步移相）的干涉测量技术可以很好的减轻环境振动和空气扰动对干涉测量的影响，提高测量的准确性和稳定性。

在先前的研究中，Robert M. Neal和James C. Wyant提出了一种基于偏振移相的点衍射干涉测量装置（Robert M. Neal and James C. Wyant, "Polarization phase-shifting point-diffraction interferometer," Appl. Opt. 45, 3463-3476 (2006)），该装置利用偏振方法来分开参考光和测试光，具有结构紧凑、易于装调的优点。该装置中对点衍射板进行了重新设计，可使参考光和测试光具有正交的偏振态，用线偏振器移相。不过该装置的偏振移相并不是同时产生的，特别是高速测量中会产生较大误差。

在先前的研究中，Natan T. Shaked提出了一种基于点衍射干涉仪的相位显微镜（Natan T. Shaked, "Quantitative phase microscopy of biological samples usinga portable interferometer," Opt. Lett. 37, 2016-2018 (2012)）。该方法的干涉结构是一个基于迈克尔逊干涉仪的4f系统，因此参考光与测试光相互分开。相对于共光路的干涉系统，该方法容易受到环境振动和空气扰动的影响，出现测量误差。

在先前的研究中，Wenhua Zhu等人提出了一种利用载频干涉的点衍射干涉测量装置（Wenhua Zhu, Lei Chen, Chenfeng Gu, Jun Wan, and Donghui Zheng, "Single-shot reflective shearing point diffraction interferometer for wavefrontmeasurements," Appl. Opt. 54, 6155-6161 (2015)），该装置利用一种特殊设计的小孔衍射板来获得标准球面波，作为参考光。并且该参考光与测试光之间存在一定角度，因此在CCD探测器上可以获得载频干涉条纹。通过对载频干涉条纹的处理，即可恢复被测面面型。但在该方法中，处理载频条纹的过程较复杂，运算量较大。

发明内容

本发明目的在于提供一种使用小孔衍射板的共光路点衍射同步移相干涉测试装置，通过小孔衍射产生的标准球面波代替传统干涉仪中由标准球面镜产生的标准球面波，具有更高的精度，共光路的设计减少了系统误差，且本发明不易受到外界环境影响，可实现高速动态测量。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种使用小孔衍射板的共光路点衍射同步移相干涉测试装置，包括沿光路依次设置的测试光路、小孔衍射光路、分光光路和移相光路，所述测试光路包括共光轴依次设置的激光器和扩束系统，被测样品沿光路设置在扩束系统后方，激光器出射的非偏振光，经扩束系统扩束准直后入射至被测样品，携带被测样品信息的信号光进入小孔衍射光路。

所述小孔衍射光路包括沿光路依次设置的双折射透镜、小孔衍射板、透镜和光栅，所述小孔衍射板的前表面上镀有宽角度偏振分光膜，后表面上镀有高反膜，且前表面上开有小孔，所述小孔位于经后表面反射的反射光线焦点处；携带被测样品信息的信号光通过双折射透镜后，沿光轴方向产生了相互分离的两束正交线偏振光，分别为o光和e光，并入射至小孔衍射板镀有宽角度偏振分光膜的前表面，其中o光反射，作为测试光；e光透射后被镀有高反膜的后表面反射至前表面上的小孔，经小孔衍射后产生标准球面波，作为参考光；测试光和参考光同时透射过透镜后变为平行光，入射至光栅后被合束，并进入分光光路；经分光光路后分为四束，进入移相光路。

所述移相光路包括共光轴依次设置的缩束系统、偏振阵列和探测器，四束合束的参考光和测试光经缩束系统缩束后，入射至偏振阵列，偏振阵列由四个通光轴方向分别为0°、45°、90°和135°的线偏振器呈“田”字型排列组成，分别产生0、π/2、π和3π/2的移相，之后被探测器接收，获得四幅移相干涉图像。

所述分光光路包括λ/4波片、第一分光棱镜组、第二分光棱镜组和第三分光棱镜组，第一分光棱镜组包括第一三角棱镜、第二三角棱镜和第三三角棱镜，第二三角棱镜和第三三角棱镜形状、大小完全相同，第二三角棱镜和第三三角棱镜的两条长直角边所在的矩形面紧密贴合，两条短直角边所在的矩形面共面，第一三角棱镜的斜边所在的矩形面上靠近长直角边的一侧开有凹槽，第三三角棱镜的斜边所在的矩形面与第一三角棱镜的斜边所在的矩形面开有凹槽的一侧紧密贴合，所述凹槽长度小于第三三角棱镜的斜边长度；第二分光棱镜组包括第四三角棱镜、第五三角棱镜和第六三角棱镜，第三分光棱镜组包括第七三角棱镜、第八三角棱镜和第九三角棱镜，第二分光棱镜组和第三分光棱镜组的形状、大小与第一分光棱镜组完全相同；第一分光棱镜组中第二三角棱镜的短直角边所在的矩形面与第二分光棱镜组中第四三角棱镜的短直角边所在的矩形面紧密贴合；第一分光棱镜组中第三三角棱镜的短直角边所在的矩形面与第三分光棱镜组中第七三角棱镜的短直角边所在的矩形面紧密贴合。

所述第一分光棱镜组中第一三角棱镜的长直角边所在的矩形面镀有高反膜，第二三角棱镜所在的矩形面与第三三角棱镜长直角边所在的矩形面之间夹有一层半透半反膜；第二分光棱镜组中第四三角棱镜的长直角边所在的矩形面镀有高反膜，第五三角棱镜所在的矩形面与第六三角棱镜长直角边所在的矩形面之间夹有一层半透半反膜；第三分光棱镜组中第七三角棱镜的长直角边所在的矩形面镀有高反膜，第八三角棱镜所在的矩形面与第九三角棱镜长直角边所在的矩形面之间夹有一层半透半反膜。

所述合束后的参考光和测试光透过λ/4波片后，变为正交的圆偏光，从第一分光棱镜组中第一三角棱镜的短直角边所在的矩形面入射后，在第一三角棱镜的斜边产生全内反射，在镀有高反膜的第一三角棱镜的长直角边发生反射，从第一三角棱镜的斜边凹槽出射，经过空气层后从第三三角棱镜的斜边入射，一部分光透射过第二三角棱镜和第三三角棱镜长直角边之间的半透半反膜，在第二三角棱镜的斜边发生全内反射，从第二三角棱镜的短直角边出射；另一部分光被第二三角棱镜和第三三角棱镜长直角边之间的半透半反膜反射，在第三三角棱镜的斜边发生全内反射，从第三三角棱镜的短直角边出射；从第二三角棱镜出射的光从第四三角棱镜的短直角边入射后，在第四三角棱镜的斜边产生全内反射，在镀有高反膜的第四三角棱镜的长直角边发生反射，从第四三角棱镜的斜边凹槽出射，经过空气层后从第六三角棱镜的斜边入射，一部分光透射过第五三角棱镜和第六三角棱镜长直角边之间的半透半反膜，在第五三角棱镜的斜边发生全内反射，从第五三角棱镜的短直角边出射；另一部分光被第五三角棱镜和第六三角棱镜长直角边之间的半透半反膜反射，在第六三角棱镜的斜边发生全内反射，从第六三角棱镜的短直角边出射；从第三三角棱镜出射的光从第七三角棱镜的短直角边入射后，在第七三角棱镜的斜边产生全内反射，在镀有高反膜的第七三角棱镜的长直角边发生反射，从第七三角棱镜的斜边凹槽出射，出射经过空气层后从第九三角棱镜的斜边入射，一部分光透射过第八三角棱镜和第九三角棱镜长直角边之间的半透半反膜，在第八三角棱镜的斜边发生全内反射，从第八三角棱镜的短直角边出射；另一部分光被第八三角棱镜和第九三角棱镜长直角边之间的半透半反膜反射，在第九三角棱镜的斜边发生全内反射，从第九三角棱镜的短直角边出射。

所述第三三角棱镜与第一三角棱镜的相似比为1:2。

本发明和现有技术相比，其显著优点：

(1)在本发明的小孔衍射光路中，o光和e光经过的路径相同，减少了环境振动和空气扰动产生的测量误差。

(2)分光光路没有使用光栅元件，可以达到很高的光能利用率，对比度高。

(3)使用分光棱镜组实现对入射光的对称等光程分光，具有很高的匹配精度，适用于高速动态测量。

(4)利用小孔衍射产生标准球面波的精度可达到λ/10000以上，同时降低了成本。

(5)测试光路在干涉仪前端，还可方便进行一些特殊物体的测量。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明使用小孔衍射板的共光路点衍射同步移相干涉测试光路结构示意图。

图2为本发明小孔衍射光路示意图。

图3为本发明特殊设计的分光棱镜示意图，其中（a）为第一分光棱镜组结构示意图；（b）为第二分光棱镜组结构示意图；（c）为第三分光棱镜组结构示意图。

具体实施方式

结合图1，一种使用小孔衍射板的共光路点衍射同步移相干涉测试装置，其特征在于：包括沿光路依次设置的测试光路15、小孔衍射光路16、分光光路17和移相光路18。

结合图1，所述测试光路15包括共光轴依次设置的激光器1和扩束系统2，被测样品3沿光路设置在扩束系统2后方。激光器1出射的非偏振光，经扩束系统2扩束准直后入射至被测样品3，携带被测样品3信息的信号光进入小孔衍射光路16。所述测试光路15在本发明提出的干涉测试装置前端，除可测量光学元件以外，还可方便进行一些特殊物体的测量。

结合图1和图2，所述小孔衍射光路16包括沿光路依次设置的双折射透镜4、小孔衍射板5、透镜6和光栅7。所述小孔衍射板5的前表面19上镀有宽角度偏振分光膜，后表面20上镀有高反膜，且前表面19上开有小孔21，所述小孔21位于经后表面20反射的反射光线焦点处。携带被测样品3信息的信号光通过双折射透镜4后，由于双折射材料o光折射率大于e光，因此沿光轴方向产生了相互分离的两束正交线偏振光，分别为o光和e光，并入射至小孔衍射板5镀有宽角度偏振分光膜的前表面19。其中o光在反射前表面19，依然携带被测样品3信息，作为测试光；e光透射过前表面19后被镀有高反膜的后表面20反射至前表面19上的小孔21，经小孔21衍射后产生标准球面波，作为参考光；测试光和参考光同时透射过透镜6后变为平行光，入射至光栅7后被合束，并进入分光光路17。经分光光路17后分为四束，进入移相光路18。由于参考光和测试光的偏振方向正交，所以不产生干涉现象。所述小孔衍射光路16实现了o光和e光经过的相同路径，减少了环境振动和空气扰动产生的测量误差，且通过小孔衍射产生标准球面波的精度可达到λ/10000以上。

结合图1和图3，所述分光光路17包括λ/4波片8、第一分光棱镜组9、第二分光棱镜组10和第三分光棱镜组11。第一分光棱镜组9包括第一三角棱镜22、第二三角棱镜23和第三三角棱镜24，第二三角棱镜23和第三三角棱镜24形状、大小完全相同，第二三角棱镜23和第三三角棱镜24的两条长直角边所在的矩形面紧密贴合，两条短直角边所在的矩形面共面，第一三角棱镜22的斜边所在的矩形面上靠近长直角边的一侧开有凹槽，第三三角棱镜24的斜边所在的矩形面与第一三角棱镜22的斜边所在的矩形面开有凹槽的一侧紧密贴合，所述凹槽长度小于第三三角棱镜24的斜边长度。第二分光棱镜组10包括第四三角棱镜25、第五三角棱镜26和第六三角棱镜27，第三分光棱镜组11包括第七三角棱镜28、第八三角棱镜29和第九三角棱镜30，第二分光棱镜组10和第三分光棱镜组11的形状、大小与第一分光棱镜组9完全相同。第一分光棱镜组9中第二三角棱镜23的短直角边所在的矩形面与第二分光棱镜组10中第四三角棱镜25的短直角边所在的矩形面紧密贴合，第一分光棱镜组9中第三三角棱镜24的短直角边所在的矩形面与第三分光棱镜组11中第七三角棱镜28的短直角边所在的矩形面紧密贴合。

结合图1和图3，所述第一分光棱镜组9中第一三角棱镜22的长直角边所在的矩形面镀有高反膜，第二三角棱镜23所在的矩形面与第三三角棱镜24长直角边所在的矩形面之间夹有一层半透半反膜；第二分光棱镜组10中第四三角棱镜25的长直角边所在的矩形面镀有高反膜，第五三角棱镜26所在的矩形面与第六三角棱镜27长直角边所在的矩形面之间夹有一层半透半反膜；第三分光棱镜组11中第七三角棱镜28的长直角边所在的矩形面镀有高反膜，第八三角棱镜29所在的矩形面与第九三角棱镜30长直角边所在的矩形面之间夹有一层半透半反膜。

结合图1和图3，合束后的参考光和测试光透过λ/4波片8后，变为正交的圆偏光，从第一分光棱镜组9中第一三角棱镜22的短直角边所在的矩形面入射后，在第一三角棱镜22的斜边产生全内反射，在镀有高反膜的第一三角棱镜22的长直角边发生反射，从第一三角棱镜22的斜边凹槽出射，经过空气层后从第三三角棱镜24的斜边入射，一部分光透射过第二三角棱镜23和第三三角棱镜24长直角边之间的半透半反膜，在第二三角棱镜23的斜边发生全内反射，从第二三角棱镜23的短直角边出射；另一部分光被第二三角棱镜23和第三三角棱镜24长直角边之间的半透半反膜反射，在第三三角棱镜24的斜边发生全内反射，从第三三角棱镜24的短直角边出射；从第二三角棱镜23出射的光从第四三角棱镜25的短直角边入射后，在第四三角棱镜25的斜边产生全内反射，在镀有高反膜的第四三角棱镜25的长直角边发生反射，从第四三角棱镜25的斜边凹槽出射，经过空气层后从第六三角棱镜27的斜边入射，一部分光透射过第五三角棱镜26和第六三角棱镜27长直角边之间的半透半反膜，在第五三角棱镜26的斜边发生全内反射，从第五三角棱镜26的短直角边出射；另一部分光被第五三角棱镜26和第六三角棱镜27长直角边之间的半透半反膜反射，在第六三角棱镜27的斜边发生全内反射，从第六三角棱镜27的短直角边出射；从第三三角棱镜24出射的光从第七三角棱镜28的短直角边入射后，在第七三角棱镜28的斜边产生全内反射，在镀有高反膜的第七三角棱镜28的长直角边发生反射，从第七三角棱镜28的斜边凹槽出射，出射经过空气层后从第九三角棱镜30的斜边入射，一部分光透射过第八三角棱镜29和第九三角棱镜30长直角边之间的半透半反膜，在第八三角棱镜29的斜边发生全内反射，从第八三角棱镜29的短直角边出射；另一部分光被第八三角棱镜29和第九三角棱镜30长直角边之间的半透半反膜反射，在第九三角棱镜30的斜边发生全内反射，从第九三角棱镜30的短直角边出射。

结合图3，所述第三三角棱镜24与第一三角棱镜22的相似比为1:2。

所述分光光路17还可以采用现有技术实现。可利用棱镜分光技术，如利用直角棱镜与分光棱镜的组合等；或可利用光栅分光技术，如利用棋盘光栅等。

所述分光光路17中没有使用光栅元件，因此可以达到很高的光能利用率。所述第一分光棱镜组9、第二分光棱镜组10和第三分光棱镜组11的组合实现了对入射光的对称等光程分光，获得的四束出射光可同时到达探测器14，且四束出射光均平行于光轴，无需再利用其他光学元件准直，具有很高的匹配精度。

结合图1，所述移相光路18包括共光轴依次设置的缩束系统12、偏振阵列13和探测器14，四束合束的参考光和测试光经缩束系统12缩束后，入射至偏振阵列13，偏振阵列13由四个通光轴方向分别为0°、45°、90°和135°的线偏振器呈“田”字型排列组成，分别产生0、π/2、π和3π/2的移相，之后被探测器14接收，获得四幅移相干涉图像。

将通过本发明所述的使用小孔衍射板的共光路点衍射同步移相干涉测试装置获得的四幅移相干涉图像，利用一定的移相算法，如四步移相法或哈里哈兰法等，可重构出被测相位。

本发明提供一种使用小孔衍射板的共光路点衍射同步移相干涉测试装置，可产生精度达到λ/10000以上的标准球面波作为参考光。共光路的设计有效减少环境振动和空气扰动带来的测量误差，并且使用特殊设计的分光棱镜，可以等光程地将入射光分为相同的四束出射光，具有很高的光能利用率。适用于透射及反射元件的高速动态测量。