專利名稱：一種空間相移器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)儀器，具體涉及一種空間相移器。
背景技術(shù)：
電子散斑干涉技術(shù)(ESPI)是以激光散斑作為被測物場變化信息的載體，利用被測物體在受激光照射后產(chǎn)生干涉散斑場的相關(guān)條紋來檢測雙光束波前后之間的相位變化。一束激光被透鏡擴展并投射到被檢測物體的表面上，反射光與從激光器直接投射到攝像機的參考光光束發(fā)生干涉，在被照射的表面產(chǎn)生散斑場及一系列散斑圖像。當(dāng)物體運動時，這些散斑會隨之發(fā)生變化，這些變化表征出被測物體表面的位移場變化或形變信息。使用CCD (電荷耦合器件)攝像機得到視頻信號，由計算機軟件處理分析后在監(jiān)視器上顯示出表征物場變化的散斑干涉條紋圖，通過數(shù)值計算將這些條紋解析為人們所熟知的物理量。
傳統(tǒng)的干涉測量方法是直接判讀一幅干涉圖中的條紋序號N(x，y)由此獲得被測波面的相位信息y) = 2—(4分。由于干涉的各種噪音、探測和判讀的靈敏度及其不一致性等因素的影響，所得被測波面的面形并不理想。I960年Carr6提出相移的思想，Bruning等人實現(xiàn)了相移技術(shù)。相移技術(shù)能較準確的求得相位信息，得到被測波面的理想面形，因而得到了迅速的發(fā)展。相移的工作原理如下干涉光場中任一點的合成光強為l(x7y) = a{x,y) + b(xyy)cosy(xfy)} x = 0,1,…，X-I ；y = 0，I,…，Y-I (2-1)其中，(X，y)-圖像中的像素位置，I (X，y)--干涉條紋強度，a (x，y)-背景光強，b(x, y) /a(x, y)—對比度或調(diào)制度，—要提取的位相?！銇碚f，I (x, y)已知,但a(x, y)、b(x, y)和 φ ,}/)均未知,所以至少需要三幅
干涉圖才能確定沖(U)。于是將式(2-1)變成如下
f{x, y) = fl(u)十 b(x, y) cos[^(x, y) —(2—2)Δ α (k)是引入的兩支干涉光路中的可變位相，k = 0，1，…，K_l。當(dāng)k = 3時,就是四步相移,取等步長0/2) : Δ α。= O, Aa1= Ji /2, Aa2 =Ji，Δ a 3 = 3 /2將這些量代入(2-2)式,聯(lián)立求解可得
I· 、 t「厶(jfJ)-/ 辦，)m{xsy) - arcig^-相移的方法通常分為時間相移[k = K(時間)]和空間相移[k = K(空間)]兩種，其中，時間相移是通過在時間時序中采集幾幅圖來計算相位；空間相移是在同一時刻采集一幅圖，該圖中包含不同的空間相位信息，用一幅圖就可計算相位。實現(xiàn)空間相移的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是空間分光和空間相移，現(xiàn)有的空間相移技術(shù)是基于光柵分光和偏振干涉的單CCD成像空間相移系統(tǒng)，其中光柵的作用在于分光，這些分光束經(jīng)過設(shè)在光柵背面的偏振片組進行相移，從而得到幾束已知相位差的光，并由CCD記錄干涉圖像，再通過計算機處理得出被測相位，從而反映被測物體的變形情況。但是上述的現(xiàn)有空間相移技術(shù)存在以下的不足I、包含的光學(xué)元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2、由光柵分出的光的強度不均勻，易造成測量誤差。3、偏振片之間的縫隙會漏光，影響檢測結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單且測量精度高的空間 相移器。本發(fā)明實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案為一種空間相移器，包括基板以及設(shè)在基板上的多個相移單元，每個相移單元包括η個厚度不等的相移臺階，所述η為大于等于3的自然數(shù)；將所述η個相移臺階按厚度從大到小排列，相鄰兩相移臺階的高度差為λ/n，其中λ為光波波長；所述每個相移單元中不同厚度的相移臺階之間的位置關(guān)系均相同；所述每個相移單元與CCD鏡頭光板上的一個像素相對應(yīng)。本發(fā)明所述的空間相移器，其中，所述η優(yōu)選3、4或5。即優(yōu)選采用常用的三步相移、四步相移和五步相移來實現(xiàn)相位變化。本發(fā)明的空間相移器的一個具體方案，其中，所述的η為3，這3個相移臺階按厚度從大到小排列分別為第一相移臺階、第二相移臺階和第三相移臺階，相鄰兩相移臺階的高度差為λ/3。特別地，所述3個相移臺階的位置關(guān)系是第一相移臺階、第二相移臺階和第三相移臺階在縱向依次排列；這3個相移臺階的位置關(guān)系也可是第一相移臺階、第三相移臺階和第二相移臺階在縱向依次排列。本發(fā)明的空間相移器的另一個具體方案，其中，所述的η為4，這4個相移臺階按厚度從大到小排列分別為第一相移臺階、第二相移臺階、第三相移臺階和第四相移臺階，相鄰兩相移臺階的高度差為λ/4。特別地，所述4個相移臺階的位置關(guān)系是這4個相移臺階分為前后兩行，每行2個，前行從左至右分別是第一相移臺階和第二相移臺階，后行從左至右分別為第三相移臺階和第四相移臺階；這4個相移臺階的位置關(guān)系也可是這4個相移臺階分為前后兩行，每行2個,前行從左至右分別是第一相移臺階和第三相移臺階,后行從左至右分別為第二相移臺階和第四相移臺階。本發(fā)明的空間相移器的再一個具體方案，其中，所述的η為5，這5個相移臺階按厚度從大到小排列分別為第一相移臺階、第二相移臺階、第三相移臺階、第四相移臺階和第五相移臺階，相鄰兩相移臺階的高度差為λ/5。特別地，所述5個相移臺階的位置關(guān)系是這5個相移臺階分為左右兩列，左列3個，右列2個，左列從前到后依次為第一相移臺階、第四相移臺階和第五相移臺階，右列從前到后依次為第二相移臺階和第三相移臺階；這5個相移臺階的位置關(guān)系也可是這5個相移臺階分為左右兩列，左列3個，右列2個，左列從前到后依次為第五相移臺階、第四相移臺階和第一相移臺階，右列從前到后依次為第三相移臺階和第二相移臺階。本發(fā)明所述的空間相移器的一個優(yōu)選方案，其中，所述的基板由石英玻璃形成。本發(fā)明的空間相移器的一個優(yōu)選方案，其中，所述的第一相移臺階的厚度等于基板的厚度，該基板的厚度為光波波長的整數(shù)倍。理論上第一相移臺階的厚度最小可以為一個波長，但是由于光波波長較小，為了制作方便，第一相移臺階的厚度一般為光波波長的3000 3500 倍。本發(fā)明的空間相移器的工作原理是在每一個相移單元中，按厚度從大到小排列的相鄰兩相移臺階之間的厚度差為λ/n，相應(yīng)地可算得兩者的相位差(即相移量)為2π/η(光波在一個波長內(nèi)的相位變化為O 2 π，因此通過兩相移臺階后的光的相位差等于兩者的厚度差與波長的比值再乘以2 π),當(dāng)所述的η為大于等于3的自然數(shù)時，一個相移單元中便可獲得至少3幅相位差已知的干涉圖紋，根據(jù)背景技術(shù)中的描述可知，只要獲得三幅以上已知相位差的干涉圖紋，便可算得相應(yīng)的像素位置的相位。由于每一個相移單元與CCD鏡頭 上的光板的一個像素對應(yīng)，因此光板上的一個像素記錄一個相移單元的干涉圖紋，對應(yīng)可算得被測物體上一個相應(yīng)像素位置的相位；將多個與相移單元對應(yīng)的待測面的相位組合在一起便可得到整個待測面的完整相位，從而可算得待測面的變形量。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的有益效果I、本發(fā)明的空間相移器通過由厚度不同的相移臺階組成的相移單元實現(xiàn)分光和相移，所有的相移單元集成在一個基板上形成一個光學(xué)元件，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，便于安裝到干涉儀上，減少儀器體積和重量；而現(xiàn)有技術(shù)采用光柵進行分光，再采用偏振片進行相移，使用的光學(xué)兀件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2、由于各個相移單元結(jié)構(gòu)完全相同，因此各個相移單元分出的分光束的強度均勻，從而有利于提高檢測的精度；而現(xiàn)有技術(shù)中采用光柵分光所分出來的分光束強度不均勻，造成測量精度低。3、由于所有的相移單元集成在一個基板上，相移單元之間沒有間隙，因此不會像現(xiàn)有技術(shù)那樣因偏振片漏光而影響檢測結(jié)果。4、本發(fā)明的一個相移單元分別與CXD光板的一個像素以及被測表面的一個像素位置對應(yīng)，每一個相移單元可測得一個像素位置的相位，使得待測面上的每一個像素位置均能測出相位，測量精度大大提高。5、本發(fā)明的空間相移器只需在基板上采用光刻蝕的方法刻蝕出相移單元即可制得，生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)成本低。


圖I 圖4為本發(fā)明的空間相移器的實施例I的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖I為主視圖，圖2為左視圖，圖3為俯視圖，圖4為立體圖。圖5為圖I所示的空間相移器與CXD攝像機光板的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6和圖7為圖I所示的空間相移器的制作過程示意圖。圖8本發(fā)明的空間相移器的實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9本發(fā)明的空間相移器的實施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。圖10本發(fā)明的空間相移器的實施例4的結(jié)構(gòu)示意圖。圖11本發(fā)明的空間相移器的實施例5的結(jié)構(gòu)示意圖。圖12本發(fā)明的空間相移器的實施例6的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式實施例I參見圖I 圖4，本實施例的空間相移器包括基板I以及設(shè)在基板I上的多個相移單元，其中，基板I由石英玻璃制成；每個相移單元包括4個厚度不等的相移臺階2，將這4個相移臺階2按厚度從大到小排列分別為第一相移臺階2-1、第二相移臺階2-2、第三相移臺階2-3和第四相移臺階2-4，相鄰兩相移臺階2的高度差為λ/4，其中λ為激光器打出的激光的波長，該波長為640納米，亦即所述相鄰兩相移臺階2的高度差為160納米；相鄰兩相移臺階2的相位差為1/2 π，亦即以第一相移臺階2-1為基準，第二相移臺階2-2、第三相移臺階2-3和第四相移臺階2-4的相位差分別是π /2、π和3 π /2 ;基板I的厚度為所述波長λ的3000倍，即I. 92毫米。所述每個相移單元中不同厚度的相移臺階2之間的位置關(guān)系均相同，具體為在每一個相移單元中，所述4個相移臺階2均分為前后兩行，每行包含兩個相移臺階2，前行從左至右分別是第一相移臺階2-1和第二相移臺階2-2，后行從左至右分別為第三相移臺階2-3和第四相移臺階2-4 ;所述多個相移單元相互連接集成在基 板I上。參見圖5，本發(fā)明的空間相移器應(yīng)用到干涉儀中時，所述每個相移單元分別與CCD鏡頭上的光板3的一個像素3-1對應(yīng)，例如，如果(XD的像素3-1的尺寸為IOX 10微米，那么每個相移單元的大小也為10 X 10微米；如果(XD的像素3-1的尺寸為5. 2X5. 2微米，每個相移單元的大小也為5. 2 X 5. 2微米，因此相移單元的尺寸大小可根據(jù)所使用的CCD鏡頭的光板3的像素3-1的大小來確定。參見圖6和圖7，本實施例的空間相移器可通過以下方法制得參見圖6，先在基板
I上與第一相移臺階2-1和第四相移臺階2-4對應(yīng)處縱向隔行刻蝕160納米的縱向槽1-1，形成第二相移臺階2-2 (基板I的表面形成第一相移臺階2-1);然后在與第三相移臺階2-3和第四相移臺階2-4對應(yīng)處橫向刻蝕320納米的橫向槽1-2，形成第三相移臺階2-3和第四相移臺階2-4(其中，第三相移臺階2-3是在基板I表面刻蝕320納米形成，第四相移臺階
2-4是在縱向槽1-1的底部刻蝕320納米形成)(參見圖7)。實施例2參見圖8，本實施例中與實施例I的不同在于本實施例的空間相移器對應(yīng)的光波的波長為532納米，因此所述相鄰兩相移臺階2的高度差為133納米；本實施例中，每個相移單元2中不同厚度的相移臺階2之間的位置關(guān)系為所述4個相移臺階2亦分為前后兩行，每行包含兩個相移臺階2，前行從左至右分別是第一相移臺階2-1和第三相移臺階2-3，后行從左至右分別為第二相移臺階2-2和第四相移臺階2-4 ;本實施例的空間相移器的制作方法為先橫向隔行刻蝕133納米，然后再縱向隔行刻蝕266納米。本實施例上述以外的其他實施方式與實施例I相同。實施例3參見圖9，本實施例中，每個相移單元包括3個厚度不等的相移臺階2，將這3個相移臺階2按厚度從大到小排列分別為第一相移臺階2-1、第二相移臺階2-2和第三相移臺階2-3，相鄰兩相移臺階2的高度差為λ/3 ;相鄰兩相移臺階2的相位差為2 π/3，亦即以第一相移臺階2_1為基準，第二相移臺階2_2和第二相移臺階2_3的相位差分別是2 π /3和4 π /3。每個相移單元2中不同厚度的相移臺階2之間的位置關(guān)系為第一相移臺階2-1、第二相移臺階2-2和第三相移臺階2-3在縱向從前到后依次排列。本實施例上述以外的其他實施方式可參照實施例I來進行。實施例4參見圖10，本實施例與實施例3的不同之處在于，每個相移單元2中不同厚度的相移臺階2之間的位置關(guān)系為第一相移臺階2-1、第三相移臺階2-3和第二相移臺階2-2在縱向從前到后依次排列。本實施例上述以外的其他實施方式與實施例3相同。實施例5參見圖11，本實施例中，每個相移單元包括5個厚度不等的相移臺階2，將這5個 相移臺階2按厚度從大到小排列分別為第一相移臺階2-1、第二相移臺階2-2、第三相移臺階2-3、第四相移臺階2-4和第五相移臺階2-5，相鄰兩相移臺階2的高度差為λ /5 ;相鄰兩相移臺階2的相位差為2/5 π，亦即以第一相移臺階2-1為基準，第二相移臺階2-2、第三相移臺階2-3、第四相移臺階2-4和第五相移臺階2-5的相位差分別是2 π /5、4 π /5、6 π /5和8 π /5。每個相移單元2中不同厚度的相移臺階2之間的位置關(guān)系為所述5個相移臺階2分為左右兩列，左列具有3個相移臺階2，右列具有2個相移臺階2，左列從前到后依次為第一相移臺階2-1、第四相移臺階2-4和第五相移臺階2-5，右列從前到后依次為第二相移臺階2_2和第二相移臺階2_3。本實施例上述以外的其他實施方式可參照實施例I來進行。實施例6參見圖12，本實施例與實施例5的不同之處在于，每個相移單元2中不同厚度的相移臺階2之間的位置關(guān)系為所述5個相移臺階2分為左右兩列，左列具有3個相移臺階2，右列具有2個相移臺階2，左列從前到后依次為第五相移臺階2-5、第四相移臺階2-4和第一相移臺階2-1，右列從前到后依次為第三相移臺階2-3和第二相移臺階2-2。本實施例上述以外的其他實施方式與實施例5相同。上述為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述內(nèi)容的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種空間相移器，其特征在于，包括基板以及設(shè)在基板上的多個相移單元，每個相移單元包括n個厚度不等的相移臺階，所述n為大于等于3的自然數(shù)；將所述n個相移臺階按厚度從大到小排列，相鄰兩相移臺階的高度差為入/n，其中\(zhòng)為光波波長；所述每個相移單元中不同厚度的相移臺階之間的位置關(guān)系均相同；所述每個相移單元與CCD鏡頭光板上的一個像素相對應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空間相移器，其特征在于，所述n為3、4或5。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的空間相移器，其特征在于，所述的n為3，這3個相移臺階按厚度從大到小排列分別為第一相移臺階、第二相移臺階和第三相移臺階，相鄰兩相移臺階的高度差為入/3。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的空間相移器，其特征在于，所述3個相移臺階的位置關(guān)系是第一相移臺階、第二相移臺階和第三相移臺階在縱向依次排列； 或者是第一相移臺階、第三相移臺階和第二相移臺階在縱向依次排列。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的空間相移器，其特征在于，所述的n為4，這4個相移臺階按厚度從大到小排列分別為第一相移臺階、第二相移臺階、第三相移臺階和第四相移臺階，相鄰兩相移臺階的高度差為入/4。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的空間相移器，其特征在于，所述4個相移臺階的位置關(guān)系是這4個相移臺階分為前后兩行，每行2個，前行從左至右分別是第一相移臺階和第二相移臺階，后行從左至右分別為第三相移臺階和第四相移臺階； 或者是這4個相移臺階分為前后兩行,每行2個,前行從左至右分別是第一相移臺階和第三相移臺階，后行從左至右分別為第二相移臺階和第四相移臺階。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的空間相移器，特征在于，所述的n為5，這5個相移臺階按厚度從大到小排列分別為第一相移臺階、第二相移臺階、第三相移臺階、第四相移臺階和第五相移臺階，相鄰兩相移臺階的高度差為X/5。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的空間相移器，其特征在于，所述5個相移臺階的位置關(guān)系是這5個相移臺階分為左右兩列，左列3個，右列2個，左列從前到后依次為第一相移臺階、第四相移臺階和第五相移臺階，右列從前到后依次為第二相移臺階和第三相移臺階； 或者是這5個相移臺階分為左右兩列，左列3個，右列2個，左列從前到后依次為第五相移臺階、第四相移臺階和第一相移臺階，右列從前到后依次為第三相移臺階和第二相移臺階。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空間相移器，其特征在于，所述的基板由石英玻璃制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空間相移器，其特征在于，所述的第一相移臺階的厚度等于基板的厚度，該基板的厚度為光波波長的整數(shù)倍。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空間相移器，包括基板以及設(shè)在基板上的多個相移單元，每個相移單元包括n個厚度不等的相移臺階，所述n為大于等于3的自然數(shù)；將所述n個相移臺階按厚度從大到小排列，相鄰兩相移臺階的高度差為λ/n，其中λ為光波波長；所述每個相移單元中不同厚度的相移臺階之間的位置關(guān)系均相同；所述每個相移單元與CCD鏡頭光板上的一個像素相對應(yīng)。本發(fā)明的空間相移器具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點。
文檔編號G01B9/02GK102853761SQ20121031161
公開日2013年1月2日 申請日期2012年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月28日
發(fā)明者曾啟林, 黃嘉興 申請人:廣州華工百川科技股份有限公司