[发明专利]一种空间相位调制型激光干涉测量仪器及方法

说明书

本发明提供了一种空间相位调制型激光干涉测量仪器及方法，属于光电检测技术领域。该仪器包括激光光源、平行反光板、图像传感器、信号采集处理器和显示器，使用一个双面平行反光板作为空间相位调制器，空间发散激光斜入射到由低反射双面平行反光板，上下表面反射光在图像传感器表面形成由双光束干涉产生的相位调制分布。本发明的光学部分仅包括激光光源、双面平行反光板和图像传感器，相比于其他干涉仪，具有结构简单和成本低等显著优势。本发明为位移、激光波长、平板厚度和折射率的高精度测量提供了一种极具竞争力的技术方案。

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，涉及一种空间相位调制型激光干涉测量仪器及方法。

背景技术

激光器的出现推动了光电检测技术领域的快速发展，利用激光干涉原理可实现高精度的光电检测。激光波长或者光程差的改变可引起干涉信号的相位调制，激光干涉仪是将波长、温度、应变、压力、折射率或者位移等物理量转换为对相位差的高精度测量仪器。常见的激光干涉测量仪主要包括迈克尔逊干涉仪、马赫曾德干涉仪和法布里-珀罗干涉仪等。目前，各种形式的激光干涉仪已经广泛应用于物理化学参量测量、精密机械加工和结构健康监测等领域。

光学干涉仪分为时间域相位调制干涉仪和空间域相位调制干涉仪。时间域相位调制利用了光的时间相干性；空间域相位调制则利用了光的空间相干性。时间域相位调制干涉仪形成的干涉场是一个空间均匀的强度随时间变化的分布；空间域相位调制干涉仪形成的干涉场则是一个不随时间变化的强度随空间位置变化的干涉条纹分布。在光探测方面，时间域相位调制干涉仪采用单面元光探测器；空间域相位调制干涉仪采用面阵或者线阵图像传感器。

空间相位调制型激光干涉仪在测量过程中无需对测量臂的光程或者激光波长进行扫描，具有测量速度快、信噪比高和稳定性高等优势。文献“空间域相位调制干涉仪用于微位移测量.应用光学，1999，20(2)：40-44”首次提出了空间相位调制型干涉测量方案，采用光楔替代传统迈克尔逊干涉中的平板玻璃，空间相位调制激光干涉场被CCD探测。然而该方案易受光楔倾角不均匀的影响，无法在实际工程应用中得到应用。文献“空间相位调制表面等离子体共振检测蛋白质芯片.清华大学学报，2008，48(5)：792-795”和“基于SPR传感的空间相位调制蛋白质芯片检测方法.仪器仪表学报，2009，30(6)：1134-1139”提出了一种基于空间相位调制的SPR成像干涉检测法，该方案将s光作为参考光，测量p光的相位变化，将传感芯片表面的生物分子相互作用时所引起的反射光的相位变化转换成干涉条纹移动，干涉图像由面阵CCD采集。然而该方案的应用领域受限，目前的报道只能用于SPR传感。

目前，在非接触光学玻璃测厚、光学折射率测量等领域，尚且缺乏低成本的高精度激光干涉测量方法。并且，各种常见的激光干涉仪使用较多的高精密光学元件，存在结构复杂和成本较高等问题，影响了激光干涉仪进一步地推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提出一种结构简单的无扫描激光干涉测量仪器及方法，旨在大幅度简化仪器结构、降低激光干涉仪的成本、提高检测精度，为激光干涉仪在工业检测与生产中的应用拓展更大的空间。

本发明的技术方案：

一种空间相位调制型激光干涉测量仪器，空间相位调制型激光干涉测量仪器包括激光光源1、平行反光板2、图像传感器3、信号采集处理器4和显示器5；激光光源1与图像传感器3之间设置平行反光板2，激光光源1发射的光斜射到平行反光板2表面，经平行反光板2上、下表面反射后入射到光图像传感器3，光图像传感器3将探测的光进行处理并形成干涉图像；信号采集处理器4与图像传感器3相连，用于采集干涉图像并对其进行相位解调；显示器5与信号采集处理器4相连，用于显示数字信号处理的结果。

所述的激光光源1是一种空间发散光源，其空间发散角大于5度。

所述的激光光源1是一种相干光源，其相干长度大于10倍的平行反光板2的厚度。