CN115451809A - 基于涡旋相位圆偏光矢量叠加的检测***及方法 - Google Patents

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CN115451809A CN202211197385.6A CN202211197385A CN115451809A CN 115451809 A CN115451809 A CN 115451809A CN 202211197385 A CN202211197385 A CN 202211197385A CN 115451809 A CN115451809 A CN 115451809A
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Abstract

本发明涉及光学检测技术领域，公开一种基于涡旋相位圆偏光矢量叠加的检测***及方法，以精准测量透光被测物的厚度均匀度。方法包括：处理器获取无被检测物时相位检测器所采集到的第一矢量偏振场，在将被检测物置于偏振光栅与第一涡旋波片或第二涡旋波片之间后，获取相位检测器所采集的第二矢量偏振场，并对比有被检测物时叠加的矢量偏振场与无被检测物时叠加的矢量偏振场之间的偏振态差值，并根据圆偏光矢量叠加原理得出被检测物透光部中垂直于光轴的截面上各坐标点的相位分布，然后对各坐标点的相位分布进行解包裹后得到截面上各坐标点因厚度所导致的相位延迟量，再根据截面上各坐标点的相位延迟量求解得出被检测物透光部的厚度均匀度。

Description

基于涡旋相位圆偏光矢量叠加的检测***及方法
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种基于涡旋相位圆偏光矢量叠加的检测***及方法。
背景技术
随着现代工业技术的发展，对高精度检测技术的要求越来越高。
传统的光学检测，大多是通过被检测物的反射所带来的干涉条纹中的相位信息等变化而反推被检测物的参数信息。而且想要得到比较准确的面型信息需要进行四步相移干涉，操作复杂，且对相移的准确度有很高要求。与此同时，基于反射的检测机制也无法适用于测量透光被测物的厚度均匀度。
发明内容
本发明目的在于公开一种基于涡旋相位圆偏光矢量叠加的检测***及方法，以精准测量透光被测物的厚度均匀度。
为达上述目的，本发明公开的基于涡旋相位圆偏光矢量叠加的检测***包括：
左旋圆偏振光发生组件，用于产生左旋圆偏振光；
右旋圆偏振光发生组件，用于产生右旋圆偏振光；
所述左旋圆偏振光发生组件中的激光光源波长与所述右旋圆偏振光发生组件中的激光光源波长相等；
位于所述左旋圆偏振光发生组件与偏振光栅之间的第一涡旋波片；
位于所述右旋圆偏振光发生组件与所述偏振光栅之间的第二涡旋波片；
所述第一涡旋波片与所述第二涡旋波片为阶数相等且取整的涡旋波片；
所述第一涡旋波片的入射光轴与所述第二涡旋波片的入射光轴分别处于所述偏振光栅正负一阶的衍射角上，以将两束入射的涡旋光偏转成传播方向相同并矢量叠加的合束光；
位于所述偏振光栅出射方向上的相位检测器，用于采集叠加后合束光的矢量偏振场；
位于所述偏振光栅与所述第一涡旋波片或所述第二涡旋波片之间透明的被检测物，所述被检测物因透光部厚度改变光束相位延迟量；
与所述相位检测器相连的处理器，用于对比有被检测物时叠加的矢量偏振场与无被检测物时叠加的矢量偏振场之间的偏振态差值，并根据圆偏光矢量叠加原理得出被检测物透光部中垂直于光轴的截面上各坐标点的相位分布，然后对各坐标点的相位分布进行解包裹后得到所述截面上各坐标点因厚度所导致的相位延迟量，再根据所述截面上各坐标点的相位延迟量求解得出被检测物透光部的厚度均匀度。
优选地，所述第一涡旋波片和所述第二涡旋波片的阶数同为1。
优选地，在根据所述截面上各坐标点的相位延迟量求解得出被检测物透光部的厚度均匀度的过程中，所述处理器具体用于：先将各坐标点的相位延迟量与激光光源波长、被检测物的折射率结合计算出所述截面上各坐标点沿平行光轴方向延伸的厚度信息；然后根据所述截面各坐标点沿平行光轴方向延伸的厚度信息得到被检测物透光部的厚度均匀度。
为达上述目的，本发明还公开一种基于涡旋相位圆偏光矢量叠加的检测方法，包括：
部署如上所述的基于涡旋相位圆偏光矢量叠加的检测***；
所述处理器获取无被检测物时，所述相位检测器所采集到的第一矢量偏振场；
在将被检测物置于所述偏振光栅与所述第一涡旋波片或所述第二涡旋波片之间后，所述处理器获取所述相位检测器所采集的第二矢量偏振场，并对比有被检测物时叠加的矢量偏振场与无被检测物时叠加的矢量偏振场之间的偏振态差值，并根据圆偏光矢量叠加原理得出被检测物透光部中垂直于光轴的截面上各坐标点的相位分布，然后对各坐标点的相位分布进行解包裹后得到所述截面上各坐标点因厚度所导致的相位延迟量，再根据所述截面上各坐标点的相位延迟量求解得出被检测物透光部的厚度均匀度。
本发明具有以下有益效果：
***简单、实用且部署便捷，通过对比有被检测物时叠加的矢量偏振场与无被检测物时叠加的矢量偏振场之间的偏振态差值，并根据圆偏光矢量叠加原理得出被检测物透光部中垂直于光轴的截面上各坐标点的相位分布，然后对各坐标点的相位分布进行解包裹后得到所述截面上各坐标点因厚度所导致的相位延迟量，再根据所述截面上各坐标点的相位延迟量求解得出被检测物透光部的厚度均匀度，可以有效排除***误差，确保了可达到纳米级的高精度。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例公开的基于涡旋相位圆偏光矢量叠加的检测***框图。
图2是本发明实施例公开的基于涡旋相位圆偏光矢量叠加原理示意图。
图3是本发明实施例公开的基于涡旋相位圆偏光矢量叠加的检测方法流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
本实施例公开一种基于涡旋相位圆偏光矢量叠加的检测***，如图1所示，包括：
左旋圆偏振光发生组件1，用于产生左旋圆偏振光。
右旋圆偏振光发生组件2，用于产生右旋圆偏振光。
其中，左旋圆偏振光发生组件中的激光光源波长与右旋圆偏振光发生组件中的激光光源波长相等。
位于左旋圆偏振光发生组件与偏振光栅5之间的第一涡旋波片3。
位于右旋圆偏振光发生组件与偏振光栅之间的第二涡旋波片4。
第一涡旋波片与第二涡旋波片为阶数相等且取整的涡旋波片。优选地，第一涡旋波片和第二涡旋波片的阶数同为1。阶数越小，后续计算相位分布的复杂度相对越简单，作为一种替换，第一和第二涡旋波片的阶数也可以同为2或3等其他正整数。
第一涡旋波片的入射光轴与第二涡旋波片的入射光轴分别处于偏振光栅正负一阶的衍射角上，以将两束入射的涡旋光偏转成传播方向相同并矢量叠加的合束光。
位于偏振光栅出射方向上的相位检测器6，用于采集叠加后合束光的矢量偏振场。
位于偏振光栅与第一涡旋波片或第二涡旋波片之间透明的被检测物，被检测物因透光部厚度改变光束相位延迟量。
与相位检测器相连的处理器7，用于对比有被检测物时叠加的矢量偏振场与无被检测物时叠加的矢量偏振场之间的偏振态差值，并根据圆偏光矢量叠加原理得出被检测物透光部中垂直于光轴的截面上各坐标点的相位分布，然后对各坐标点的相位分布进行解包裹后得到截面上各坐标点因厚度所导致的相位延迟量，再根据截面上各坐标点的相位延迟量求解得出被检测物透光部的厚度均匀度。
优选地，在根据所述截面上各坐标点的相位延迟量求解得出被检测物透光部的厚度均匀度的过程中，所述处理器具体用于：先将各坐标点的相位延迟量与激光光源波长、被检测物的折射率结合计算出所述截面上各坐标点沿平行光轴方向延伸的厚度信息；然后根据所述截面各坐标点沿平行光轴方向延伸的厚度信息得到被检测物透光部的厚度均匀度。
在本实施例中，本实施例基于圆偏振光矢量叠加的检测原理具体如下所述：
相同频率和振幅的任意左旋圆偏光和任意右旋圆偏光可以进行矢量叠加得到线偏光。因此只需要知道矢量叠加的规律，即可得到叠加光场的整体偏振态分布。下面为具体推导过程。
如图2所示，根据琼斯矩阵的表示方法，任意的偏振光场分布可由矢量E表示：
Figure BDA0003871051610000041
其中C为强度振幅(由于对应点光强一致后续光强振幅都用C表示)；
Figure BDA0003871051610000042
表示初始相位为
Figure BDA0003871051610000043
矩阵代表单位偏振态方向
Figure BDA0003871051610000044
矩阵第一个元素代表x偏振分量
Figure BDA0003871051610000045
第二个元素代表y偏振分量
Figure BDA0003871051610000046
例如
Figure BDA0003871051610000047
即代表左旋圆偏)。
考虑相同频率和振幅的任意左旋圆偏光和任意右旋圆偏光在某点的叠加。
任意的左圆偏光场矢量ELCP可表示为
Figure BDA0003871051610000048
其中
Figure BDA0003871051610000049
为此左圆偏光的初始相位；而任意的右圆偏光场中光场矢量ERCP可表示为
Figure BDA00038710516100000410
其中
Figure BDA00038710516100000411
为此右圆偏光的初始相位；定义相位差模
Figure BDA00038710516100000412
和相位共模
Figure BDA00038710516100000413
满足：
Figure BDA00038710516100000414
则有：
Figure BDA00038710516100000415
因此任一叠加点的光场矢量EP可以计算为：
Figure BDA00038710516100000416
结果表明相同频率和振幅的任意左旋圆偏光和任意右旋圆偏光可以进行矢量叠加得到线偏光，且偏振方向由
Figure BDA00038710516100000417
(即该点处左旋圆偏光和右旋圆偏光相位差的一半)决定。因此，在叠加光场的不同位置坐标上，左右旋相位差不同，所以对应的线偏振态不同。
用偏振方向与x正方向的夹角θ表示线偏振方向，则偏振角度θ满足：
Figure BDA00038710516100000418
相同频率和振幅的任意左旋圆偏光与任意右旋圆偏光叠加，得到的线偏光偏振方向角θ与左旋圆偏光相位
Figure BDA00038710516100000419
和右旋圆偏光相位
Figure BDA00038710516100000420
的关系为：
Figure BDA0003871051610000051
此时当右旋圆偏光相位变化Δφ，则叠加得到的线偏光方向度θ′满足：
Figure BDA0003871051610000052
可以得到右旋圆偏光相位变化Δφ与两次叠加线偏振方向角度的差值的关系：
Δφ＝2(θ′-θ)
因此将无待检测物体时测得的各点偏振态方向θ0(x,y)和有待检测物体时测得的各点偏振态方向θ1(x,y)代入公式即可得到待检测物体各点的相位分布
Figure BDA0003871051610000053
Figure BDA0003871051610000054
由于检测过程中偏振态方向的取值范围在[0,2π)，例如实际上偏振态方向应为π+2*N*π(N为任意整数)检测得到的偏振方向则为π。因此直接计算得到的相位
Figure BDA0003871051610000055
只能截断在[0,2π)范围内，并不能得到真实的连续相位。
此时需要对计算得到的相位
Figure BDA0003871051610000056
进行解包裹，把截断的相位连接成连续相位，常见的二维解包裹算法分为两类，一类是寻求积分结果与路径无关条件的路径跟踪相位解包裹算法，一类是寻求满足最小范数解的路径无关相位解包裹算法。本实施例可利用第二类中的最小二乘算法进行解包裹计算得到解包裹后的连续相位ΔΦ(x,y)，核心思路是解包裹前后相位的梯度差值应该最小。
而得到各点实际连续相位ΔΦ(x,y)后，可以对物体各点厚度d(x,y)进行估算：
Figure BDA0003871051610000057
其中λ为激光光源波长，n为待检测物体材质对应的折射率。
实施例2
与上述实施例相对应的，本实施例公开一种基于涡旋相位圆偏光矢量叠加的检测方法，如图3所示，包括以下步骤：
步骤S1、部署基于涡旋相位圆偏光矢量叠加的检测***。该***即上述实施例的***，具体可参照图1，不做赘述。
步骤S2、处理器获取无被检测物时，相位检测器所采集到的第一矢量偏振场。
步骤S3、在将被检测物置于偏振光栅与第一涡旋波片或第二涡旋波片之间后，处理器获取相位检测器所采集的第二矢量偏振场，并对比有被检测物时叠加的矢量偏振场与无被检测物时叠加的矢量偏振场之间的偏振态差值，并根据圆偏光矢量叠加原理得出被检测物透光部中垂直于光轴的截面上各坐标点的相位分布，然后对各坐标点的相位分布进行解包裹后得到截面上各坐标点因厚度所导致的相位延迟量，再根据截面上各坐标点的相位延迟量求解得出被检测物透光部的厚度均匀度。
优选地，处理器在根据截面上各坐标点的相位延迟量求解得出被检测物透光部的厚度均匀度的过程中，具体包括：
步骤S31、先将各坐标点的相位延迟量与激光光源波长、被检测物的折射率结合计算出截面上各坐标点沿平行光轴方向延伸的厚度信息。
步骤S32、然后根据截面各坐标点沿平行光轴方向延伸的厚度信息得到被检测物透光部的厚度均匀度。
藉此，本实施例中，将第二矢量偏振场与第一矢量偏振场做对比，从而有效避免了在未放置检测物时***本身的噪声所带来的干扰。
综上，本发明上述实施例所分别公开的基于涡旋相位圆偏光矢量叠加的检测***及方法，至少具有以下有益效果：
***简单、实用且部署便捷，通过对比有被检测物时叠加的矢量偏振场与无被检测物时叠加的矢量偏振场之间的偏振态差值，并根据圆偏光矢量叠加原理得出被检测物透光部中垂直于光轴的截面上各坐标点的相位分布，然后对各坐标点的相位分布进行解包裹后得到截面上各坐标点因厚度所导致的相位延迟量，再根据截面上各坐标点的相位延迟量求解得出被检测物透光部的厚度均匀度，确保了可达到纳米级的高精度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于涡旋相位圆偏光矢量叠加的检测***，其特征在于，包括：
左旋圆偏振光发生组件，用于产生左旋圆偏振光；
右旋圆偏振光发生组件，用于产生右旋圆偏振光；
所述左旋圆偏振光发生组件中的激光光源波长与所述右旋圆偏振光发生组件中的激光光源波长相等；
位于所述左旋圆偏振光发生组件与偏振光栅之间的第一涡旋波片；
位于所述右旋圆偏振光发生组件与所述偏振光栅之间的第二涡旋波片；
所述第一涡旋波片与所述第二涡旋波片为阶数相等且取整的涡旋波片；
所述第一涡旋波片的入射光轴与所述第二涡旋波片的入射光轴分别处于所述偏振光栅正负一阶的衍射角上，以将两束入射的涡旋光偏转成传播方向相同并矢量叠加的合束光；
位于所述偏振光栅出射方向上的相位检测器，用于采集叠加后合束光的矢量偏振场；
位于所述偏振光栅与所述第一涡旋波片或所述第二涡旋波片之间透明的被检测物，所述被检测物因透光部厚度改变光束相位延迟量；
与所述相位检测器相连的处理器，用于对比有被检测物时叠加的矢量偏振场与无被检测物时叠加的矢量偏振场之间的偏振态差值，并根据圆偏光矢量叠加原理得出被检测物透光部中垂直于光轴的截面上各坐标点的相位分布，然后对各坐标点的相位分布进行解包裹后得到所述截面上各坐标点因厚度所导致的相位延迟量，再根据所述截面上各坐标点的相位延迟量求解得出被检测物透光部的厚度均匀度。
2.根据权利要求1所述的基于涡旋相位圆偏光矢量叠加的检测***，其特征在于，所述第一涡旋波片和所述第二涡旋波片的阶数同为1。
3.根据权利要求1或2所述的基于涡旋相位圆偏光矢量叠加的检测***，其特征在于，在根据所述截面上各坐标点的相位延迟量求解得出被检测物透光部的厚度均匀度的过程中，所述处理器具体用于：先将各坐标点的相位延迟量与激光光源波长、被检测物的折射率结合计算出所述截面上各坐标点沿平行光轴方向延伸的厚度信息；然后根据所述截面各坐标点沿平行光轴方向延伸的厚度信息得到被检测物透光部的厚度均匀度。
4.一种基于涡旋相位圆偏光矢量叠加的检测方法，其特征在于，包括：
部署如权利要求1至3任一所述的基于涡旋相位圆偏光矢量叠加的检测***；
所述处理器获取无被检测物时，所述相位检测器所采集到的第一矢量偏振场；
在将被检测物置于所述偏振光栅与所述第一涡旋波片或所述第二涡旋波片之间后，所述处理器获取所述相位检测器所采集的第二矢量偏振场，并对比有被检测物时叠加的矢量偏振场与无被检测物时叠加的矢量偏振场之间的偏振态差值，并根据圆偏光矢量叠加原理得出被检测物透光部中垂直于光轴的截面上各坐标点的相位分布，然后对各坐标点的相位分布进行解包裹后得到所述截面上各坐标点因厚度所导致的相位延迟量，再根据所述截面上各坐标点的相位延迟量求解得出被检测物透光部的厚度均匀度。
5.根据权利要求4所述的基于涡旋相位圆偏光矢量叠加的检测方法，其特征在于，所述第一涡旋波片和所述第二涡旋波片的阶数同为1。
6.根据权利要求4或5所述的基于涡旋相位圆偏光矢量叠加的检测方法，其特征在于，所述处理器在根据所述截面上各坐标点的相位延迟量求解得出被检测物透光部的厚度均匀度的过程中，具体包括：
先将各坐标点的相位延迟量与激光光源波长、被检测物的折射率结合计算出所述截面上各坐标点沿平行光轴方向延伸的厚度信息；
然后根据所述截面各坐标点沿平行光轴方向延伸的厚度信息得到被检测物透光部的厚度均匀度。
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