基于像素偏振片阵列的实时动态相位测量技术详解.PDF

中国科学: 技术科学 2015 年 第45 卷 第5 期: 491 ~ 497 论 文 SCIENCE CHINA PRESS 实验力学专题 基于像素偏振片阵列的实时动态相位测量技术 ①† ②† ①† ① ①* ②* ① 张志刚 , 董凤良 , 程腾 , 仇康 , 张青川 , 褚卫国 , 伍小平 ① 中国科学技术大学近代力学系, 中国科学院材料力学行为与设计重点实验室, 合肥 230027; ② 国家纳米科学中心纳米加工技术实验室, 北京 100190 † 同等贡献 * E-mail: zhangqc@; wgchu@ 收稿日期: 2014-10-21; 接受日期: 2015-01-14 国家重点基础研究发展计划(编号: 2011CB302105)、国家自然科学基金(批准号:和中 国科学院科研装备研制项目(编号: YZ201265)资助 摘要 基于像素偏振片阵列的实时相移干涉计量技术可以实现实时相位测量, 并降低干 关键词 涉计量实验中的防振要求. 本文采用电子束曝光技术制备了单元间距为 7.4 m, 像素数为 像素偏振片阵列 320×240 的基于铝纳米光栅的像素偏振片阵列. 铝纳米光栅周期为140 nm, 每相邻2×2 单 实时相移 纳米光栅 元的透偏振方向分别为0°, 45°, 90°, 和 135°. 将像素偏振片阵列集成到感光元件上, 并将 电子束曝光 其应用于实时相移干涉计量. 采用线性插值的方法由采集的单帧图像获得 4 幅不同相移量 时的干涉条纹图, 从而解得物光波的位相信息. 采用上述装置成功测量了由温度变化引起 的相位动态变化, 证实了该方法在实时动态相位测量应用的可行性. 1 引言 时间相移恰好相反, 干涉图是在同一时刻不同空间 位置获得的, 因此可以进行动态测量, 但是由于干涉 相位测量相关技术可用于变形测量, 因此被广 图记录的空间位置不同, 要求不同探测器(若采用多 泛研究[1~3]. 相移法是光学干涉计量中普遍应用的直 个探测器接收不同相移干涉图) 或探测器不同部分 接相位测量技术之一[4], 其基本思路是在干涉光路中 (若采用单个探测器的不同部分接收不同相移干涉图) 引入相移器, 从而使得参与相干光束的相位差增加 的光电性能一致, 且不同空间位置的干涉图之间要 一个可控参考相位. 对于同一试件状态, 变化参考相 求进行像素级的位置匹配和灰度校正, 因此实际操 位可以得到不同的干涉图, 从而得到全场相位分布. 作过程难度高精度低, 难以被实际应用. 传统的相移方法主要为时间相移法[5~7]和空间相移 2004 年, Awatsuji 等人[9]提出了实时准相移数字 法[8]. 时间相移方法记录的图像是在同一空间位置不 全息技术, 在参考光路中加入相位延迟器阵列, 该阵 同时刻采集的,