1、引言

與采用分離光路干涉的泰曼-格林、馬赫-曾德等干涉儀相比，共光路干涉儀的物光和參考光在同一光路中傳播，能夠較好抑制外界振動、溫度起伏等噪聲影響，具有一定抗干擾能力，因而在光學表面、形變、厚度及折射率等檢測領域更具吸引力。經典的共光路干涉儀結構有相襯法斐索干涉法和剪切干涉法等。相襯法利用濾波器對物光的零頻分量和高頻分量分別施加不同的相移實現干涉測量，方法結構簡單，且干涉圖樣與輸入相位直接對應，恢復算法也簡單，但依賴于對零頻分量的分離，且濾波器的選擇對測量結果影響較大;斐索干涉法利用一個標準平面產生參考光，但對平面表面質量和均勻性要求高;剪切干涉儀通過在兩束物光之間引入剪切量實現干涉測量，不僅剪切量調控困難，而且因為獲得干涉條紋僅是剪切波前的相位差，需要復雜的算法實現相位恢復。近年，Arrizón等提出一種基于4f系統和光柵濾波的共光路干涉法，將輸入平面分成兩個窗口，一個用作物光，另一個用作參考光，通過合理選擇光柵周期、透鏡焦距和窗口尺寸等參數，以及軸向或橫向移動光柵或引入偏振片組獲得不同相移的干涉圖，進而實現測量，方法原理簡單、抗干擾能力強，但測量精度仍受限于光柵相移或偏振片質量。為了解決這些問題，本課題組提出了三窗口共光路干涉儀，將輸入平面分成3個窗口，其中心窗口用作物光，其余兩窗口用作參考光，利用光柵自身的相移特性，通過一次曝光采樣可在輸出平面上獲得3個不同相移的干涉圖樣，不僅增強系統的穩定性和抗干擾能力，而且大大提高系統的操作性和實時性。本文在上述工作基礎上，提出利用液晶空間光調制器（LC-SLM）的灰度數字調制能力，在LC-SLM上加載光柵，通過靈活調整光柵參數以方便不同尺寸待測物體的相位測量，進而提高系統調整的方便性和測量的靈活性。

2、干涉原理

基于LC-SLM的三窗口同步移相共光路干涉儀的如圖1所示。從He-Ne激光器發出的光經準直擴束透鏡擴束后照射位于4f系統輸入平面上的矩形光闌。矩形光闌包含3個窗口，被測透明物體置于中心窗口之前，則通過中心窗口的光為物光，通過兩側窗口的光為參考光。透鏡L1和L2構成的4f系統頻譜面上的濾波器由加載在LC-SLM上的光柵實現，并對輸入光進行衍射分光，在輸出面上形成多級衍射光。通過調整窗口大小、光柵周期等參數，可在輸出平面獲得3幅相移圖。

假設準直擴束后的輸入光為理想平面波，則系統輸入平面的光場復振幅分布為

在系統頻譜面上，加載在LC-SLM上的光柵起頻域濾波的作用。相應的，其沖擊響應函數可表示為

圖1 ?三窗口共光路干涉儀示意圖

其中：Aw為光柵透光區寬度;d為光柵周期;u0為光柵透光區中心相對于系統光軸在x方向的偏移量;λ為光源波長;f為透鏡焦距。于是，系統輸出平面上的光場分布可以表示為

其中，*表示卷積。假設加載在LC-SLM的光柵為Aw/d=1/2的二值光柵，同時調整光柵周期d=3λf/D，并去掉干涉圖樣的公共因子，則在輸出平面上獲得的位于x=-D/3、0和D/3處的3個干涉圖光強分布為

3、實驗與分析

為了進一步認識所提干涉儀的性能，依據圖1構建實驗裝置如圖2所示。其中：光源為λ=632.8nm的普通He-Ne激光器;傅里葉變換透鏡L1和L2為f=250mm的平凸透鏡;透射式LC-SLM分辨率為1024×768，像素大小為18μm;CCD分辨率為1600×1200，像素大小為4.4μm;被測物為一柱面鏡，放置在中心窗口前。利用LC-SLM的灰度調制能力，在其上加載d=72μm、占空比為1/2的二值光柵。經過透鏡L1的聚焦光束經過LC-SLM進行空間濾波。當光柵的初始偏移u0=d/4時，cosθ=0，會使I0的條紋變化消失。因此，在調整光柵初始位置時，最好使u0＜ｄ／４。