随着微电子、微光学、微机械和生物工程等技术的发展,对三维显微成像提出了更高的要求。传统的接触式高精度三维测量技术不仅测量速度慢,且由于触测力的影响,存在易损伤测量表面和磨损探头等问题;共焦显微等光学技术虽然具有非接触测量等独特优点,但由于采用点扫描方式以提高测量精度,仍存在测量速度慢、系统复杂等问题;而干涉显微成像技术由于具有全场定量、非接触、无需对样品做特殊处理等独特优点,已作为极其重要的测试分析手段用于快速三维显微成像领域,但是提高系统稳定性、实时性等方面的研究仍是国内外干涉显微成像领域的前沿性热点问题,具有重要的学术价值和应用价值。本课题“双窗口干涉显微成像技术研究”的目的是在双窗口共光路干涉技术基础上,探讨研究稳定性好、实时性高的干涉显微成像技术,通过引入高速时间相移技术、同步相移技术以及载波相移技术实现定量干涉测量,同时兼顾系统测量效率、相机视场利用率及带宽利用率等方面,并进一步引入显微成像放大技术提高横向分辨力,从而为高效、高分辨力和强稳定性的干涉显微成像技术提供新的方法。该研究内容在表面微观形貌、微光学元件、生物细胞等显微成像领域有广阔的应用前景。本课题的主要研究内容如下:为了实现高精度的快速测量,在分析双窗口共光路干涉基本原理基础上,提出了基于数字微镜器件(DMD)的双窗口时间相移干涉技术,在保证相机视场利用率及带宽利用率的同时,利用DMD的高速空间光调制能力实现光栅的调制和平移,实现高精度、快速移相。基于光栅衍射不同级次干涉特性分析,提出了基于“光栅+消偏振分光棱镜”分光及偏振相移的双窗口分光同步相移干涉技术,利用光栅将入射光(物光和参考光)的频谱分成0和±1级,并引入消偏振分光棱镜分光技术和同步偏振相移技术,通过一次曝光采集获得四幅对比度均匀的相移干涉图,在保证相机带宽利用率的同时,可实现实时测量。在双窗口共光路干涉技术的基础上,为了降低系统的复杂度,提出了三窗口同步相移干涉技术,调整输入端双窗口为三窗口以及系统结构参数,通过一次曝光采集获得三幅相移干涉图,在保证相机带宽利用率和测量实时性的同时,不需外加任何分光元件和相移元件,大大简化系统结构。为了实现系统实时性与相机视场利用率的折衷,在对比分析时间相移与同步相移特点基础上,提出了一种双窗口双曝光相移干涉技术,利用偏振角度差为45°的偏振片调制输出端的干涉图,通过第一次曝光采集两幅相移干涉图,再利用移动光栅引入一个未知相移,通过第二次曝光采集另两幅相移干涉图,进而利用四步相移法恢复待测相位,为快速、高相机带宽利用率和视场利用率的干涉显微成像测量提供有效手段。在分析双窗口载波干涉理论基础上,提出了双窗口二同步载波相移干涉技术,利用偏振移相技术,通过一次曝光采集获得两幅载波相移干涉图,并利用差动相减技术消除零频分量的干扰,在保证系统实时性的同时,优化了相机带宽利用率。最后,在上述方法和技术基础上,引入显微成像技术以提高系统的横向分辨力,并构建了相应的实验测试系统,实现了几种不同类型相位物体的三维全场测量。