[發明專利]一種用于球面形貌特征檢測的倍程式短相干瞬時移相干涉測量儀及測量方法

有效

• 申請號: 201310316913.X
• 申請日: 2013-07-25
• 公開（公告）號: CN103344176A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發明（設計）人: 劉國棟;盧丙輝;甘雨;莊志濤;馮博
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01B9/02
• 分類號: G01B9/02;G01B11/24
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 張宏威

1.一種用于球面形貌特征檢測的倍程式短相干瞬時移相干涉測量儀，其特征在于，它包括短相干激光器（1）、空間濾波器（2）、分光棱鏡（3）、光纖耦合鏡（4）、偏振分光棱鏡（5）、λ/4波片（6）、4f擴束系統（7）、顯微物鏡（8）、平面反射鏡（9）、單模光纖（10）、光纖準直鏡（11）、直角反射鏡（12）、角錐棱鏡（13）、λ/2波片（14）、偏振分光棱鏡（15）、第一平行分束鏡（16）、第二平行分束鏡（17）、波片組（18）、偏振片（19）、面陣CCD（20）和計算機（21），短相干激光器（1）發射出的線偏振激光束經空間濾波器（2）濾波擴束后入射至分光棱鏡（3），線偏振激光束經分光棱鏡（3）分為第一反射光和第一透射光，第一反射光入射至偏振光分棱鏡（5），第一反射光在偏振光分棱鏡（5）的分光面上完全透射形成第二透射光，第二透射光經λ/4波片（6）改變偏振方向后入射至4f擴束系統（7），改變偏振方向的第二透射光經入射至4f擴束系統（7）擴束后入射至顯微物鏡（8），擴束的第二透射光經顯微物鏡（8）會聚到被測微球的表面，

會聚的第二透射光的光束的會聚中心與被測微球的球心重合，并經被測微球沿會聚的第二透射光的光路反向入射至4f擴束系統（7），反向的第二透射光經4f擴束系統（7）處理后經λ/4波片（6）入射至偏振光分棱鏡（5），反向的第二透射光在偏振光分棱鏡（5）的分光面上完全反射，形成第二反射光，第二反射光入射至平面反射鏡（9），平面反射鏡（9）將第二反射光原路反射，形成第三反射光，第三反射光入射至偏振分光棱鏡（5），第三反射光在偏振光分棱鏡（5）的分光面上完全反射，形成第四反射光，第四反射光經λ/4波片（6）改變偏振方向和4f擴束系統（7）擴束后入射至顯微物鏡（8），擴束的第四反射光經顯微物鏡（8）會聚到被測微球的表面，

會聚的第四反射光的光束會聚中心與被測微球的球心重合，并經被測微球沿會聚的第四反射光的光路反向入射至4f擴束系統（7），反向的第二透射光經4f擴束系統（7）處理后經λ/4波片（6）入射至偏振光分棱鏡（5），反向的第四反射光在偏振光分棱鏡（5）的分光面上完全透射形成第三透射光，第三透射光入射至分光棱鏡（3），第三透射光在分光棱鏡（3）的分光面上完全透射形成第四透射光，第四透射光經λ/2波片（14）改變偏振方向后入射至偏振分光棱鏡（15），改變偏振方向的第四透射光在偏振分光棱鏡（15）的分光面上完全透射形成第五透射光，

第一透射光入射至光纖耦合鏡（4）進行耦合，耦合的第一透射光經單模光纖（10）入射至光纖準直鏡（11）進行準直，準直的第一透射光經直角反射鏡（12）和角錐棱鏡（13）的反射后形成第五反射光，第五反射光入射至偏振分光棱鏡（15）并在偏振分光棱鏡（15）的分光面上完全反射形成第六反射光，第六反射光與第五透射光在偏振分光棱鏡（15）的分光面上合束，形成合束光束，

合束光束入射至第一平行分束鏡（16），經第一平行分束鏡（16）分為平行的兩束光，平行的兩束光經過第二平行分束鏡（17）分為平行的四束光，平行的四束光經波片組（18）和偏振片（19）入射至面陣CCD（20），計算機（21）的圖像信號輸入端與面陣CCD（20）的圖像信號輸出端連接。

2.根據權利要求1所述的一種用于球面形貌特征檢測的倍程式短相干瞬時移相干涉測量儀，其特征在于，所述第一平行分束鏡（16）的分光比為1:1。

3.根據權利要求1所述的一種用于球面形貌特征檢測的倍程式短相干瞬時移相干涉測量儀，其特征在于，所述第二平行分束鏡（17）的分光比為1:1:1:1。

4.根據權利要求1所述的一種用于球面形貌特征檢測的倍程式短相干瞬時移相干涉測量儀，其特征在于，所述單模光纖（11）的纖芯直徑為1.8μm-2.2μm。

5.根據權利要求1所述的一種用于球面形貌特征檢測的倍程式短相干瞬時移相干涉測量儀，其特征在于，所述面陣CCD（21）的分辨率為2048×2048，像元尺寸為7μm，最大支持位深為10位。

6.根據權利要求1-5任一項所述的一種用于球面形貌特征檢測的倍程式短相干瞬時移相干涉測量儀的測量方法，其特征在于，它是由以下方式實現的：

將合束光束入射至第一平行分束鏡（16），將所述合束光束分為兩束平行光，所述兩束平行光入射至第二平行分束鏡（17），由第二平行分束鏡（17）分為四束平行光，所述四束平行光經波片組（18）入射至偏振片（19）進行檢偏并產生相干光，在面陣CCD（20）上同時形成四幅干涉條紋圖樣，干涉場光強分布表示為：

式中，(x,y)為面陣CCD（18）上的像素坐標，a_(x,y)為條紋光強的直流分量，b_(x,y)為條紋光強的交流分量，φ_(x,y)為第一反射光與第一透射光的初始相位差，為引入的相位可變量；

計算機（21）通過圖像處理的方法確定面陣CCD（20）上的四幅干涉圖樣的中心，獲得四幅干涉圖間的坐標關系，并按照所述坐標關系在每幅干涉圖樣上各取一點，將取到的四點光強聯立得：

I1(x,y)=a(x,y)+b(x,y)cos[φ(x,y)]I2(x,y)=a(x,y)+b(x,y)cos[φ(x,y)+π/2]I3(x,y)=a(x,y)+b(x,y)cos[φ(x,y)+π]I4(x,y)=a(x,y)+b(x,y)cos[φ(x,y)+3π/2]]]>

將上述公式整理得：

I1(x,y)=a(x,y)+b(x,y)cos[φ(x,y)]I2(x,y)=a(x,y)-b(x,y)sin[φ(x,y)]I3(x,y)=a(x,y)-b(x,y)cos[φ(x,y)]I4(x,y)=a(x,y)+b(x,y)sin[φ(x,y)]]]>

整理后的方程組求解，得：

φ(x,y)=arctanI4(x,y)-I2(x,y)I1(x,y)-I3(x,y)]]>

最后通過公式：

λ為短相干激光器（1）發射激光的波長，計算出測量表面偏離理想參考面的高度差△H_(x,y)，將該高度差作為球面形貌的檢測結果，完成對球面形貌的檢測。