[發(fā)明專利]一種用于微小球面表面輪廓檢測(cè)的倍程式移相衍射干涉測(cè)量?jī)x及測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310316915.9
• 申請(qǐng)日: 2013-07-25
• 公開（公告）號(hào): CN103344198A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鳳東;盧丙輝;甘雨;莊志濤;馮博
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/24
• 分類號(hào): G01B11/24
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 張宏威

1.一種用于微小球面表面輪廓檢測(cè)的倍程式移相衍射干涉測(cè)量?jī)x，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）、直角反射鏡（4）、偏振分光棱鏡（5）、λ/4波片（6）、4f擴(kuò)束系統(tǒng)（7）、顯微物鏡（8）、平面反射鏡（9）、角錐棱鏡（10）、移相器（11）、光纖耦合鏡（12）、單模光纖（13）和光纖準(zhǔn)直鏡（14）、λ/2波片（15）、偏振分光棱鏡（16）、偏振片（17）、面陣CCD（18）和計(jì)算機(jī)（19），短相干激光器（1）發(fā)射出的線偏振激光束經(jīng)空間濾波器（2）濾波擴(kuò)束后入射至分光棱鏡（3），線偏振激光束經(jīng)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(jīng)λ/4波片（6）改變偏振方向后入射至4f擴(kuò)束系統(tǒng)（7），改變偏振方向的第二透射光經(jīng)入射至4f擴(kuò)束系統(tǒng)（7），經(jīng)4f擴(kuò)束系統(tǒng)（7）擴(kuò)束后入射至顯微物鏡（8），擴(kuò)束的第二透射光經(jīng)顯微物鏡（8）會(huì)聚到被測(cè)微球的表面，

會(huì)聚的第二透射光的光束會(huì)聚中心與被測(cè)微球的球心重合，并經(jīng)被測(cè)微球沿會(huì)聚的第二透射光的光路反向入射至4f擴(kuò)束系統(tǒng)（7），反向的第二透射光經(jīng)4f擴(kuò)束系統(tǒng)（7）處理后經(jīng)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，第二反射光垂直入射至平面反射鏡（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光分棱鏡（5），第三反射光在偏振分光棱鏡（5）的分光面上完全反射，形成第四反射光，第四反射光經(jīng)λ/4波片（6）改變偏振方向和4f擴(kuò)束系統(tǒng)（7）擴(kuò)束后入射至顯微物鏡（8），擴(kuò)束的第四反射光經(jīng)顯微物鏡（8）會(huì)聚到被測(cè)微球的表面，

會(huì)聚的第四反射光的光束會(huì)聚中心與被測(cè)微球的球心重合，并經(jīng)被測(cè)微球沿會(huì)聚的第四反射光的光路反向入射至4f擴(kuò)束系統(tǒng)（7），反向的第二透射光經(jīng)4f擴(kuò)束系統(tǒng)（7）處理后經(jīng)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(jīng)λ/2波片（15）改變偏振方向后入射至偏振分光棱鏡（16），改變偏振方向的第四透射光在偏振分光棱鏡（16）的分光面上完全透射形成第五透射光，

第一透射光入射至直角反射鏡（4），第一透射光經(jīng)直角反射鏡（4）和角錐棱鏡（10）的反射后形成第五反射光，移相器（11）安裝在角錐棱鏡（10）上，將第五反射光入射至光纖耦合鏡（12）進(jìn)行耦合，耦合的第五反射光經(jīng)單模光纖（13）入射至光纖準(zhǔn)直鏡（14）進(jìn)行準(zhǔn)直，將準(zhǔn)直后的第五反射光入射至偏振分光棱鏡（16）并在偏振分光棱鏡（16）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（16）的分光面上合束，形成合束光束，

合束光束入射至偏振片（17），合束光束經(jīng)偏振片（17）進(jìn)行檢偏后入射至面陣CCD（18），計(jì)算機(jī)（19）的圖像信號(hào)輸入端與面陣CCD（18）的圖像信號(hào)輸出端連接。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微小球面表面輪廓檢測(cè)的倍程式移相衍射干涉測(cè)量?jī)x，其特征在于，移相器（11）的移相控制信號(hào)輸入端與計(jì)算機(jī)（19）的移相控制信號(hào)的移相控制信號(hào)輸出端連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微小球面表面輪廓檢測(cè)的倍程式移相衍射干涉測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述單模光纖（13）的纖芯直徑為1.5μm-2μm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微小球面表面輪廓檢測(cè)的倍程式移相衍射干涉測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述面陣CCD（18）的分辨率為2048×2048，像元尺寸為7μm，最大支持位深為10位。

5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的一種用于微小球面表面輪廓檢測(cè)的倍程式移相衍射干涉測(cè)量?jī)x的測(cè)量方法，其特征在于，它是由以下方式實(shí)現(xiàn)的：

所述合束光束經(jīng)偏振片（17）進(jìn)行檢偏并產(chǎn)生相干光后射在面陣CCD（18）上，通過(guò)計(jì)算機(jī)（19）控制移相器（11）移動(dòng)，使面陣CCD（18）接收相干光并產(chǎn)生明暗變化的干涉圖樣，根據(jù)短相干激光器（1）發(fā)射的激光的波長(zhǎng)確定移相器（11）每次移動(dòng)的距離，計(jì)算機(jī)（19）控制移相器（11）移動(dòng)三次，每次移動(dòng)π/2步長(zhǎng)，面陣CCD（18）采集到四幅干涉圖樣，干涉場(chǎng)光強(qiáng)分布表示為：

式中，(x,y)為面陣CCD（18）上的像素坐標(biāo)，A_(x,y)為條紋光強(qiáng)的直流分量，γ_(x,y)為條紋的對(duì)比度，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；

令移相器（11）實(shí)際移相步長(zhǎng)為(1-ε)×π/2，其中，ε為線性誤差因子，以初始第一幀為基準(zhǔn)，則移相器（11）的移相量分別為0、(1-ε)×π/2、2×(1-ε)×π/2和3×(1-ε)×π/2，令(1-ε)×π/2=β，得到四幀光強(qiáng)方程組：

I1(x,y)=A(x,y)[1+γ(x,y)·cos(φ(x,y)+0·β)]I2(x,y)=A(x,y)[1+γ(x,y)·cos(φ(x,y)+1·β)]I3(x,y)=A(x,y)[1+γ(x,y)·cos(φ(x,y)+2·β)]I4(x,y)=A(x,y)[1+γ(x,y)·cos(φ(x,y)+3·β)]]]>

由前三幀的方程解得：

tan(φ(x,y)+β)=tan(β/2)·I1(x,y)-I3(x,y)2I2(x,y)-I1(x,y)-I3(x,y)]]>

由后三幀的方程解得：

tan(φ(x,y)+2β)=tan(β/2)·I2(x,y)-I4(x,y)2I3(x,y)-I2(x,y)-I4(x,y)]]>

令I1(x,y)-I3(x,y)2I2(x,y)-I1(x,y)-I3(x,y)=Ia,]]>I2(x,y)-I4(x,y)2I3(x,y)-I2(x,y)-I4(x,y)=Ib,]]>

公式變形為：

tan(φ_(x,y)+β)=tan(β/2)·I_a

tan(φ_(x,y)+2β)=tan(β/2)·I_b

將上述兩個(gè)變形后的公式聯(lián)立解得：

φ(x,y)=arctan(Ia-Ib+2Ia-Ib-2·Ia·Ib·Ia)-2·arctan(Ia-Ib+2Ia-Ib-2·Ia·Ib)]]>

進(jìn)而計(jì)算出測(cè)量表面偏離理想?yún)⒖济娴母叨炔睿?/p>

λ為短相干激光器（1）發(fā)射激光的波長(zhǎng)，計(jì)算出測(cè)量表面偏離理想?yún)⒖济娴母叨炔睢鱄_(x,y)，將該高度差作為球面形貌的檢測(cè)結(jié)果，完成對(duì)球面形貌的檢測(cè)。