[發明專利]一種用于微小球面表面輪廓檢測的倍程式移相衍射干涉測量儀及測量方法

有效

• 申請號: 201310316915.9
• 申請日: 2013-07-25
• 公開（公告）號: CN103344198A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發明（設計）人: 鳳東;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: G01B11/24
• 分類號: 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

技術領域

本發明涉及光學檢測領域，具體涉及光學檢測空間物體三維形貌的技術領域。

背景技術

微小球面作為最常用的元器件形態之一，被應用于航天、軍事、工業、醫療等諸多領域，其表面面型精度對其性能有著至關重要的影響。傳統的檢測手段，如原子力顯微鏡、共聚焦顯微鏡等雖然具有很高的縱向測量精度，當單次測量范圍非常小，且需要配合高精度機械掃描運動裝置才能實現整體三維形貌測量，受機械運動誤差影響嚴重，同時由于采用單點式掃描測量，存在檢測效率低、橫向分辨能力差、孤立缺陷點容易遺漏等問題。而檢測范圍相對較大的干涉式測量方法又需要理想球面作為參考面，存在著參考面精度不高，制造困難等問題。此外，傳統移相干涉測量方法對雜散光干擾、環境振動、空氣擾動等因素較為敏感，影響干涉系統的測量精度。

發明內容

本發明為了解決傳統時域移相干涉測量裝置存在單次測量檢測范圍過小和測量精度低的問題，提供了一種用于微小球面表面輪廓檢測的倍程式移相衍射干涉測量儀及測量方法。

一種用于微小球面表面輪廓檢測的倍程式移相衍射干涉測量儀，它包括短相干激光器、空間濾波器、分光棱鏡、直角反射鏡、偏振分光棱鏡、λ/4波片、4f擴束系統、顯微物鏡、平面反射鏡、角錐棱鏡、移相器、光纖耦合鏡、單模光纖和光纖準直鏡、λ/2波片、偏振分光棱鏡、偏振片、面陣CCD和計算機，短相干激光器發射出的線偏振激光束經空間濾波器濾波擴束后入射至分光棱鏡，線偏振激光束經分光棱鏡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，第一反射光在偏振光分棱鏡的分光面上完全透射形成第二透射光，第二透射光經λ/4波片改變偏振方向后入射至4f擴束系統，改變偏振方向的第二透射光經入射至4f擴束系統，經4f擴束系統擴束后入射至顯微物鏡，擴束的第二透射光經顯微物鏡會聚到被測微球的表面，

會聚的第二透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二透射光的光路反向入射至4f擴束系統，反向的第二透射光經4f擴束系統處理后經λ/4波片入射至偏振光分棱鏡，反向的第二透射光在偏振光分棱鏡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，平面反射鏡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，第三反射光在偏振分光棱鏡的分光面上完全反射，形成第四反射光，第四反射光經λ/4波片改變偏振方向和4f擴束系統擴束后入射至顯微物鏡，擴束的第四反射光經顯微物鏡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，反向的第二透射光經4f擴束系統處理后經λ/4波片入射至偏振光分棱鏡，反向的第四反射光在偏振光分棱鏡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，第三透射光在分光棱鏡的分光面上完全透射形成第四透射光，第四透射光經λ/2波片改變偏振方向后入射至偏振分光棱鏡，改變偏振方向的第四透射光在偏振分光棱鏡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，第一透射光經直角反射鏡和角錐棱鏡的反射后形成第五反射光，移相器安裝在角錐棱鏡上，將第五反射光入射至光纖耦合鏡進行耦合，耦合的第五反射光經單模光纖入射至光纖準直鏡進行準直，將準直后的第五反射光入射至偏振分光棱鏡并在偏振分光棱鏡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的分光面上合束，形成合束光束，

合束光束入射至偏振片，合束光束經偏振片進行檢偏后入射至面陣CCD，計算機的圖像信號輸入端與面陣CCD的圖像信號輸出端連接。

一種用于微小球面表面輪廓檢測的倍程式移相衍射干涉測量儀的測量方法的區別在于，它是由以下方式實現的：

所述合束光束經偏振片進行檢偏并產生相干光后射在面陣CCD上，通過計算機控制移相器移動，使面陣CCD接收相干光并產生明暗變化的干涉圖樣，根據短相干激光器發射的激光的波長確定移相器每次移動的距離，計算機控制移相器移動三次，每次移動π/2步長，面陣CCD采集到四幅干涉圖樣，干涉場光強分布表示為：

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