[發(fā)明專利]一種基于數(shù)字全息的高數(shù)值孔徑半球面形檢測(cè)系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510853973.4
• 申請(qǐng)日: 2015-11-30
• 公開（公告）號(hào): CN105300312A
• 公開（公告）日: 2016-02-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 潘鋒;肖文;呂曉云;董斌;侯雪琴;車?yán)倨?/a>
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/24
• 分類號(hào): G01B11/24;G01B9/023
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實(shí)專利事務(wù)所 11121
• 代理人: 趙文穎

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種半球面形的三維形貌檢測(cè)系統(tǒng)，更特別地說，是指一種針對(duì)大相對(duì)口徑、大曲率的半球面形的數(shù)字全息高數(shù)值孔徑三維形貌檢測(cè)系統(tǒng)，屬于光學(xué)精密檢測(cè)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

目前，半球面形的三維形貌檢測(cè)技術(shù)主要有接觸式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、光學(xué)干涉檢測(cè)技術(shù)等，光學(xué)干涉檢測(cè)技術(shù)中干涉儀的應(yīng)用最為廣泛。數(shù)字全息技術(shù)利用CCD、CMOS等光電成像探測(cè)器件作為記錄介質(zhì)來記錄全息圖，以數(shù)字形式存儲(chǔ)，并利用計(jì)算機(jī)以數(shù)字方法模擬再現(xiàn)光學(xué)衍射過程，重構(gòu)三維光場(chǎng)，同時(shí)獲得光場(chǎng)的振幅和相位信息。其優(yōu)點(diǎn)包括：(1)以非接觸方式檢測(cè)，對(duì)被測(cè)物體表面完全無損；(2)記錄與再現(xiàn)過程都以數(shù)字化形式完成，便于對(duì)球面面形的三維信息進(jìn)行定量分析及數(shù)字處理；(3)在數(shù)字重構(gòu)過程中，可方便地運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)改善數(shù)據(jù)質(zhì)量。在專利CN201410152708提出的一種基于子孔徑相位拼接的數(shù)字全息球面面型檢測(cè)裝置中，雖然采用數(shù)字全息技術(shù)，但是在其中采用球面標(biāo)準(zhǔn)鏡為被測(cè)球面生成球面照明光，該球面鏡不能對(duì)光束進(jìn)行擴(kuò)束和高度會(huì)聚，輸出光束的孔徑角較小，對(duì)大相對(duì)口徑、大曲率球面測(cè)量來說需要多次移動(dòng)被測(cè)物體相對(duì)于光路的位置，測(cè)量過程較為復(fù)雜且會(huì)引入較大的測(cè)量誤差；而且不能對(duì)平行度進(jìn)行調(diào)整，因此系統(tǒng)像差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響較大；采用532nm激光器提供照明，該波長(zhǎng)對(duì)球面的表面微形貌來說測(cè)量范圍較小，因此分辨率降低；五維調(diào)整安裝平臺(tái)的單向移動(dòng)范圍較??；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不夠緊湊，裝配比較復(fù)雜。

為了將數(shù)字全息技術(shù)應(yīng)用于大相對(duì)口徑、大曲率的半球面形的三維形貌檢測(cè)，并獲得高精度的測(cè)量結(jié)果，需要解決一些技術(shù)問題：(1)對(duì)于大相對(duì)口徑、大曲率的三維半球表面來說，由于光束方向與光束口徑的限制，單次測(cè)量無法完成對(duì)大相對(duì)口徑、大曲率的半球表面面形的檢測(cè)；(2)在檢測(cè)過程中，為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，出射光線會(huì)聚的焦點(diǎn)需要與半球工裝的球心完全重合；(3)測(cè)量過程中，被測(cè)球面相對(duì)于光軸的準(zhǔn)確定位；(4)檢測(cè)系統(tǒng)的合理性設(shè)計(jì)，穩(wěn)定性高，便于操作，測(cè)量精度高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決上述問題，設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字全息的高數(shù)值孔徑半球面形檢測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用數(shù)字全息技術(shù)，設(shè)計(jì)了數(shù)字全息檢測(cè)光路，并且設(shè)計(jì)了一個(gè)與之匹配的高數(shù)值孔徑標(biāo)準(zhǔn)會(huì)聚球面波產(chǎn)生裝置，能夠接收數(shù)字全息檢測(cè)光路出射的光束并對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，輸出為高數(shù)值孔徑的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)聚球面波，為被測(cè)半球工裝提供照明，這樣使得輸出的會(huì)聚光束有效匹配被測(cè)半球面大相對(duì)口徑、大曲率的特性，提高測(cè)量精度。而且，測(cè)量中結(jié)合子孔徑拼接檢測(cè)技術(shù)，針對(duì)子孔徑獲取過程中被測(cè)半球工裝的移動(dòng)設(shè)計(jì)了一個(gè)組合機(jī)械定位臺(tái)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝組合方便，定位精度高，可用于大相對(duì)口徑、大曲率的半球形物體的表面三維形貌的高精度檢測(cè)。

本發(fā)明的一種基于數(shù)字全息的高數(shù)值孔徑半球面形檢測(cè)系統(tǒng)，包括全息檢測(cè)光路、高數(shù)值孔徑標(biāo)準(zhǔn)會(huì)聚球面波產(chǎn)生裝置、半球工裝、4維組合機(jī)械定位臺(tái)，半球工裝即被測(cè)對(duì)象；

全息檢測(cè)光路包括激光光源、A半波片、偏振分光棱鏡、B半波片、第一光束準(zhǔn)直單元、第二光束準(zhǔn)直單元、光束偏轉(zhuǎn)單元和CCD相機(jī)；

高數(shù)值孔徑標(biāo)準(zhǔn)會(huì)聚球面波產(chǎn)生裝置包括5倍擴(kuò)束鏡和小F數(shù)激光鏡頭；

4維組合機(jī)械定位臺(tái)包括水平方向二維平移臺(tái)、垂直方向一維平移臺(tái)和一維旋轉(zhuǎn)臺(tái)；