[发明专利]用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量仪及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量仪及测量方法，属于空间物体三维形貌的光学检测技术领域。

背景技术

微小球面作为最常用的元器件形态之一，被广泛应用于航天、军事、工业、医疗等领域，微小球面的表面面型精度对其性能有着至关重要的影响。传统对微小球面的检测手段，如原子力显微镜、共聚焦显微镜等虽然具有很高的纵向测量精度，但当单次测量范围非常小，且需要配合高精度机械扫描运动装置才能实现整体三维形貌测量时，检测结果受机械运动误差影响严重，同时由于采用单点式扫描测量，还存在检测效率低、横向分辨能力差、孤立缺陷点容易遗漏等问题。而对于检测范围相对较大的干涉式测量方法，需要理想球面作为参考面，又会存在参考面精度不高，制造困难等问题，同时由于杂散光的影响，使得干涉场对比度较低，条纹难于分辨，影响测量精度。

发明内容

本发明的目的是解决传统对微小球面的检测手段存在的单次测量检测范围小及参考面理想球面制造困难的问题，提供一种用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量仪及测量方法。

本发明所述用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量仪，它包括短相干激光器、二分之一波片、起偏器、第一四分之一波片、第二四分之一波片、直角延迟棱镜、偏振分光镜、检偏器、光纤耦合器、单模单芯光纤、直角移相棱镜、汇聚透镜、针孔片、刀口反射镜、显微物镜、大尺寸CCD和计算机，

短相干激光器的出射激光束经二分之一波片和起偏器形成偏振光，该偏振光入射至偏振分光镜后被分为两束，其中透射光束经第二四分之一波片后入射至直角移相棱镜，该直角移相棱镜反射的光束作为参考光束入射至第二四分之一波片，经第二四分之一波片透射后入射至偏振分光镜，

经偏振分光镜的反射光束经第一四分之一波片入射至直角延迟棱镜，该直角延迟棱镜反射的光束作为测量光束入射至第一四分之一波片，经第一四分之一波片透射后入射至偏振分光镜，

所述参考光束和测量光束在偏振分光镜上会合后入射至检偏器，经该检偏器形成线偏振光，该线偏振光通过光纤耦合器耦合后进入单模单芯光纤，在单模单芯光纤的出射端形成近似球面波，该近似球面波发射至汇聚透镜，经该汇聚透镜透射后形成高斯光束，该高斯光束汇聚至针孔片的针孔处，经针孔片衍射后获得理想球面波；

该理想球面波的二分之一被刀口反射镜反射到大尺寸CCD上作为参考光束，该理想球面波的另外二分之一经显微物镜汇聚到被测微小球面上，经被测微小球表面反射的反射光束沿原光路返回、并汇聚至针孔片，经针孔片反射的反射光被刀口反射镜反射到大尺寸CCD上作为测量光束，

大尺寸CCD的信号输出端连接计算机的信号输入端。

所述衍射干涉测量仪还包括真空吸附二维转台，所述真空吸附二维转台用于放置被测微小球，真空吸附二维转台的转台控制信号输入端连接计算机的二维转台控制信号输出端。

所述衍射干涉测量仪还包括微位移驱动平台、所述微位移驱动平台的台面刚性连接直角移相棱镜，微位移驱动平台的位移控制信号输入端连接计算机的位移控制信号输出端。

所述针孔片与显微物镜相对侧的表面镀有波长523nm的高反射率膜层。

所述显微物镜的主光轴通过针孔片的针孔中心，并与针孔片的法线方向呈10°夹角。

所述短相干激光器的出射激光波长523.8nm，相干长度2mm。

所述显微物镜采用20倍的放大物镜。

所述大尺寸CCD的型号为F421B；所述针孔片的针孔直径为3μm。

本发明所述基于上述用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量仪的测量方法，

步骤一、短相干激光器发出激光光束，该激光光束的波长为523.8nm，其相干长度为2mm；

偏振分光镜将其入射的偏振光分为透射光束和反射光束，其中透射光束经第二四分之一波片和直角移相棱镜后其偏振方向旋转90度，该光束作为参考光束，再次入射至偏振分光镜；

所述偏振分光镜的反射光束经第一四分之一波片和直角延迟棱镜后其偏振方向旋转90度，该光束作为测量光束，再次入射至偏振分光镜；

经过针孔片后形成的参考光束和测量光束在大尺寸CCD上相干涉；