[发明专利]一种用于球面形貌特征检测的倍程式短相干瞬时移相干涉测量仪及测量方法

权利要求书

1.一种用于球面形貌特征检测的倍程式短相干瞬时移相干涉测量仪，其特征在于，它包括短相干激光器（1）、空间滤波器（2）、分光棱镜（3）、光纤耦合镜（4）、偏振分光棱镜（5）、λ/4波片（6）、4f扩束系统（7）、显微物镜（8）、平面反射镜（9）、单模光纤（10）、光纤准直镜（11）、直角反射镜（12）、角锥棱镜（13）、λ/2波片（14）、偏振分光棱镜（15）、第一平行分束镜（16）、第二平行分束镜（17）、波片组（18）、偏振片（19）、面阵CCD（20）和计算机（21），短相干激光器（1）发射出的线偏振激光束经空间滤波器（2）滤波扩束后入射至分光棱镜（3），线偏振激光束经分光棱镜（3）分为第一反射光和第一透射光，第一反射光入射至偏振光分棱镜（5），第一反射光在偏振光分棱镜（5）的分光面上完全透射形成第二透射光，第二透射光经λ/4波片（6）改变偏振方向后入射至4f扩束系统（7），改变偏振方向的第二透射光经入射至4f扩束系统（7）扩束后入射至显微物镜（8），扩束的第二透射光经显微物镜（8）会聚到被测微球的表面，

会聚的第二透射光的光束的会聚中心与被测微球的球心重合，并经被测微球沿会聚的第二透射光的光路反向入射至4f扩束系统（7），反向的第二透射光经4f扩束系统（7）处理后经λ/4波片（6）入射至偏振光分棱镜（5），反向的第二透射光在偏振光分棱镜（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镜（9），平面反射镜（9）将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镜（5），第三反射光在偏振光分棱镜（5）的分光面上完全反射，形成第四反射光，第四反射光经λ/4波片（6）改变偏振方向和4f扩束系统（7）扩束后入射至显微物镜（8），扩束的第四反射光经显微物镜（8）会聚到被测微球的表面，

会聚的第四反射光的光束会聚中心与被测微球的球心重合，并经被测微球沿会聚的第四反射光的光路反向入射至4f扩束系统（7），反向的第二透射光经4f扩束系统（7）处理后经λ/4波片（6）入射至偏振光分棱镜（5），反向的第四反射光在偏振光分棱镜（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镜（3），第三透射光在分光棱镜（3）的分光面上完全透射形成第四透射光，第四透射光经λ/2波片（14）改变偏振方向后入射至偏振分光棱镜（15），改变偏振方向的第四透射光在偏振分光棱镜（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纤耦合镜（4）进行耦合，耦合的第一透射光经单模光纤（10）入射至光纤准直镜（11）进行准直，准直的第一透射光经直角反射镜（12）和角锥棱镜（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镜（15）并在偏振分光棱镜（15）的分光面上完全反射形成第六反射光，第六反射光与第五透射光在偏振分光棱镜（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镜（16），经第一平行分束镜（16）分为平行的两束光，平行的两束光经过第二平行分束镜（17）分为平行的四束光，平行的四束光经波片组（18）和偏振片（19）入射至面阵CCD（20），计算机（21）的图像信号输入端与面阵CCD（20）的图像信号输出端连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于球面形貌特征检测的倍程式短相干瞬时移相干涉测量仪，其特征在于，所述第一平行分束镜（16）的分光比为1:1。

3.根据权利要求1所述的一种用于球面形貌特征检测的倍程式短相干瞬时移相干涉测量仪，其特征在于，所述第二平行分束镜（17）的分光比为1:1:1:1。

4.根据权利要求1所述的一种用于球面形貌特征检测的倍程式短相干瞬时移相干涉测量仪，其特征在于，所述单模光纤（11）的纤芯直径为1.8μm-2.2μm。

5.根据权利要求1所述的一种用于球面形貌特征检测的倍程式短相干瞬时移相干涉测量仪，其特征在于，所述面阵CCD（21）的分辨率为2048×2048，像元尺寸为7μm，最大支持位深为10位。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种用于球面形貌特征检测的倍程式短相干瞬时移相干涉测量仪的测量方法，其特征在于，它是由以下方式实现的：

将合束光束入射至第一平行分束镜（16），将所述合束光束分为两束平行光，所述两束平行光入射至第二平行分束镜（17），由第二平行分束镜（17）分为四束平行光，所述四束平行光经波片组（18）入射至偏振片（19）进行检偏并产生相干光，在面阵CCD（20）上同时形成四幅干涉条纹图样，干涉场光强分布表示为：

式中，(x,y)为面阵CCD（18）上的像素坐标，a_(x,y)为条纹光强的直流分量，b_(x,y)为条纹光强的交流分量，φ_(x,y)为第一反射光与第一透射光的初始相位差，为引入的相位可变量；

计算机（21）通过图像处理的方法确定面阵CCD（20）上的四幅干涉图样的中心，获得四幅干涉图间的坐标关系，并按照所述坐标关系在每幅干涉图样上各取一点，将取到的四点光强联立得：

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]]]>

将上述公式整理得：

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)]]]>

整理后的方程组求解，得：

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

最后通过公式：

λ为短相干激光器（1）发射激光的波长，计算出测量表面偏离理想参考面的高度差△H_(x,y)，将该高度差作为球面形貌的检测结果，完成对球面形貌的检测。