[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

说明书

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，具体涉及光学检测空间物体三维形貌的技术领域。

背景技术

微小球面作为最常用的元器件形态之一，被应用于航天、军事、工业、医疗等诸多领域，其表面面型精度对其性能有着至关重要的影响。传统的检测手段，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，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，受机械运动误差影响严重，同时由于采用单点式扫描测量，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。而检测范围相对较大的干涉式测量方法又需要理想球面作为参考面，存在着参考面精度不高，制造困难等问题。此外，传统移相干涉测量方法对杂散光干扰、环境振动、空气扰动等因素较为敏感，影响干涉系统的测量精度。

发明内容

本发明为了解决传统时域移相干涉测量装置存在单次测量检测范围过小、测量精度低和容易受到环境因素影响的问题，提供了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。

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，它包括短相干激光器、空间滤波器、分光棱镜、光纤耦合镜、偏振分光棱镜、λ/4波片、4f扩束系统、显微物镜、平面反射镜、单模光纤、光纤准直镜、直角反射镜、角锥棱镜、λ/2波片、偏振分光棱镜、第一平行分束镜、第二平行分束镜、波片组、偏振片、面阵CCD和计算机，短相干激光器发射出的线偏振激光束经空间滤波器滤波扩束后入射至分光棱镜，线偏振激光束经分光棱镜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，第一反射光在偏振光分棱镜的分光面上完全透射形成第二透射光，第二透射光经λ/4波片改变偏振方向后入射至4f扩束系统，改变偏振方向的第二透射光经入射至4f扩束系统扩束后入射至显微物镜，扩束的第二透射光经显微物镜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，反向的第二透射光经4f扩束系统处理后经λ/4波片入射至偏振光分棱镜，反向的第二透射光在偏振光分棱镜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，平面反射镜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，第三反射光在偏振光分棱镜的分光面上完全反射，形成第四反射光，第四反射光经λ/4波片改变偏振方向和4f扩束系统扩束后入射至显微物镜，扩束的第四反射光经显微物镜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，反向的第二透射光经4f扩束系统处理后经λ/4波片入射至偏振光分棱镜，反向的第四反射光在偏振光分棱镜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，第三透射光在分光棱镜的分光面上完全透射形成第四透射光，第四透射光经λ/2波片改变偏振方向后入射至偏振分光棱镜，改变偏振方向的第四透射光在偏振分光棱镜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进行耦合，耦合的第一透射光经单模光纤入射至光纤准直镜进行准直，准直的第一透射光经直角反射镜和角锥棱镜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并在偏振分光棱镜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，经第一平行分束镜分为平行的两束光，平行的两束光经过第二平行分束镜分为平行的四束光，平行的四束光经波片组和偏振片入射至面阵CCD，计算机的图像信号输入端与面阵CCD的图像信号输出端连接。

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的区别在于，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，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，由第二平行分束镜分为四束平行光，所述四束平行光经波片组入射至偏振片进行检偏并产生相干光，在面阵CCD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；