[发明专利]一种基于数字全息的高数值孔径半球面形检测系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种半球面形的三维形貌检测系统，更特别地说，是指一种针对大相对口径、大曲率的半球面形的数字全息高数值孔径三维形貌检测系统，属于光学精密检测领域。

背景技术

目前，半球面形的三维形貌检测技术主要有接触式三坐标测量仪、光学干涉检测技术等，光学干涉检测技术中干涉仪的应用最为广泛。数字全息技术利用CCD、CMOS等光电成像探测器件作为记录介质来记录全息图，以数字形式存储，并利用计算机以数字方法模拟再现光学衍射过程，重构三维光场，同时获得光场的振幅和相位信息。其优点包括：(1)以非接触方式检测，对被测物体表面完全无损；(2)记录与再现过程都以数字化形式完成，便于对球面面形的三维信息进行定量分析及数字处理；(3)在数字重构过程中，可方便地运用数字图像处理技术改善数据质量。在专利CN201410152708提出的一种基于子孔径相位拼接的数字全息球面面型检测装置中，虽然采用数字全息技术，但是在其中采用球面标准镜为被测球面生成球面照明光，该球面镜不能对光束进行扩束和高度会聚，输出光束的孔径角较小，对大相对口径、大曲率球面测量来说需要多次移动被测物体相对于光路的位置，测量过程较为复杂且会引入较大的测量误差；而且不能对平行度进行调整，因此系统像差对测量结果的影响较大；采用532nm激光器提供照明，该波长对球面的表面微形貌来说测量范围较小，因此分辨率降低；五维调整安装平台的单向移动范围较小；系统结构不够紧凑，装配比较复杂。

为了将数字全息技术应用于大相对口径、大曲率的半球面形的三维形貌检测，并获得高精度的测量结果，需要解决一些技术问题：(1)对于大相对口径、大曲率的三维半球表面来说，由于光束方向与光束口径的限制，单次测量无法完成对大相对口径、大曲率的半球表面面形的检测；(2)在检测过程中，为保证测量的准确性，出射光线会聚的焦点需要与半球工装的球心完全重合；(3)测量过程中，被测球面相对于光轴的准确定位；(4)检测系统的合理性设计，稳定性高，便于操作，测量精度高。

发明内容

本发明为了解决上述问题，设计了一种基于数字全息的高数值孔径半球面形检测系统。本系统采用数字全息技术，设计了数字全息检测光路，并且设计了一个与之匹配的高数值孔径标准会聚球面波产生装置，能够接收数字全息检测光路出射的光束并对其进行调整，输出为高数值孔径的标准会聚球面波，为被测半球工装提供照明，这样使得输出的会聚光束有效匹配被测半球面大相对口径、大曲率的特性，提高测量精度。而且，测量中结合子孔径拼接检测技术，针对子孔径获取过程中被测半球工装的移动设计了一个组合机械定位台，结构简单，拆装组合方便，定位精度高，可用于大相对口径、大曲率的半球形物体的表面三维形貌的高精度检测。

本发明的一种基于数字全息的高数值孔径半球面形检测系统，包括全息检测光路、高数值孔径标准会聚球面波产生装置、半球工装、4维组合机械定位台，半球工装即被测对象；

全息检测光路包括激光光源、A半波片、偏振分光棱镜、B半波片、第一光束准直单元、第二光束准直单元、光束偏转单元和CCD相机；

高数值孔径标准会聚球面波产生装置包括5倍扩束镜和小F数激光镜头；

4维组合机械定位台包括水平方向二维平移台、垂直方向一维平移台和一维旋转台；