[发明专利]一种光学偏折显微表面测量装置及方法

权利要求书

1.一种光学偏折显微表面测量装置，其特征在于，所述测量装置包括投影屏、分光棱镜、待测元件、显微物镜、成像透镜、CCD探测器和计算机，其中，所述待测元件置于所述分光棱镜的下方，所述投影屏设于所述分光棱镜的左侧并使二者平行，所述显微物镜、成像透镜和CCD探测器依次设于所述分光棱镜的上方，所述计算机产生一正弦条纹光信号，所述正弦条纹信号光经过所述分光棱镜投射至所述待测元件，经过所述待测元件的表面回返至所述分光棱镜，并经过所述显微物镜和成像透镜进行汇聚成一汇聚光束，所述汇聚光束在所述CCD探测器中呈现一变形条纹光信号，所述计算机对所述变形条纹光信号进行分析，获取所述待测元件的微观面形轮廓信息；

其中，所述显微物镜的光轴、成像透镜的光轴、CCD探测器的中心与分光棱镜的中心位于同一直线，所述CCD探测器垂直于所述成像透镜的光轴；

所述显微物镜为长工作距离显微物镜，所述待测元件的表面位于所述显微物镜的焦平面上；

所述投影屏、分光棱镜、显微物镜、成像透镜、CCD探测器组成基于逆向哈特曼光学检测的偏折显微测量系统。

2.一种如权利要求1所述的一种光学偏折显微表面测量装置的测量方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、采用三坐标测量设备对所述光学偏折显微表面测量装置的结构位置参数S进行测量标定；

S2、根据测量标定的结构位置参数S，计算所述变形条纹光信号的相位分布，所述变形条纹光信号包括待测元件微观面形轮廓特征信息；

S3、根据所述相位分布，获取所述待测元件微观表面对应的实际光斑分布；

S4、将所述实际光斑分布与一预设的理想光斑分布进行比较，得到所述待测元件的微观面形轮廓；

所述步骤S1中的所述光学偏折显微表面测量装置的结构位置包括：

所述测量装置包括投影屏、分光棱镜、待测元件、显微物镜、成像透镜、CCD探测器和计算机，其中，所述待测元件置于所述分光棱镜的下方，所述投影屏设于所述分光棱镜的左侧并使二者平行，所述显微物镜、成像透镜和CCD探测器依次设于所述分光棱镜的上方，所述计算机产生一正弦条纹光信号，所述正弦条纹信号光经过所述分光棱镜投射至所述待测元件，经过所述待测元件的表面回返至所述分光棱镜，并经过所述显微物镜和成像透镜进行汇聚成一汇聚光束，所述汇聚光束在所述CCD探测器中呈现一变形条纹光信号；

所述步骤S2包括：

利用相移技术和相位展开算法，对所述CCD探测器采集到的变形条纹光信号进行计算，得到对应的相位分布；

所述相位分布和相位展开法满足公式（3）：

式（3）；

其中，为展开相位，为变形条纹光信号的相位分布，为平移函数；

所述步骤S4包括：

根据所述结构位置参数S，建立光路从CCD探测器起依次经过成像透镜、显微物镜、分光棱镜、待测元件、投影屏的理想光学显微偏折模型；

在所述理想光学显微偏折模型中，将所述CCD探测器的小孔作为点光源，并设置所述待测元件的反射面为理想面；

根据光线追迹法生成与所述实际光斑坐标值相对应的理想光斑坐标值；

根据所述实际光斑坐标值与理想光斑值的差异，得到微观面形轮廓的波前斜率分布；

使用积分法得到待测元件的微观面形轮廓信息。

3.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

结构位置参数 ,其中i表示元件的标号数，表示标号为i的元件的三维空间位置坐标，表示标号为第i个元件分别相对于x轴、y轴和z轴的倾角。

4.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

利用计算机调制生成相位分别为0、π/2、π、3π/2的x方向的4幅正弦条纹光信号和y方向的四幅正弦条纹光信号；

根据x和y两种方向的四步移相，所述CCD探测器采集到四幅相位相差π/2的x方向变形条纹光信号和四幅相位相差π/2的y方向变形条纹光信号。