[发明专利]一种双波长双模式的动态数字散斑干涉测量装置及方法

权利要求书

1.一种双波长双模式的动态数字散斑干涉测量装置，其特征在于，有双波长激光干涉和双波长散斑干涉两种工作模式，该测量装置包括第一激光器(1)、第二激光器(2)、第一二分之一波片(3)、第二二分之一波片(4)、第一反射镜(5)、第一偏振分光棱镜(6)、第二反射镜(7)、第三反射镜(8)、可变扩束器(9)、扩束准直镜(10)、第二偏振分光棱镜(11)、第一四分之一波片(12)、标准参考反射镜(13)、第二四分之一波片(14)、标准球面镜头(15)或者可变倍成像镜头(16)、光滑表面被测件(17)、粗糙表面被测件(18)、聚焦镜(19)、成像透镜(20)、第三四分之一波片(21)、微偏振片阵列(22)、CCD探测器(23)和计算机(24)；

沿第一激光器(1)的出射光束光路上依次设置有第一二分之一波片(3)和第一偏振分光棱镜(6)；沿第二激光器(2)的出射光束光路上依次设置有第二二分之一波片(4)、第一反射镜(5)和第一偏振分光棱镜(6)；所述的第一偏振分光棱镜(6)将入射光分为二束，其中一束光依次经过所述的第二反射镜(7)和第三反射镜(8)入射到所述的可变扩束器(9)，另一束光经过所述的扩束准直镜(10)入射到第二偏振分光棱镜(11)，该第二偏振分光棱镜(11)将入射光分为透射光束和反射光束，所述的透射光束经所述的第一四分之一波片(12)入射到标准参考反射镜(13)，经该标准参考反射镜(13)反射后，并沿原路返回，经所述的第一四分之一波片(12)再次入射到第二偏振分光棱镜(11)，作为参考光束；

当双波长激光干涉工作模式时，用于检测光滑表面被测件(17)的表面形貌，所述的可变扩束器(9)处于关闭状态，所述的第二偏振分光棱镜(11)的反射光束经第二四分之一波片(14)和标准球面镜头(15)入射到光滑表面被测件(17)，被光滑表面被测件(17)的表面镜反射的光束经标准球面镜头(15)形成测试光束；

当双波长散斑干涉工作模式时，用于检测粗糙表面被测件(18)的表面形变，所述的可变扩束器(9)处于打开状态，可变扩束器(9)将入射光进行扩束后，入射到粗糙表面被测件(18)，被粗糙表面被测件(18)的表面漫反射的光束经可变倍成像镜头(16)形成测试光束；

所述的参考光束与测试光束经第二四分之一波片(14)和第二偏振分光棱镜(11)入射到聚焦镜(19)上，聚焦镜(19)出射的光束依次经过成像透镜(20)、第三四分之一波片(21)和微偏振片阵列(22)后被CCD探测器(23)接收，在CCD探测器(23)上形成四幅相位相差π/2的干涉条纹图，与CCD探测器(23)连接的计算机(24)进行相位恢复计算得到光滑表面被测件(17)的表面形貌或粗糙表面被测件(18)的表面形变。

2.根据权利要求1所述的双波长双模式的动态数字散斑干涉测量装置，其特征在于：所述的微偏振片阵列(22)的单元尺寸与CCD探测器(23)像素单元尺寸相同，即一一对应关系，所述的微偏振片阵列(22)集成在CCD探测器(23)靶面上，并且两者的单元相互对准。

3.根据权利要求1所述的双波长双模式的动态数字散斑干涉测量装置，其特征在于：所述的第一激光器(1)发出的光波长为λ₁，第二激光器(2)发出的光波长为λ₂，且λ₁≠λ₂。

4.根据权利要求1所述的双波长双模式的动态数字散斑干涉测量装置，其特征在于：所述的光滑表面被测件(17)能使入射光发生镜反射，粗糙表面被测件(18)能使入射光发生漫反射。

5.根据权利要求1所述的双波长双模式的动态数字散斑干涉测量装置，其特征在于：所述的可变扩束器(9)扩束后的光束的入射角度与粗糙表面被测件(18)的表面垂直。

6.根据权利要求1所述的双波长双模式的动态数字散斑干涉测量装置，其特征在于：所述的标准球面镜头(15)和可变倍成像镜头(16)在不同的工作模式下可互相切换。

7.根据权利要求1所述的双波长双模式的动态数字散斑干涉测量装置，其特征在于：所述的CCD探测器(23)的输出端与计算机(24)相连，用于处理采集的干涉图像数据。

8.利用权利要求1-7任一所述的双波长双模式的动态数字散斑干涉测量装置的测量方法，其特征在于，该测量方法包括如下步骤：

1)当测量使入射光发生镜反射的光滑表面被测件(17)的表面发生形变时，采用双波长激光干涉系统工作模式，采用标准球面镜头，关闭可变扩束器：

1.1)打开第一激光器，CCD探测器得到四幅移相的干涉图，计算机利用四步移相算法计算得到待测物体在激光波长λ₁下的相位结果φ₁(x,y)；

1.2)关闭第一激光器，打开第二激光器，CCD探测器得到四幅移相的干涉图，计算机利用四步移相算法计算得到待测物体在激光波长λ₂下的相位结果φ₂(x,y)；

1.3)使用计算机计算待测物体的表面形貌w(x,y)，公式如下：

其中，Δφ_s(x,y)＝φ₁(x,y)-φ₂(x,y)，合成波长

2)当测量使入射光发生漫反射的粗糙表面被测件(18)的表面发生形变时，采用双波长散斑干涉系统工作模式，采用可变倍成像镜头，打开可变扩束器：

2.1)打开第一激光器，CCD探测器得到四幅移相的干涉图，通过计算机进行四步移相算法计算得到待测物体在激光波长λ₁下的相位结果φ₃(x,y)；

2.2)关闭第一激光器，打开第二激光器，CCD探测器得到四幅移相的干涉图，计算机通过四步移相算法计算得到待测物体在激光波长λ₂下的相位结果φ₄(x,y)；

2.3)当待测物体受到额外的加载力使表面产生形变后，同理可以得到在激光波长λ₁下的相位测量结果φ′₃(x,y)和在激光波长λ₂下的相位测量结果φ′₄(x,y)；

2.4)面外变形产生的位移与相位的关系式为

其中，合成波长为在激光波长λ₁下待测物体变形前后的相位之差为Δφ₃(x,y)＝φ′₃(x,y)-φ₃(x,y)，在激光波长λ₂下待测物体变形前后的相位之差为Δφ₄(x,y)＝φ′₄(x,y)-φ₄(x,y)。