[发明专利]差动共焦定面干涉靶丸内表面缺陷检测方法与装置

权利要求书

1.差动共焦定面干涉靶丸内表面缺陷检测方法，其特征在于：包括如下检测步骤：

(1-1)打开短相干激光器，发出的测量光束经过准直透镜和测量物镜后会聚，利用差动共焦高精度定位技术分别准确定位被测靶丸和干涉相机，使靶丸内表面精确对焦成像在干涉相机上；

(1-2)由近向远地调整参考臂的光学延迟，干涉相机中第二次出现的干涉条纹即内表面干涉条纹；轴向步进式地驱动参考镜进行机械式移相，干涉相机采集N帧移相干涉图，移相干涉图的光强表达式表示为：

其中I_i表示内表面干涉图光强，(x,y)表示干涉图的像素坐标，n＝1,2…N表示移相干涉图的帧数，A和B分别表示背景光强和调制度，表示内表面反射波面的相位，δ表示移相量；

(1-3)利用移相干涉算法从采集的移相干涉图中提取经过解包裹、拟合剔除和高通滤波处理后，利用公式(2)得出内表面缺陷分布h_i

其中λ表示光源的中心波长。

2.根据权利要求1所述的差动共焦定面干涉靶丸内表面缺陷检测方法，其特征在于：步骤(1)所述利用差动共焦高精度定位技术分别准确定位被测靶丸和干涉相机，使靶丸内表面精确对焦成像在干涉相机上的步骤如下：

(2-1)将靶丸外表面精确定位在猫眼位置：在猫眼位置轴向扫描靶丸，将第一探测器和第二探测器探测的光强差动相减即得到如公式(3)所述的差动共焦响应曲线，

其中，I_D表示差动共焦光强，u表示归一化轴向位移，u_M表示探测器的归一化离焦量；调整靶丸的轴向位置使差动共焦响应曲线的强度为零；

(2-2)将干涉相机定位在外表面共轭成像位置：将靶丸从猫眼位置向靠近测量物镜的方向移动d₁的距离使得外表面反射光束的聚焦点与猫眼位置的距离正好是靶丸外径，此时反射的测量光汇聚在干涉相机靶面上；轴向扫描干涉相机并记录其轴向位置，在干涉相机上设置虚拟针孔，将虚拟针孔内所有像素灰度值的积分作为探测光强即能够探测到共焦响应曲线，

其中I_C表示共焦光强，u表示归一化轴向位移；对该曲线进行双边拟合差动处理或sinc²拟合处理即可精确获得其顶点的轴向位置坐标，将干涉相机准确调整至该坐标位置；

(2-3)将靶丸精确定位在共焦位置：将靶丸继续向靠近测量物镜的方向移动至共焦位置附近并轴向扫描靶丸，差动共焦探测系统能够探测到差动共焦响应曲线，调整靶丸的轴向位置使差动共焦响应曲线的强度为零；

(2-4)将干涉相机定位在内表面共轭成像位置：以干涉相机的外表面共轭成像位置为原点，将干涉相机向像靠近准直成像透镜的方向移动d₂的距离，即能够将干涉相机定位在内表面共轭成像位置，完成内表面精准对焦。

3.根据权利要求1所述的差动共焦定面干涉靶丸内表面缺陷检测方法，其特征在于：步骤(1-2)中所述移相还能够通过同步瞬态移相技术得到，即无需轴向步进式地驱动参考镜进行机械式移相；

所述同步瞬态移相的方法为：在成像光路中增加四分之一波片，将干涉相机的每4个像素分为一组，每组像素前依次放置0°,45°,90°,135°的偏振片，进而从一帧干涉图中即能够提取出4帧移相量为90度的移相干涉图。

4.根据权利要求2所述的差动共焦定面干涉靶丸内表面缺陷检测方法，其特征在于：步骤(2-2)所述共焦响应曲线进行双边拟合差动处理步骤如下：选取共焦曲线两侧相对强度在0.45-0.65之间的数据点，分别拟合出两条直线l_A和l_B，将两直线差动相减可得到差动共焦直线l_dc，求出l_dc的绝对零点轴向坐标，即共焦曲线的顶点轴向位置坐标。

5.根据权利要求2所述的差动共焦定面干涉靶丸内表面缺陷检测方法，其特征在于，步骤(2-2)所述共焦响应曲线进行sinc²拟合处理步骤如下：选取共焦曲线顶点附近的数据点，按照sinc²函数进行拟合，得到拟合曲线的顶点轴向坐标，即共焦曲线的顶点轴向坐标。

6.根据权利要求2所述的差动共焦定面干涉靶丸内表面缺陷检测方法，其特征在于，步骤(2-4)中相机内外共轭位置之间的距离d₂的计算步骤如下：根据已知的靶丸外径、壳厚、折射率，及光路中每片透镜的焦距和间距，分别建立内表面成像和外表面成像的光学系统几何光线追迹模型，在每个光学模型中得到最佳像面位置，两个最佳像面位置之间的距离即d₂。