用于微球表面形貌快速检测的短相干瞬时移相干涉测量仪及测量方法

摘要

用于微球表面形貌快速检测的短相干瞬时移相干涉测量仪及测量方法，涉及光学检测空间物体三维形貌的领域。本发明解决了现有同类技术检测效率低、横向分辨能力差、孤立缺陷点容易遗漏、参考面制造困难且精度低等问题。干涉测量仪中，参考光经单模光纤传递给光纤准直器，准直后形成入射参考光束；测量光束经多次反射后形成与入射参考光束垂直的入射测量光束，入射参考光束和入射测量光束入射第三偏振分光棱镜后合束，依次经第四、第五偏振分光棱镜分成四束平行光束，四束平行光束经波片阵列分别加入不同的移相量后在面阵CCD上形成四个光斑。本测量方法是通过对四个光斑进行图像处理获得被测微球的球面形貌。本发明适用于微球表面形貌的快速检测。

说明书

技术领域

本发明涉及的是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

本发明是为了解决微小球面表面形貌测量中，单次测量检测范围过小、容易遗漏孤立缺 陷点、参考面制造困难且精度不高、干涉场对比度低、以及传统时域移相干涉测量受到环境 因素（振动、空气扰动）影响严重的问题，进而提供一种用于微球表面形貌快速检测的短相 干瞬时移相干涉测量仪及测量方法。

本发明所述的用于微球表面形貌快速检测的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、第一λ/2波片、第一偏振分光棱镜、λ/4波片、显微物镜、微球、第 二λ/2波片、第二偏振分光棱镜、光纤耦合器、单模光纤、光纤准直器、第一平面反射镜、 180°转向角锥棱镜、第二平面反射镜、第三偏振分光棱镜、第三平面反射镜、第四偏振分光 棱镜、第五偏振分光棱镜、波片阵列、偏振片、面阵CCD光学传感器和计算机；

所述的空间滤波器、第一λ/2波片、第一偏振分光镜、λ/4波片、显微物镜和微球依次设 置在短相干激光器输出的激光光束的光轴上，短相干激光器输出的激光束经空间滤波器透射 后转换成平行光束并入射至第一λ/2波片，经所述第一λ/2波片透射的光束入射至第一偏振分 光棱镜，经所述第一偏振分光棱镜透射后的光束入射至λ/4波片，经所述λ/4波片透射后的光 束入射至显微物镜，所述显微物镜将入射的光束会聚并照射在微球的表面，所述微球的球心 位于显微物镜的焦点位置；

经微球表面反射的反射光沿原光路返回，经显微物镜透射之后转换成平行光并入射至λ/4 波片，经所述λ/4波片透射后入射至第一偏振分光棱镜的分光面，经该分光面反射后入射至 第二λ/2波片，经所述第二λ/2波片透射后入射至第二偏振分光棱镜的分光面，经该分光面反 射的光束为参考光束，该参考光束入射至光纤耦合器，经该光纤耦合器耦合后入射至单模光 纤，经该单模光纤滤波后的参考光束入射至光纤准直器，经该光纤准直器准直后获得平行的 参考光束作为第一入射参考光束入射至第三偏振分光棱镜；

经第二偏振分光棱镜的分光面透射的光束为测量光束，该测量光束入射至第一平面反射 镜，并经所述第一平面反射镜反射后入射至180°转向角锥棱镜，经所述180°转向角锥棱镜 改变180°转向的测量光束入射至第二平面反射镜，经所述第二平面反射镜反射后的测量光束 作为第二入射测量光束入射至第三偏振分光棱镜；

所述第一入射参考光束的光轴与第二入射测量光束的光轴相垂直，第三偏振分光棱镜将 入射的第一入射参考光束和第二入射测量光束合并之后形成一束光束，该束光束入射至第三 平面反射镜，经该第三平面反射镜反射后形成与第四偏振分光棱镜的分光面平行的光束，并 入射至所述第四偏振分光棱镜，所述第四偏振分光棱镜将入射的光束分为光强相同的两束平 行光出射至第五偏振分光棱镜；所述第五偏振分光棱镜将入射的两束平行光分别分光，形成 四束光强相等的平行光束，所述四束光强相等的平行光束同时入射至波片阵列，所述波片阵 列对入射的四束光束加入不同的移相量，经所述波片阵列透射的光束入射至偏振片检偏后产 生相干光，所述相干光经偏振片透射后入射至面阵CCD光学传感器的光敏面，在面阵CCD 光学传感器上同时形成四幅干涉条纹图样；面阵CCD光学传感器的图像电信号输出端连接计 算机的图像信号采集端。

采用上述用短相干瞬时移相干涉测量仪实现微球表面形貌快速测量方法为，

步骤一、短相干激光器发射激光束，该激光束经空间滤波器透射后转换成平行光束并入 射至第一λ/2波片，经所述第一λ/2波片透射的光束入射至第一偏振分光棱镜，经所述第一偏 振分光棱镜透射后的光束入射至λ/4波片，经所述λ/4波片透射后的光束入射至显微物镜，所 述显微物镜将入射的光束会聚并照射在微球的表面；

步骤二、面阵CCD光学传感器将采集获得的四幅干涉条纹图样发送给计算机，所述计算 机对该四幅干涉条纹图样进行图像处理，获取该四幅干涉条纹图样间的定位关系，从而解算 出干涉场内每一像素点对应的测量光与参考光之间的初始相位差，进而求解出两者间光程差， 最终获得微球表面被激光束照射区域的形貌。

本发明中的用于微球表面形貌快速检测的短相干瞬时移相干涉测量仪还可以包括负压吸 附轴向转台和二维正交转台，负压吸附轴向转台用于吸附被测微球，负压吸附轴向转台固定 在二维正交转台的转台上，负压吸附轴向转台的转台控制信号输入端连接计算机的吸附转台 控制信号输出端；二维正交转台的控制信号输出端连接计算机的横向转台控制信号输出端。

采用上述短相干瞬时移相干涉测量仪实现微球表面形貌快速测量方法为，

步骤1、控制二维正交转台转动，使得负压吸附轴向转台的转轴与测量光的光轴垂直；

步骤2、将测量的微球吸附在负压吸附轴向转台的吸嘴上，使得微球的球心位于显微物 镜的焦点位置；

步骤3、打开短相干激光器，测量微球表面被激光束照射区域的单次测量形貌；

步骤4、计算机控制负压吸附轴向转台带动微球按照顺时针转动角度a，重复步骤3，获 得对应的单次测量形貌；然后再次控制负压吸附轴向转台带动微球按照顺时针转动角度a， 重复步骤3，直到微球旋转一周为止；

步骤5、计算机控制二维正交转台带动负压吸附轴向转台移动，使得微球沿负压吸附轴 向转台的转轴移动距离b，然后重复步骤3和4；然后再次控制二维正交转台带动负压吸附轴 向转台移动，使得微球沿原方向移动距离b，重复步骤3和4，直到微球移出激光束照射区域；

步骤6、将微球以垂直于负压吸附轴向转台转轴的平面为镜面，进行镜像翻转，然后返 至步骤2；

步骤7、将获得的所有单侧测量形貌进行合并处理，获得整个微球的表面的全貌。

本发明以被测微球面上的球罐为单次检测范围，增大了单次测量的覆盖面积。参考光束 前通过单模光纤由检测光束前直接获得，由振动引起的即时波动同时存在于参考光束与测量 光束中，从而在干涉测量过程中被消除。同时，采用双分光棱镜结合波片阵列实现瞬时移相， 快速获得多幅干涉图像，解决了参考面精度不足，干涉场对比度低，受空气扰动、环境振动 等因素影响严重的问题，提高了系统的抗干扰能力，实现微球面的无漏点检测，具有检测效 率高、无漏点、测量精度高、自动化程度高的优点。对目标球面面型检测精度RMS值优于 50nm。单次测量只能测量球体表面对应一定锥角的球冠区域，配合二维转动扫描，测完一次 转一个角度，这样测量区域可以覆盖球体全表面，再加以图像拼接，达到量程扩展的目的。

本发明适用于对半径在400微米至5毫米之间的微小球体的形貌的测量。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图，图2为虚线范围内的A向视图，图3为具体实施方式 四所述的波片阵列的结构示意图，图4为具体实施方式九所述的测量方法测量整个微球表面 形貌的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的用于微球表面形貌快速 检测的短相干瞬时移相干涉测量仪，它包括短相干激光器1、空间滤波器2、第一λ/2波片3、 第一偏振分光棱镜4、λ/4波片5、显微物镜6、微球7、第二λ/2波片10、第二偏振分光棱 镜11、光纤耦合器12、单模光纤13、光纤准直器14、第一平面反射镜15、180°转向角锥棱 镜16、第二平面反射镜17、第三偏振分光棱镜18、第三平面反射镜19、第四偏振分光棱镜 20、第五偏振分光棱镜21、波片阵列22、偏振片23、面阵CCD光学传感器24和计算机25；

所述的空间滤波器2、第一λ/2波片3、第一偏振分光镜4、λ/4波片5、显微物镜6和微 球7依次设置在短相干激光器1输出的激光束的光轴上，短相干激光器1输出的激光束经空 间滤波器2透射后转换成平行光束并入射至第一λ/2波片3，经所述第一λ/2波片3透射的光 束入射至第一偏振分光棱镜4，经所述第一偏振分光棱镜4透射后的光束入射至λ/4波片5， 经所述λ/4波片5透射后的光束入射至显微物镜6，所述显微物镜6将入射的光束会聚并照射 在微球7的表面，所述微球7的球心位于显微物镜6的焦点位置；

经微球7表面反射的反射光沿原光路返回，经显微物镜6透射之后转换成平行光并入射 至λ/4波片5，经所述λ/4波片5透射后入射至第一偏振分光棱镜4的分光面，经该分光面反 射后入射至第二λ/2波片10，经所述第二λ/2波片10透射后入射至第二偏振分光棱镜11的 分光面，经该分光面反射的光束为参考光束，该参考光束入射至光纤耦合器12，经该光纤耦 合器12耦合后入射至单模光纤13，经该单模光纤13滤波后的参考光束入射至光纤准直器14， 经该光纤准直器14准直后获得平行的参考光束作为第一入射参考光束入射至第三偏振分光 棱镜18；

经第二偏振分光棱镜11的分光面透射的光束为测量光束，该测量光束入射至第一平面反 射镜15，并经所述第一平面反射镜15反射后入射至180°转向角锥棱镜16，经所述180°转 向角锥棱镜16改变180°转向的测量光束入射至第二平面反射镜17，经所述第二平面反射镜 17反射后的测量光束作为第二入射测量光束入射至第三偏振分光棱镜18；

所述第一入射参考光束的光轴与第二入射测量光束的光轴相垂直，第三偏振分光棱镜18 将入射的第一入射参考光束和第二入射测量光束合并之后形成一束光束，该束光束入射至第 三平面反射镜19，经该第三平面反射镜19反射后形成与第四偏振分光棱镜20的分光面平行 的光束，并入射至所述第四偏振分光棱镜20，所述第四偏振分光棱镜20将入射的光束分为 光强相同的两束平行光出射至第五偏振分光棱镜21；所述第五偏振分光棱镜21将入射的两 束平行光分别分光，形成四束光强相等的平行光束，所述四束光强相等的平行光束同时入射 至波片阵列22，所述波片阵列22对入射的四束光束分别加入0、π/2、π、3π/2的移相量， 经所述波片阵列22透射的四束光束同时入射至偏振片23，经所述偏振片23检偏后产生相干 光，所述相干光入射至面阵CCD光学传感器24的光敏面，在面阵CCD光学传感器24上同 时形成四幅干涉条纹图样；面阵CCD光学传感器24的图像电信号输出端连接计算机25的图 像信号采集端。

具体实施方式二：本实施方式对具体实施方式一所述的用于微球表面形貌快速检测的短 相干瞬时移相干涉测量仪的进一步限定，本实施方式中，所述短相干激光器1发射的激光束 的波长为523nm，相干长度为1mm，输出功率为大于0且小于300mw，连续可调。

具体实施方式三：本实施方式对具体实施方式一或二所述的用于微球表面形貌快速检测 的短相干瞬时移相干涉测量仪的进一步限定，本实施方式所述显微物镜6为20倍放大物镜， 该物镜的数值孔径0.4。

具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式对具体实施方式一、二或三所 述的用于微球表面形貌快速检测的短相干瞬时移相干涉测量仪的进一步限定，本实施方式所 述波片阵列22为2×2的波片阵列，按顺时针顺序分别是0、π/2、π、3π/2相位差的偏振波片。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式对具体实施方式一、二、三或 四所述的用于微球表面形貌快速检测的短相干瞬时移相干涉测量仪的进一步限定，本实施方 式所述面阵CCD光学传感器24是分辨率为2048×2048、相元为7微米。

例如：可以选用德国AVT公司生产的型号为F421B的CCD光学传感器。

具体实施方式六：本实施方式对具体实施方式一所述的用于微球表面形貌快速检测的短 相干瞬时移相干涉测量仪的进一步限定，本实施方式中还包括负压吸附轴向转台8和二维正 交转台9，负压吸附轴向转台8用于吸附被测微球7，负压吸附轴向转台8固定在二维正交转 台9的转台上，负压吸附轴向转台8的转台控制信号输入端连接计算机的吸附转台控制信号 输出端；二维正交转台9的控制信号输出端连接计算机的横向转台控制信号输出端。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式是采用具体实施方式一至五任 意一个实施方式所述的用短相干瞬时移相干涉测量仪实现微球表面形貌快速测量方法，

步骤一、短相干激光器1发射激光束，该激光束经空间滤波器2透射后转换成平行光束 并入射至第一λ/2波片3，经所述第一λ/2波片3透射的光束入射至第一偏振分光棱镜4，经 所述第一偏振分光棱镜4透射后的光束入射至λ/4波片5，经所述λ/4波片5透射后的光束入 射至显微物镜6，所述显微物镜6将入射的光束会聚并照射在微球7的表面；

步骤二、面阵CCD光学传感器24将采集获得的四幅干涉条纹图样发送给计算机25，所 述计算机25对该四幅干涉条纹图样进行图像处理，获取该四幅干涉条纹图样间的定位关系， 从而解算出干涉场内每一像素点对应的测量光与参考光之间的初始相位差，进而求解出两者 间光程差，最终获得微球7表面被激光束照射区域的形貌。

具体实施方式八：本实施方式是对实施方式七的进一步说明，本实施方式所述用短相干 瞬时移相干涉测量仪实现微球表面形貌快速测量方法，步骤二的具体过程为：

计算机25对该四幅干涉条纹图样进行图像处理，获取该四幅干涉条纹图像间的定位关系 的过程是：

步骤A、针对每幅干涉条纹图样，首先将干涉区域与背景分离开，获得四个干涉区域图 像，然后进行图像滤波、去噪声处理，获得四幅处理后的干涉区域图像；

步骤B、定位过程，提取每幅处理后的干涉区域图像的干涉区域的形心坐标，所述四个 形心坐标的像素点对应的是同一测量点，依次类推确定每个测量点在四幅处理后的干涉区域 图像中对应坐标的像素点，获得四幅干涉条纹图像间的定位关系；

根据上述定位关系解算出干涉场内每一像素点对应的测量光与参考光之间的初始相位差 的过程为：

根据四幅干涉条纹图像间的定位关系解算出干涉区域内每一像素点对应的测量光与参考 光之间的初始相位差，具体过程为：针对同一个测量点分别获得其在四幅处理后的干涉区域 图像中对应的像素点，然后将所述四个像素点的灰度值带入到四步移相法计算公式中

$\Phi (x,y)=\arctan \frac{I_4-I_2}{I_1-I_3},$

公式中，（x,y）表示所述测量点对应的像素点的坐标，I₁、I₂、I₃和I₄分别表示四个像素 点的灰度值；

计算获得所述测量点对应的初始相位差；

针对每一个测量点均采用上述方法获得对应的对应的初始相位差；

根据上述获得的初始相位差，求解出两者间光程差的过程为：

根据每个测量点对应的初始相位差获得对应的光程差为：

$\mathrm{\Delta L}=\frac{\Phi (x,y)}{2\pi }·\lambda ;$

公式中λ表示短相干激光器1发的射激光束的波长；

最终获得微球7表面被激光束照射区域的形貌的过程为：

将根据公式：

$\mathrm{\Delta H}(x,y)=\frac{\lambda }{4\pi }·\Phi (x,y),$

获得所有测量点偏离理想球面的距离，即获得每个测量点的相对坐标，根据所有测量点 的相对坐标绘制获得微球7表面被激光束照射区域的形貌，所述理想球面是以微球7的球心 为球心，以微球7的半径为半径的球面。

具体实施方式九：本实施方式是采用具体实施方式六所述的短相干瞬时移相干涉测量仪 实现微球表面形貌快速测量方法，

步骤1、控制二维正交转台9转动，使得负压吸附轴向转台8的转轴与测量光的光轴垂 直；

步骤2、将测量的微球7吸附在负压吸附轴向转台8的吸嘴上，使得微球7的球心位于 显微物镜6的焦点位置；

步骤3、打开短相干激光器1，测量微球7表面被激光束照射区域的单次测量形貌；

步骤4、计算机25控制负压吸附轴向转台8带动微球按照顺时针转动角度a，重复步骤 3，获得对应的单次测量形貌；然后再次控制负压吸附轴向转台8带动微球按照顺时针转动角 度a，重复步骤3，直到微球旋转一周为止；

步骤5、计算机25控制二维正交转台9带动负压吸附轴向转台8移动，使得微球7沿负 压吸附轴向转台8的转轴移动距离b，然后重复步骤3和4；然后再次控制二维正交转台9带 动负压吸附轴向转台8移动，使得微球7沿原方向移动距离b，重复步骤3和4，直到微球7 移出激光束照射区域；

步骤6、将微球以垂直于负压吸附轴向转台8转轴的平面为镜面，进行镜像翻转，然后 返至步骤2；

步骤7、将获得的所有单侧测量形貌进行合并处理，获得整个微球7的表面的全貌。

本实施方式中，步骤3采用具体实施方式七所记载的测量方法实现单侧测量形貌。

步骤4中所述的转动角度a是根据微球7表面被激光束照射区域的大小来决定，使得相 邻两次单次测量的区域边缘相交的两点之间的直线距离d大于或等于微球半径既可，最佳距 离是等于微球半径。

步骤5中所述的移动距离b与转动角度a相关联，移动距离b小于或等于直线距离d既 可，最佳距离是等于直线距离d。

本实施方式所述的测量方法，是采用实施方式六所记载的短相干瞬时移相干涉测量仪实 现的微小球面的整体球面形貌的测量方法。

使用本发明干涉测仪实现了微小球面形貌高精度、高效率、无漏点检测。

工作原理：

短相干长度激光器1出射的线偏振激光束经空间滤波器2滤波扩束后形成线偏振平行光， 经λ/2波片3调整偏振方向后透射经过偏振分光棱镜4，经物镜6会聚到被测微球7表面。单 次测量只能测量球体表面对应一定锥角的球冠区域，配合二维转动扫描，其中负压吸附转台 8和二维正交转台9的方向是垂直的，测完一次转一个角度，这样测量区域覆盖球体全表面， 对微球全表面进行扫描。光束的会聚中心与微球的球心重合，光束垂直被测表面入射，因此 将沿原光路返回，但由于两次经过λ/4波片5，偏振方向旋转了90°，在偏振分光棱镜4的分 光面上完全反射，经λ/2波片10入射到偏振分光棱镜11，在其分光面上分为两束，一束直接 透射出分光棱镜11，作为测量光束，一束反射出分光棱镜11，作为参考光束。测量光经平面 反射镜15反射，转向角锥棱镜16，经180°转向，再经平面反射棱镜17反射入射到偏振分光 镜18，透射经过其分光面。参考光经光纤耦合器12耦合，进入单模光纤13。由于单模光纤 的纤芯很细，自身就具有良好的滤波作用，同时利用光纤的弯曲损失特性，恰好消除空间波 前失真，经光纤准直器14准直成近似理想的平行光束，在偏振分光棱镜18的分光面处反射， 与测量光束合束，但两束光的偏振方向相垂直。

合束后的光束经平面反射镜19反射后入射分光棱镜20。由于光束的入射方向与分光棱 镜20的分光面平行，光束被分为光强相同的两束平行光出射。平行光束的间距由分光棱镜 20上的入射点位置决定。同理，出射的两束平行光经分光棱镜21分光，形成四束光强相等 的平行光束，经波片阵列22对四束光加入不同的移相量，再经偏振片23检偏，产生相干光， 在面阵CCD24上同时形成四幅干涉条纹图样，由CCD24单次采集获取，并通过图像处理的 方法获取四幅干涉条纹图像间的定位关系，从而解算出干涉场内每一像素点对应的测量光束 与参考光束之间的初始相位差，进而求解出两者间光程差，实现形貌检测。

单次测量只能测量球体表面对应一定锥角的球冠区域，配合二维转动扫描，测完一次转 一个角度，这样测量区域可以覆盖球体全表面，再加以图像拼接，达到量程扩展的目的。旋 转λ/2波片10是调节偏振分光棱镜11的反射光和透射光的光强比例的。分光棱镜20的分光 面与分光棱镜21的分光面垂直。180°转向角锥棱镜16作为延迟器，补偿测量光束相对于参 考光束延后的光程差，使得测量光束前与参考光束前同时到达偏振分光棱镜18的分光面进行 合束，确保在CCD24上形成清晰干涉场。由于参考光束前通过单模光纤由检测光束前直接获 得，由振动引起的即时波动同时存在于参考波与测量光束中，从而在干涉测量过程中被消除。 同时，采用双分光棱镜结合波片阵列实现瞬时移相，快速获得多幅干涉图像，大幅降低空气 扰动、振动等因素引入的移相误差，提高了测量系统的抗干扰能力。