微球面型短相干点衍射干涉测量系统及测量方法

摘要

微球面型短相干点衍射干涉测量系统及测量方法，属于微球面型检测技术领域。本发明是为了解决现有短相干移相点衍射干涉测量方法的干涉场对比度差，影响测量精度的问题。装置包括短相干激光器、第一λ/2波片、直角反射镜、偏振分光棱镜、第一角锥棱镜、第一平面镜、第二角锥棱镜、PZT移相器、延迟平台、第二λ/2波片、光纤耦合镜、单模保偏光纤、会聚透镜、针孔镜、第一准直透镜、λ/4波片、显微物镜、第二平面镜、第二准直透镜、偏振片、面阵CCD和计算机；方法采用λ/4波片结合偏振片的光路结构，对干涉场内的光束进行选择，降低其中的直流分量，提高干涉条纹的对比度，实现对比度的优化可调。本发明用于微球面型检测。

说明书

技术领域

本发明涉及微球面型短相干点衍射干涉测量系统及测量方法，属于微球面型检测技术 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，微小球面的表面面型精度对其性能有着至关重要的影响。

传统技术对微小球面进行检测采用的原子力显微镜及共聚焦显微镜等手段，虽然具有 很高的纵向测量精度，但其单次测量范围非常小，并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，这种方式受机械运动误差影响严重，存在检测效率低、横向 分辨能力差及孤立缺陷点容易遗漏等问题。

现有的短相干移相点衍射干涉测量方法通过短相干与光程补偿结合的方法对相干光 束进行选择，从而引入移相量，即被测球面表面返回的测量光与衍射的参考光间光程近似 为零，可以产生干涉，而与其它光束间的光程差超出相干长度，不参与干涉，只作为干涉 场的背景光。这就决定了干涉场不可能具有良好的对比度，尤其测量透明球体时，过低的 表面反射率导致干涉条纹对比度极差，相位信息提取十分困难，影响干涉系统的测量精度。

发明内容

本发明目的是为了解决现有短相干移相点衍射干涉测量方法的干涉场对比度差，影响 测量精度的问题，提供了一种微球面型短相干点衍射干涉测量系统及测量方法。

本发明所述微球面型短相干点衍射干涉测量系统，它包括短相干激光器、第一λ/2波 片、直角反射镜、偏振分光棱镜、第一角锥棱镜、第一平面镜、第二角锥棱镜、PZT移 相器、延迟平台、第二λ/2波片、光纤耦合镜、单模保偏光纤、会聚透镜、针孔镜、第一 准直透镜、λ/4波片、显微物镜、第二平面镜、第二准直透镜、偏振片、面阵CCD和计 算机，

短相干激光器的出射激光经第一λ/2波片入射至直角反射镜，直角反射镜的光入射面 与偏振分光棱镜的分光面垂直，直角反射镜的第一直角面将入射光90°转向后，入射至 偏振分光棱镜，并与分光面成45°角入射，偏振分光棱镜的反射光作为测量光入射至第一 角锥棱镜，第一角锥棱镜的出射光再与分光面成45°角入射至偏振分光棱镜，经偏振分光 棱镜反射后入射至直角反射镜的第二直角面；

偏振分光棱镜的透射光作为参考光入射至第一平面镜，经第一平面镜反射后，入射至 第二角锥棱镜，第二角锥棱镜的出射光再经第一平面镜反射后，入射至偏振分光棱镜，再 经偏振分光棱镜透射后入射至直角反射镜的第二直角面；第二角锥棱镜设置于PZT移相 器的运动端面上，PZT移相器设置于延迟平台上；

测量光与参考光在偏振分光棱镜的分光面合束后，入射至直角反射镜的第二直角面， 再被后射后，经第二λ/2波片和光纤耦合镜后入射至单模保偏光纤，单模保偏光纤的出射 光经会聚透镜会聚后，透过针孔镜的玻璃基板，会聚于针孔上；

通过针孔出射的衍射光一部分经第一准直透镜准直后，透过λ/4波片，再经显微物镜 会聚于被测微球表面；经被测微球表面反射后获得的光束再经显微物镜、λ/4波片及第一 准直透镜准直后，被针孔镜的金属反射面反射，该反射获得的光束射向第二平面镜，第二 平面镜的反射光经第二准直透镜准直后，透过偏振片到达面阵CCD；

通过针孔出射的衍射光另一部分直接经第二平面镜反射，再经第二准直透镜准直后， 透过偏振片到达面阵CCD；

面阵CCD的图像信号输出端连接计算机的图像信号输入端；计算机的控制信号输出 端连接PZT移相器的控制信号输入端。

所述第一准直透镜、λ/4波片、显微物镜与被测微球同轴；

第一准直透镜的焦点与针孔镜的针孔重合。

被测微球的球心位于显微物镜出射光束的中心。

短相干激光器的出射激光波长523nm，相干长度1mm；单模保偏光纤长10m，纤芯 直径6μm。

偏振片的消光比为10000:1。

偏振片的偏振透过方向与发生衍射前的参考光的传播方向相同。

一种基于上述微球面型短相干点衍射干涉测量系统的微球面型短相干点衍射干涉测 量方法，

短相干激光器出射的线偏振光束经第一λ/2波片调整偏振方向后，经直角反射镜反 射，90°转向，在偏振分光棱镜的分光面处分为两束；

对延迟平台进行三维调整，对PZT移相器进行微位移移动，实现第二角锥棱镜的微 位移移相运动和大行程光程补偿运动；

合束后的测量光与参考光传播方向一致，偏振方向互相垂直；

单模保偏光纤末端出射的近似球面波经会聚透镜和针孔镜的针孔后，产生衍射，生成 理想球面波；

通过针孔出射的衍射光一部分与另一部分到达面阵CCD后，形成干涉图样；使PZT 移相器带动第二角锥棱镜移动，面阵CCD采集获得多幅变化的干涉图样，该干涉图样经 计算机解算，获得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 得两者间光程差，实现被测微球的表面形貌测量。

旋转第一λ/2波片改变测量光和参考光的光强比例，实现干涉场对比度的优化可调； 旋转第二λ/2波片改变单模保偏光纤出射的测量光与参考光的偏振方向，使测量光的偏振 方向与针孔镜的反射面平行。

本发明的优点：本发明采用λ/4波片与偏振片结合的方式对干涉场的背景光进行选择 性滤除，降低了干涉信号中的直流分量，又同时保留了原有短相干移相式点衍射干涉测量 方法的优点，解决了分波面式短相干移相衍射干涉测量系统干涉场对比度差，可调范围小 的问题。

本发明以被测微小球面上的球冠为单次检测范围，能够增大单次测量的覆盖面积。采 用λ/4波片结合偏振片的光路结构，对干涉场内的光束进行选择，降低其中的直流分量， 提高干涉条纹的对比度，实现对比度的优化可调。同时，仍采用短相干长度激光点衍射干 涉及光程补偿技术，保留其原有的优点，如消除杂散光影响、避免多反射面形成多重干涉 等，并采用PZT移相器带动角锥棱镜实现高精度移相。本发明可实现微小球面面型特征 的无漏点检测，同时可适用于低反射率透明球壳内外表面面型测量，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。

附图说明

图1是本发明所述微球面型短相干点衍射干涉测量系统的原理示意图；

图2是当被测微球为透明球体时，被测微球内的光束传播图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述微球面型短相干点 衍射干涉测量系统，它包括短相干激光器1、第一λ/2波片2、直角反射镜3、偏振分光 棱镜4、第一角锥棱镜5、第一平面镜6、第二角锥棱镜7、PZT移相器8、延迟平台9、 第二λ/2波片10、光纤耦合镜11、单模保偏光纤12、会聚透镜13、针孔镜14、第一准 直透镜15、λ/4波片16、显微物镜17、第二平面镜18、第二准直透镜19、偏振片20、 面阵CCD21和计算机22，

短相干激光器1的出射激光经第一λ/2波片2入射至直角反射镜3，直角反射镜3的 光入射面与偏振分光棱镜4的分光面垂直，直角反射镜3的第一直角面将入射光90°转 向后，入射至偏振分光棱镜4，并与分光面成45°角入射，偏振分光棱镜4的反射光作为 测量光入射至第一角锥棱镜5，第一角锥棱镜5的出射光再与分光面成45°角入射至偏振 分光棱镜4，经偏振分光棱镜4反射后入射至直角反射镜3的第二直角面；

偏振分光棱镜4的透射光作为参考光入射至第一平面镜6，经第一平面镜6反射后， 入射至第二角锥棱镜7，第二角锥棱镜7的出射光再经第一平面镜6反射后，入射至偏振 分光棱镜4，再经偏振分光棱镜4透射后入射至直角反射镜3的第二直角面；第二角锥棱 镜7设置于PZT移相器8的运动端面上，PZT移相器8设置于延迟平台9上；

测量光与参考光在偏振分光棱镜4的分光面合束后，入射至直角反射镜3的第二直角 面，再被后射后，经第二λ/2波片10和光纤耦合镜11后入射至单模保偏光纤12，单模 保偏光纤12的出射光经会聚透镜13会聚后，透过针孔镜14的玻璃基板，会聚于针孔上；

通过针孔出射的衍射光一部分经第一准直透镜15准直后，透过λ/4波片16，再经显 微物镜17会聚于被测微球23表面；经被测微球23表面反射后获得的光束再经显微物镜 17、λ/4波片16及第一准直透镜15准直后，被针孔镜14的金属反射面反射，该反射获 得的光束射向第二平面镜18，第二平面镜18的反射光经第二准直透镜19准直后，透过 偏振片20到达面阵CCD21；

通过针孔出射的衍射光另一部分直接经第二平面镜18反射，再经第二准直透镜19 准直后，透过偏振片20到达面阵CCD21；

面阵CCD21的图像信号输出端连接计算机22的图像信号输入端；计算机22的控制 信号输出端连接PZT移相器8的控制信号输入端。

本实施方式中，短相干激光器1、第一λ/2波片2和直角反射镜3位于偏振分光棱镜 4的一侧，光束经直角反射镜3的反射面90°转向后，与分光面成45°角入射，第一角锥 棱镜5位于偏振分光棱镜4反射光出射一侧。第一平面镜6、第二角锥棱镜7、PZT移相 器8和延迟平台9位于偏振分光棱镜4透射光出射一侧，第一平面镜6的反射面与偏振分 光棱镜4的分光面平行。第二角锥棱镜7安置于PZT移相器8的运动端面，可随其进行 微位移移动。PZT移相器8安置于延迟平台9上，可随其进行大行程三维平移调整。第 二λ/2波片10、光纤耦合镜11、单模保偏光纤12、会聚透镜13和针孔镜14位于直角反 射镜3光束出射一侧。第二λ/2波片10和光纤耦合镜11同轴。

第二平面镜18、第一准直透镜15、λ/4波片16、显微物镜17和被测微球23位于针 孔镜14出射光一侧，被测微球23的球心位于显微物镜17出射的会聚光束中心上。第二 准直透镜19、偏振片20和面阵CCD21位于第二平面镜18反射光出射一侧，第二准直透 镜19和偏振片20同轴，其焦点等效于与针孔重合。面阵CCD21的像面与准直后的平行 光束垂直。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步 说明，所述第一准直透镜15、λ/4波片16、显微物镜17与被测微球23同轴；

第一准直透镜15的焦点与针孔镜14的针孔重合。

具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二作进 一步说明，所述被测微球23的球心位于显微物镜17出射光束的中心。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式一、二或三作进一步说明，短相干激光器1 的出射激光波长523nm，相干长度1mm；单模保偏光纤12长10m，纤芯直径6μm。

所述短相干激光器1的输出功率300mw连续可调，十小时功率稳定性小于1％；

具体实施方式五：本实施方式对实施方式一、二、三或四作进一步说明，偏振片20 的消光比为10000:1。

具体实施方式六：本实施方式对实施方式一、二、三、四或五作进一步说明，偏振片 20的偏振透过方向与发生衍射前的参考光的传播方向相同。

本发明在使用中，显微物镜17可选择放大倍率10倍，数值孔径0.4；面阵CCD21 分辨率2048×2048，像元尺寸7μm，最大支持位深10位；计算机选用专业工控机。

具体实施方式六：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为基于实施方式 一所述微球面型短相干点衍射干涉测量系统的微球面型短相干点衍射干涉测量方法，

短相干激光器1出射的线偏振光束经第一λ/2波片2调整偏振方向后，经直角反射镜 3反射，90°转向，在偏振分光棱镜4的分光面处分为两束；

对延迟平台9进行三维调整，对PZT移相器8进行微位移移动，实现第二角锥棱镜 7的微位移移相运动和大行程光程补偿运动；

合束后的测量光与参考光传播方向一致，偏振方向互相垂直；

单模保偏光纤12末端出射的近似球面波经会聚透镜13和针孔镜14的针孔后，产生 衍射，生成理想球面波；

通过针孔出射的衍射光一部分与另一部分到达面阵CCD21后，形成干涉图样；使PZT 移相器8带动第二角锥棱镜7移动，面阵CCD21采集获得多幅变化的干涉图样，该干涉 图样经计算机22解算，获得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，进而求得两者间光程差，实现被测微球23的表面形貌测量。

具体实施方式七：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式六进 一步说明，旋转第一λ/2波片2改变测量光和参考光的光强比例，实现干涉场对比度的优 化可调；旋转第二λ/2波片10改变单模保偏光纤12出射的测量光与参考光的偏振方向， 使测量光的偏振方向与针孔镜14的反射面平行。

本发明方法的工作原理：

偏振分光棱镜4的分光面将入射光束分为两束，反射光作为测量光，射向第一角锥棱 镜5，并经其180°转向后返回分光面。透射光作为参考光，经第一平面镜6转向，射向 第二角锥棱镜7，同样经过180°转向后返回分光面。第一角锥棱镜5固定不动，而第二 角锥棱镜7则安置于PZT移相器8的运动端。由于测量光与参考光在180°转向后偏振 方向并没有改变，所以在分光面处，测量光仍然反射，参考光仍然透射，合束后到直角反 射镜3的另一反射面转向。

采用单模保偏光纤12进行光束的滤波和传导，能够避免光束在传输过程中产生明显 退偏。单模保偏光纤12末端出射的近似球面波经会聚透镜13、针孔镜14产生衍射，生 成理想球面波。

衍射光的一部分经第一准直透镜15、λ/4波片16、显微物镜17会聚于被测微球表面。 会聚光束中心与球心重合，相当于垂直被测表面入射，经被测表面反射后近似原路返回， 再经针孔镜14上的金属反射面反射。由于存在一定的夹角，反射后光束射向第二平面镜 18，再经第二准直透镜19、偏振片20到达面阵CCD；衍射光的另一部分直接经第二平 面镜18转向，到达面阵CCD，形成干涉图样。PZT移相器8带动第二角锥棱镜7移动， 面阵CCD记录多幅变化的干涉图样，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，实现表面形貌测量。

传统的点衍射干涉测量中，干涉场内的光可分为五部分：经被测微球表面返回的测量 光、直接衍射的测量光、经被测表面返回的参考光、直接衍射的参考光以及环境光。由于 延迟平台的光程补偿作用，使得经被测微球表面返回的测量光与直接衍射侧参考光光程差 近似相等，小于光源的相干长度，可以形成干涉，而其他光束之间的光程差超出相干长度， 无法形成干涉，将作为背景光。即有效的干涉信号为：经被测微球表面返回的测量光和直 接衍射的参考光。背景光为：直接衍射的测量光、经被测表面返回的参考光以及环境光。 虽然旋转第一λ/2波片可以有效的调节测量光与参考光的光强比来调整干涉场的对比度， 但随着光强分配比例的调整，背景光也随之改变，无法获得理想的干涉场对比度。

而本发明中将偏振片的偏振透过方向调整至与发生衍射前的参考光同向。此时，射向 被测微球表面的测量光两次经过λ/4波片16，偏振方向改变90°，可以透过偏振片，而 直接衍射的测量光却无法透过。直接衍射的参考光可直接透过偏振片，而经被测表面返回 的参考光由于两次经过λ/4波片，偏振方向改变90°而无法通过偏振片。所以，此时能 够到达面阵CCD的只有返回的测量光、直接衍射的参考光以及少量的环境光。绝大部分 背景光被偏振片拦截，通过旋转λ/2波片可以改变测量光与参考光的光强比例，得到对比 度良好的干涉条纹，从而实现对比度的优化可调。而旋转λ/2波片可以同时改变单模保偏 光纤出射的测量光与参考光的偏振方向，将测量光的偏振方向调整至与针孔镜反射面平 行，降低针孔表面所镀金属反射膜产生的斜反射像差的影响。

如图2所示，测量透明微球时，要求被测微球直径大于激光光源的相干长度。由于内 外表面都有测量光返回，此时只需根据被测微球直径适当调整延迟平台的光程补偿量，便 可实现被测表面的可控选择。