专利名称：用于微球表面形貌检测的瞬时移相干涉测量仪及采用该测量仪实现微球表面形貌的测量方法
技术领域：
本发明涉及一种用于微球表面形貌检测的瞬时移相干涉测量仪及采用该测量仪实现微球表面形貌的测量方法，属于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，被广泛应用于航天、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。传统对微小球面的检测手段，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，但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时，受机械运动误差影响严重，同时由于采用单点式扫描测量，还存在检测效率低、横向分辨能力差、孤立缺陷点容易遗漏等问题。而对于检测范围相对较大的干涉式测量方法，需要理想球面作为参考面，又会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仪受到环境因素(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检测的瞬时移相干涉测量仪及采用该测量仪实现微球表面形貌的测量方法。本发明所述用于微球表面形貌检测的瞬时移相干涉测量仪，它包括激光器、空间滤波器、第一 X/2波片、第一偏振分光棱镜、X/4波片、显微物镜、微球、第二 X/2波片、第二偏振分光棱镜、光纤稱合器、单模光纤、光纤准直器、第三偏振分光棱镜、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、计算机；所述的空间滤波器、第一 \ /2波片、第一偏振分光镜、A /4波片、显微物镜和微球依次设置在激光器输出的激光束的光轴上，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 X/2波片，经所述第一 X/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X/4波片，经所述X/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X/4波片，经所述X/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 X/2波片，经所述第二 X/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分别加入O、/2、/2的移相量，经所述波片阵列透射的四束光束同时入射至偏振片，经所述偏振片检偏后产生相干光，所述相干光入射至面阵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。采用瞬时移相干涉测量仪实现微球表面形貌的测量方法为，步骤一、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 X/2波片，经所述第一 X/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X/4波片，经所述X/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。采用瞬时移相干涉测量仪实现微球表面形貌的测量方法为，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。本申请采用相干长度比较长的激光束作为检测光束，因此在测量光路中不需要延迟器。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。
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不意图。
具体实施例方式具体实施方式
一:下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述用于微球表面形貌检测的瞬时移相干涉测量仪，它包括激光器1、空间滤波器2、第一 \ /2波片3、第一偏振分光棱镜4、X/4波片5、显微物镜6、微球7、第二 X/2波片10、第二偏振分光棱镜11、光纤稱合器12、单模光纤13、光纤准直器14、第三偏振分光棱镜15、平面反射镜16、第一分光棱镜17、第二分光棱镜18、波片阵列19、偏振片20、面阵CCD21、计算机22 ；空间滤波器2、第一 \ /2波片3、第一偏振分光镜4、X /4波片5、显微物镜6和微球7依次设置在激光器I输出的激光束的光轴上，激光器I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、/2波片3，经所述第一 \ /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\ /4波片5，经所述入/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、/4波片5，经所述\ /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人/2波片10，经所述第二人/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15 ；
经第二偏振分光棱镜11的分光面透射的光束为测量光束，该测量光束作为第二入射测量光束入射至第三偏振分光棱镜15 ；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15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16，经该第三平面反射镜16反射后形成与第四偏振分光棱镜17的分光面平行的光束，并入射至所述第四偏振分光棱镜17，所述第四偏振分光棱镜17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18 ;所述第五偏振分光棱镜18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19，所述波片阵列19对入射的四束光束分别加入O、/2、n、3 /2的移相量，经所述波片阵列19透射的四束光束同时入射至偏振片20，经所述偏振片20检偏后产生相干光，所述相干光入射至面阵CCD光学传感器21的光敏面，在面阵CCD光学传感器21上同时形成四幅干涉条纹图样；面阵CCD光学传感器21的图像电信号输出端连接计算机22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检测的瞬时移相干涉测量仪的进一步限定，本实施方式中，所述激光器I发射的激光束的波长为523nm，相干长度为50m至60m之间，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检测的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检测的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19为2X2的波片阵列，按顺时针顺序分别是O、/2、、3 /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检测的瞬时移相干涉测量仪的进一步限定，本实施方式所述面阵CXD光学传感器21是分辨率为2048 X 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CXD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检测的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采用瞬时移相干涉测量仪实现微球表面形貌的测量方法，步骤一、激光器I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 \ /2波片3,经所述第一 \ /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\ /4波片5，经所述\ /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21将采集获得的四幅干涉条纹图样发送给计算机22，所述计算机22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，本实施方式所述采用瞬时移相干涉测量仪实现微球表面形貌的测量方法，步骤二的具体过程为:计算机22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
权利要求
1.用于微球表面形貌检测的瞬时移相干涉测量仪，其特征在于:它包括激光器(I)、空间滤波器⑵、第一 X /2波片(3)、第一偏振分光棱镜⑷、\ /4波片(5)、显微物镜(6)、微球(7)、第二入/2波片(10)、第二偏振分光棱镜(11)、光纤稱合器(12)、单模光纤(13)、光纤准直器(14)、第三偏振分光棱镜(15)、平面反射镜(16)、第一分光棱镜(17)、第二分光棱镜(18)、波片阵列(19)、偏振片(20)、面阵CCD(21)、计算机(22)， 空间滤波器(2)、第一 X /2波片(3)、第一偏振分光镜(4)、A /4波片(5)、显微物镜(6)和微球(7)依次设置在激光器(I)输出的激光束的光轴上，激光器(I)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 X/2波片(3)，经所述第一 X/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X/4波片(5)，经所述X/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X/4波片(5)，经所述X/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 X/2波片(10)，经所述第二 X/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(15); 经第二偏振分光棱镜(11)的分光面透射的光束为测量光束，该测量光束作为第二入射测量光束入射至第三偏振分光棱镜(15)； 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 (15)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(16)，经该第三平面反射镜(16)反射后形成与第四偏振分光棱镜(17)的分光面平行的光束，并入射至所述第四偏振分光棱镜(17)，所述第四偏振分光棱镜(17)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(18);所述第五偏振分光棱镜(18)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(19)，所述波片阵列(19)对入射的四束光束分别加入O、/2、/2的移相量，经所述波片阵列(19)透射的四束光束同时入射至偏振片(20)，经所述偏振片(20)检偏后产生相干光，所述相干光入射至面阵CXD光学传感器(21)的光敏面，在面阵CCD光学传感器(21)上同时形成四幅干涉条纹图样；面阵CCD光学传感器(21)的图像电信号输出端连接计算机(22)的图像信号采集端。
2.根据权利要求1所述的用于微球表面形貌检测的瞬时移相干涉测量仪，其特征在于:激光器⑴出射激光波长523nm,相干长度为50m至60m之间，输出功率为大于0且小于300mw，连续可调。
3.根据权利要求1所述的用于微球表面形貌检测的瞬时移相干涉测量仪，其特征在于:显微物镜(6)选用20倍放大物镜，该物镜的数值孔径0.4。
4.根据权利要求1所述的用于微球表面形貌检测的瞬时移相干涉测量仪，其特征在于:所述波片阵列(19)为2X2的波片阵列，按顺时针顺序分别是O、/2、、3 /2相位差的偏振波片。
5.根据权利要求1所述的用于微球表面形貌检测的瞬时移相干涉测量仪，其特征在于:所述面阵C⑶光学传感器(21)是分辨率为2048 X 2048、相元为7微米。
6.根据权利要求1至5任意一项权利要求所述的用于微球表面形貌检测的瞬时移相干涉测量仪，其特征在于:它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。
7.采用权利要求1所述采用瞬时移相干涉测量仪实现微球表面形貌的测量方法，其特征是:所述测量方法包括如下步骤: 步骤一、激光器(I)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 X/2波片(3)，经所述第一 X/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入/4波片(5)，经所述入/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(21)将采集获得的四幅干涉条纹图样发送给计算机(22)，所述计算机(22)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。
8.根据权利要求7所述采用瞬时移相干涉测量仪实现微球表面形貌的测量方法，其特征是:步骤二的具体过程为: 计算机(22)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
9.采用权利要求6所述采用瞬时移相干涉测量仪实现微球表面形貌的测量方法，其特征是:所述测量方法为: 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(22)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(22)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。
全文摘要
用于微球表面形貌检测的瞬时移相干涉测量仪及采用该测量仪实现微球表面形貌的测量方法，涉及光学检测空间物体三维形貌领域。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。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；测量光束经透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。
文档编号G01B11/24GK103162616SQ20131007114
公开日2013年6月19日 申请日期2013年3月6日 优先权日2013年3月6日
发明者卢丙辉, 刘国栋, 陈凤东, 甘雨, 刘炳国, 庄志涛 申请人:哈尔滨工业大学