专利名称：差动共焦与点衍射干涉相结合测量球体形貌及壁厚的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光学精密测量技术领域，可用于球体表面形貌、轮廓的测量以及透明
或半透明空心球体的内外表面轮廓、形貌和壁厚测量。
背景技术：
空心玻璃微球具有质轻、高强、隔热、耐腐蚀、不燃烧、电绝缘、化学惰性和流动性好等优点，在核聚变、储氢、深海探测、航空航天以及药物诊断等方面有着广泛的应用。
激光惯性约束核聚变(ICF)实验常用靶丸是内含D2或DT等热核燃料的微球，通常认为靶丸内外表面的轮廓以及壁厚等微观几何参数是引起瑞利_泰勒流体不稳定性的重要因素。在内爆加速期间，微小的表面扰动可能扩大ioo倍甚至更多，造成靶丸不对称压縮或破裂，最终导致打靶失败。因此，耙丸表面形貌的精确测量、分析与控制对于ICF内爆试验具有重要的现实意义。 表面形貌分析首先需要获取靶丸表面轮廓数据。常用的靶丸直径为100 2000 ii m，壁厚为0. 5 20 ii m，壁厚偏差要求在0. 03 0. 5 y m。由于靶丸的尺寸微小，耙壳脆弱，装夹和定位都很困难，难以实现精确无损测量。 目前，基于空心玻璃微球的新材料的研究是国际材料研究的一个热点。通过调节空心微球的尺寸、成分、结构和表面形貌等参数，空心微球材料可实现对光、热、电、磁以及催化等性质进行大范围的裁剪，这就是空心微球的表面功能化。利用表面功能化可以进一步扩展玻璃微球的功能特性，展现出更为广阔的应用前景。 但是目前在该研究领域存在一定的问题，大多数的研究主要集中在空心球体的加工工艺和应用方面，在空心球体检测领域的研究少，尤其是与表面功能化相关的空心微球的表面特性(如表面形貌等)的研究更少，很难实现对复合微球性能实现真正的化学剪裁。因此对空心球体组成成分和表面形貌进行精确测量是进行玻璃微球表面功能化研究亟待解决的技术难题。 空心微球表面形貌检测常采用原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线法，但都有其局限性AFM由于其测量范围的限制，只能测量很小的外表面区域，不能测量壁厚以及内表面；SEM需要测量对象是导体，而空心微球本身不导电，在测量前需要对靶丸表面蒸上一层碳用来导电，会引入误差，另外，SEM操作也需要在真空环境中进行，对测试环境要求非常高；X射线法只能根据图像进行定性的判断而无法实现定量测量。
针对空心微球的测量，国内外的学者进行了大量的研究。2000年美国GeneralAtomic (GA)公司的R. B. St印hens等人将原子力显微镜、精密旋转轴系和光纤干涉技术相结合，用原子力显微镜测量空心微球外表面轮廓的高度值，用光纤干涉法沿相同的轨迹测量空心微球的壁厚，将外表面轮廓的高度值减去壁厚，得到了内表面轮廓的高度值。但是，在此方法中，对空心微球内表面的测量是通过干涉法测量壁厚间接实现的，存在以下问题光斑直径大(100 i！ m)，分辨力低，干涉测量壁厚的轨迹与原子力显微镜测量外表面的轨迹无法完全重合，会弓I入测量误差。 原子力显微镜(AFM)等探针式显微测量装置在测量空心微球时，由于是沿着
一定的轨迹进行"逐点"扫描测量，测量轨迹以外的地方是测量不到的，这样就可能疏漏
一些关键的表面形貌信息，如图6所示。为了解决这类问题，美国Lawrence Livermore
NationalLaboratory实验室的R. C. Montesanti等人于2006年提出利用移相干涉技术测量
空心微球的外表面形貌。与探针式的"逐点"测量方式相比，干涉法是"逐面"测量，不但可
以提高测量效率，而且不会漏测任何表面形貌。但是，这种方法只能测量空心微球的表面形
貌，无法测量壁厚，同时其测量的数据无法与后续的功率谱等评价算法相结合。 国内对空心微球测量进行的研究主要是跟踪国外的先进技术。在《强激光与粒子
束》2005年第12期上发表的《靶丸表面轮廓形貌AFM精密测量及特性评价》中，哈尔滨工业
大学研制的表面轮廓仪采用原子力显微镜与精密回转气浮轴系等相结合，实现了空心微球
表面3个正交方向上的精确转换与测量。但是这种方法只能测量空心微球的外表面轮廓，
无法测量空心微球的内表面轮廓和壁厚。在《原子能科学技术》2008年第2期上发表的《相
移干涉法测量ICF微球内表面粗糙度》中，提出了相移干涉法测量空心微球内表面粗糙度的
方法。但此方法测量过程中，干涉条纹除了受温度、气流等环境因素的影响外，还会受到空
心微球外表面粗糙度的影响，并且这种方法只能测量空心微球内表面的粗糙度。 以上测试方法的共性在于无法用一种方法同时测量空心微球内外表面的形貌和壁厚。 近年来，国内外显微成像领域的共焦技术发展迅速，该技术以轴向的光强响应曲 线作为评价尺度，具有精度高、抗干扰能力强、具有高层析成像能力等特点。例如中国专利 "具有高空间分辨率的差动共焦扫描检测方法"(专利号200410006359. 6)，其提出了超分 辨差动共焦检测方法，使系统轴向分辨力达到纳米级，并显著提高了抗环境扰动能力。共 焦技术主要适用于微观显微测量领域；点衍射干涉技术目前主要用于光学器件的面型测量 等。但利用一个光路将差动共焦技术与点衍射干涉技术相结合，实现空心球体内外表面形 貌以及壁厚的同时测量的报道，迄今为止尚未见到。
发明内容
本发明的目的是为了解决空心球体内外表面轮廓、形貌和壁厚等几何参数高精度 无损测量的问题，提出一种利用一个光路将点衍射干涉与差动共焦技术有机融合，实现空 心球体内外表面形貌、轮廓和壁厚的测量方法与装置，通过测量干涉条纹可以快速测量空
心球体的外表面形貌；通过共焦技术与高精度多维工作台相配合，精确的测量光束焦点聚
焦到空心球体内、外表面时工作台的位置，进而得到测量球体的内、外表面轮廓高度数据， 经计算就可以得到壁厚数据。 本发明的目的是通过下述技术方案实现的。 本发明差动共焦与点衍射干涉相结合测量球体形貌及壁厚的方法，包括以下步 骤 ①从带反射功能的点光源1发出的光，经过分光镜2分为两部分，透射的光经过物 镜5会聚到透明或半透明的空心球体7 ;经空心球体7表面反射的光，再次通过物镜5，被分 光镜2分为两部分，反射的光进入差动共焦探测系统8，透射的光被点光源1反射面反射，与点光源发出的另一束光一起依次被分光镜2反射、物镜3会聚，在CCD4表面发生干涉，并由 CCD4探测到带有空心球体7表面信息的干涉条纹； ②当工作于点衍射干涉测量时，通过多维工作台6调整，使投射到空心球体7表面 的聚焦光斑大小合适； ③通过多维工作台6带动空心球体7的旋转，CCD4可以测得多幅干涉图像；通过 已有技术的子孔径拼接算法对干涉图像进行处理，测得空心球体7表面的形貌。
④当工作于差动共焦测量时，通过多维工作台6的移动，使光的焦点依次投射到 空心球体7的外表面和内表面，差动共焦探测系统8响应曲线上的零点25、零点26分别对 应物镜5聚焦到空心球体7夕卜、内表面位置； ⑤通过差动共焦探测系统8依次探测零点25、零点26，来分别测量与探测零点25 和零点26对应的多维工作台6的位置，其值分别记为a和b ; 其中a为瞄准点对应空心球体7外表面形貌的高度值，b为瞄准点对应空心球体7 内表面形貌的高度值； a和b相减得到空心球体7在瞄准点处的壁厚27 ; ⑦空心球体7随着多维工作台6匀速旋转，旋转过程中重复使用步骤④，得到空
心球体7外表面轮廓的高度值数据{ai， a2， a3，
b3，…，
廓；
廓；
高干涉》:
bn}及每个瞄准点相对应的旋转角度值{e ⑧由{ an}禾p {e^ e2， e3
⑨由ftv b2， b3
bn}禾口 {e工，e 2， e
aj、内表面轮廓的高度值数据ftv b2， ，9 2， 9 3， ， 9 n}; ...，9 n}计算空心球体7的外表面轮
...，e n}计算空心球体7的内表面轮
a2， a3， . . . ， an}和&， b2， b3， . . . ， bn}相减，得到一组空心球体7的壁厚
:方法还可以对光源进行移相，在CCD4获得多幅移相干涉图，提
t方法还可以通过移动工作台6进行移相，在CCD4获得多幅移相
⑩由
A2， A3， . ， An
本发明所述的测 J量的精度。 本发明所述的测』 干涉图，提高干涉测量的精度。 本发明所述的测量方法还可以用一个放置在焦点的共焦探测器29代替差动共焦 探测系统8中对称放置在焦前、焦后的探测器13和探测器11。 本发明还提供了差动共焦与点衍射干涉相结合测量球体形貌及壁厚的装置，包括 光源14、物镜15，其特征在于还包带反射功能的小孔16、分光镜2、物镜3、 CCD4、物镜5、 工作台6和差动共焦探测系统8 ;其中物镜15、带反射功能的小孔16依次放在光源14出射 光线方向，并且小孔16放在物镜15的焦点处，分光镜2放在点光源1的出射方向，物镜3 和CCD4依次放置在分光镜2的反射方向，物镜5和工作台6依次放置在分光镜2的透射方 向，差动共焦探测系统8放置在分光镜2反射方向的反方向，差动共焦探测系统8中的针孔 10、探测器11依次放置在分光镜9的透射方向，针孔12、探测器13依次放置在分光镜9的 反射方向，并且将探测器11置于焦后，探测器13置于焦前，探测器11和探测器13关于焦 点对称； 本发明测量装置还可以用一个放置在焦点的共焦探测器29代替差动共焦探测系统8中对称放置在焦前、焦后的探测器13和探测器11。 本发明测量装置还可以用端面镀反射膜的光纤22代替小孔16，实现具有强反射 能力的点光源功能。 本发明对比已有技术具有以下发明点 1.利用一个光路将点衍射干涉与差动共焦式技术有机融合，实现空心球体表面形 貌的测量。首先可以利用点衍射干涉可以对空心球体的外表面形貌进行快速测量，找出关 键区域或关键轨迹，然后用差动共焦式技术对关键区域或关键的轨迹进行"逐点"测量，点 面结合，提高测量效率和测量结果的可靠性。 2、利用差动共焦技术具有高层析成像能力这一特性进行瞄准触发，配合工作台的
移动和高精度位移传感器，实现空心球体内外表面形貌、轮廓和壁厚的同时测量。 3、用一个传感器实现空心球体内外表面轮廓和壁厚的同时测量，测量轨迹完全相
同，避免了用不同方法分别测量空心球体内外表面和壁厚情况下测量轨迹不同引入测量误差。
采用上述技术后，本发明具有如下显著优点 1、提高测量效率，避免漏测任何关键的表面形貌，并且两种测量结果相互验证，提 高测量结果的可靠性； 2、差动相减探测方法可以抑制环境变化、光源波动、探测器漂移等共模噪声，显著 提高测量系统的信噪比和灵敏度等； 3、点衍射干涉与差动共焦技术的测量属于光学测量方法，与被测样品无接触、也 不需要对样品做任何处理，属于无损检测，测量条件简单易满足。
图1为采用差动共焦探测系统的测量方法示意图； 图2为采用共焦探测系统的测量方法示意图； 图3为本发明测量装置的示意图； 图4为本发明实施例的示意图； 图5为本发明实施例的差动响应曲线图； 图6为探针式传感器逐点法测量漏测关键点示意图。 其中1-具有反射能力的点光源、2_分光镜、3_物镜、4-(^0、5-物镜、6_工作台、 7-空心球体、8-差动共焦探测系统、9-分光镜、10-针孔、ll-探测器、12-针孔、13-探测器、 14-光源、15-物镜、16-小孔、17-反光镜、18-压电陶瓷驱动的反射镜、19-分光镜、20-光 源、21-物镜、22-端面镀反射膜的光纤、23-测控系统、24-计算机、25_零点、26_零点、 27-壁厚、28-针孔、29-探测器。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 首次提出一种利用一个光路将点衍射干涉与差动共焦技术有机融合，实现空心球 体内外表面形貌及壁厚的测量。 本发明的基本思想是利用点衍射干涉技术，通过测量干涉条纹可以快速测量空心球体的外表面形貌；通过差动共焦技术与高精度多维工作台相配合，精确的测量光束焦点 聚焦到空心球体内、外表面时工作台的位置，进而得到球体的内、外表面轮廓高度数据，通 过计算就可以得到壁厚数据。
实施例 如图4所示，差动共焦与点衍射干涉相结合测量球体形貌及壁厚的方法，其测量 步骤是 首先，打开光源20，射出平行光经过由分光镜19、反射镜17和压电陶瓷驱动反射 镜18组成的移相系统的作用，变成可移相的平行光，再经物镜21会聚到光纤22的入射端， 从光纤22出射端射出的光，依次经过分光镜2和物镜5，会聚在空心球体7的表面，光线再 由空心球体7的表面反射后，通过物镜5，被分光镜2分为两部分一部分反射到差动共焦 测量系统8，一部分透射到光纤22的出射端，经过光纤22出射端反射面的反射，与其发出的 光一起经过分光镜2的反射、物镜3的汇聚，在CCD4表面发生干涉，CCD4探测到带有空心 球体7的表面形貌信息干涉条纹； 当系统工作在干涉测量时，通过测控系统23控制多维工作台6移动，使投射到空 心球体7表面的聚焦光斑大小合适； 然后通过测控系统23控制驱动压电陶瓷使反射镜18移动，可以产生多幅移相干 涉图，用CCD4测量干涉图，并将测量结果传送到计算机24 ; 而后通过测控系统23控制工作台6旋转，重复上述测量步骤，可以得到空心球体 全表面的移相干涉图； 最后通过计算机24对这些干涉图进行计算处理，就可以得到空心球体7的外表面 形貌。 当系统工作在差动共焦测量时，进入差动共焦探测系统的光被分光镜9将光线分 成两路，透射光线经过针孔10照射到探测器11，反射光线经过针孔12照到探测器13 ;通过 测控系统23控制工作台6在光轴方向作往复扫描。差动共焦瞄准系统10的响应曲线如图 5所示。通过探测零点25来确定物镜5的焦点瞄准到了球体7的外表面，触发测控系统23 测量工作台6的位置，其值记为a， a为空心球体7外表面所瞄准点轮廓的高度值。
然后，工作台6沿光轴继续向左移动扫描，通过探测零点26来确定物镜5的焦点 瞄准到了球体的内表面，触发测控系统测量工作台6的位置，其值记为b，b为空心球体内表 面所瞄准点轮廓的高度值。 a与b相减得到空心球体7在瞄准点处的壁厚27。 而后，空心球体7随着工作台6匀速旋转，重复上述的测量步骤，直到完成一周的 旋转测量，得到空心球体7外表面的轮廓的高度值数据{ai， a2， a3，. . . ， an}、内表面轮廓的高
度值数据ftvlvlv... ，bn};同时得到每个瞄准点相对应的旋转角度值{e p e 2， e 3，...，
e n}。 而后，由最小二乘法评定圆度误差，由下式计算空心球体7所测外表面圆第i点的 径向误差
<formula>formula see original document page 8</formula> 其中，e 。i为第i点相对于空心球体外表面最小二乘圆周径向的距离，ai为空心球
<formula>formula see original document page 8</formula>体7外表面第i点轮廓的高度值，e,为第i点对应的旋转角度。
空心球体7外表面的圆度误差为
f外—(￡ oi)max-( ￡ oi) min (2)
而后，由下式计算空心球体7所测内表面圆第i点的径向误差
<formula>formula see original document page 9</formula> 其中，e si为第i点相对于空心球体内表面最小二乘圆周径向的距离，bi为空心球
体7内表面第i点轮廓的高度值，e,为第i点对应的旋转角度。
空心球体7内表面的圆度误差为<formula>formula see original document page 9</formula>
最后，由下式计算空心球体7的i点处的壁厚
△ i = a广bi (5)
如图4所示，差动共焦与点衍射干涉相结合测量球体形貌及壁厚的装置，包括点光源l，其中包括光源20、反射镜17、压电陶瓷驱动反射镜18、分光镜19、物镜21和出射端面镀反射膜的光纤22 ;还包括依次放置在点光源1出射方向的分光镜2、物镜5和多维工作台6 ;还包括依次放置在分光镜2反射方向的物镜3和CCD4 ;还包括放置在分光镜2反射方向反方向的差动共焦探测系统8，其中包括分光镜9，依次放置在分光镜9透射方向的针孔10和探测器ll，依次放置在分光镜9反射方向的针孔12和探测器13，探测器11放置在焦后，探测器13放置在焦前，二者位置关于焦点对称； 当系统工作在点衍射干涉测量时，通过测控系统23控制多维工作台6移动，使投射到空心球体7表面的聚焦光斑大小合适；然后通过测控系统23控制驱动压电陶瓷使反射镜18移动，可以产生多幅移相干涉图，用CCD4测量干涉图，并将测量结果传送到计算机24，通过工作台6带动空心球体7旋转，可以测得全部球面的移相干涉图，通过计算机计算处理，可以得到空心球体7的表面形貌； 当系统工作在差动共焦测量时，空心球体7，分光镜2，将光束反射到差动共焦测量系统8中的分光镜9，分光镜9将光束分成两部分透射光线经过针孔10，照射到探测器11上；反射光线经过针孔12，照射到探测器13上。纳米级微位移工作台6带动空心球体7在光轴方向做往复运动扫描。在扫描过程中，物镜5的焦点先后瞄准到球体7的外表面和内表面，分别对应差动共焦传感器输出响应曲线中零点25、零点26。利用这两个零点去触发测控系统23去记录微位移工作台6的传感器输出的位移值，即可得到空心球体7在这一点的内外表面表面轮廓值以及壁厚。工作台6带动空心球体7做匀速旋转，重复上述测量步骤得到一系列空心球体7的内外表面轮廓值和相对应的旋转角度值。通过对这些数据的处理，就可以得到空心球体7的内外表面的轮廓和壁厚。 此实施例通过一系列的措施实现了空心球体内、外表面形貌和壁厚的快速、高精度测量，实现了基于点衍射干涉和共焦技术的空心球体内外表面形貌及壁厚测量方法与装置，与其它测量方法相比，具有能同时测量内外表面形貌及壁厚、测量精度高、速度快、抗干扰能力强、不漏测等优点。 以上结合附图对本发明的具体实施方式
作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围'
权利要求
差动共焦与点衍射干涉相结合测量球体形貌及壁厚的方法，其特征在于①从带反射功能的点光源(1)发出的光，经过分光镜(2)分为两部分，透射的光经过物镜(5)会聚到透明或半透明的空心球体(7)；经空心球体(7)表面反射的光，再次通过物镜(5)，被分光镜(2)分为两部分，反射的光进入差动共焦探测系统(8)，透射光被点光源(1)反射面反射，与点光源发出的另一束光一起依次被分光镜(2)反射、物镜(3)会聚，在CCD(4)表面发生干涉，并由CCD(4)探测到带有空心球体(7)表面信息的干涉条纹；②当工作于点衍射干涉测量时，通过多维工作台(6)调整，使投射到空心球体(7)表面的聚焦光斑大小合适；③通过多维工作台(6)带动空心球体(7)的旋转，CCD(4)测得多幅干涉图像并经过子孔径拼接算法处理，测得空心球体(7)表面的形貌。④当工作于差动共焦测量时，通过多维工作台(6)的移动，使光的焦点依次投射到空心球体(7)的外表面和内表面，差动共焦探测系统(8)响应曲线上的零点(25)、零点(26)分别对应物镜(5)聚焦到空心球体(7)外、内表面位置；⑤通过差动共焦探测系统(8)依次探测零点(25)、零点(26)，来分别测量与探测零点(25)和零点(26)对应的多维工作台(6)的位置，其值分别记为a和b；其中a为瞄准点对应空心球体(7)外表面形貌的高度值，b为瞄准点对应空心球体(7)内表面形貌的高度值；⑥a和b相减得到空心球体(7)在瞄准点处的壁厚(27)；⑦空心球体(7)随着多维工作台(6)匀速旋转，旋转过程中重复使用步骤④，得到空心球体(7)外表面轮廓的高度值数据{a1，a2，a3，...，an}、内表面轮廓的高度值数据{b1，b2，b3，...，bn}及每个瞄准点相对应的旋转角度值{θ1，θ2，θ3，...，θn}；⑧由{a1，a2，a3，...，an}和{θ1，θ2，θ3，...，θn}计算空心球体(7)的外表面轮廓；⑨由{b1，b2，b3，...，bn}和{θ1，θ2，θ3，...，θn}计算空心球体(7)的内表面轮廓；⑩由{a1，a2，a2，...，an}和{b1，b2，b3，...，bn}相减，得到一组空心球体(7)的壁厚值{Δ1，Δ2，Δ3，...，Δn}。
2. 根据权利l所述的差动共焦与点衍射干涉相结合测量球体形貌及壁厚的方法，其特 征在于还可以对光源进行移相，在CCD(4)获得多幅移相干涉图，提高干涉测量的精度。
3. 根据权利l所述的差动共焦与点衍射干涉相结合测量球体形貌及壁厚的方法，其特 征在于还可以通过移动工作台(6)进行移相，在CCD(4)获得多幅移相干涉图，提高干涉测 量的精度。
4. 根据权利l所述的差动共焦与点衍射干涉相结合测量球体形貌及壁厚的方法，其 特征在于差动共焦探测系统(8)中对称放置在焦点前、焦点后的探测器(13)和探测器(II) ，还可以用一个放置在焦点的共焦探测器(29)来代替。
5. 差动共焦与点衍射干涉相结合测量球体形貌及壁厚的装置，包括光源(14)、物镜 (15)，其特征在于还包括带反射功能的小孔(16)、分光镜(2)、物镜(3) 、CCD(4)、物镜(5)、 工作台(6)和差动共焦探测系统(8);其中物镜(15)、带反射功能的小孔(16)依次放在光 源(14)出射光线方向，并且小孔(16)放在物镜(15)的焦点处，分光镜(2)放在点光源(1) 的出射方向，物镜(3)和CCD(4)依次放置在分光镜(2)的反射方向，物镜(5)和工作台(6) 依次放置在分光镜(2)的透射方向，差动共焦探测系统(8)放置在分光镜(2)反射方向的反方向，差动共焦探测系统(8)中的针孔(10)、探测器(11)依次放置在分光镜(9)的透射 方向，针孔(12)、探测器(13)依次放置在分光镜(9)的反射方向，并且将探测器(11)置于 焦后，探测器(13)置于焦前，探测器(11)和探测器(13)关于焦点对称。
6. 根据权利要求5所述的差动共焦与点衍射干涉相结合测量球体形貌及壁厚的装置， 其特征还在于差动共焦探测系统(8)中对称放置在焦前、焦后的探测器(13)和探测器 (ll)，还可以用一个放置在焦点的共焦探测器(29)来代替。
7. 根据权利要求5所述的差动共焦与点衍射干涉相结合测量球体形貌及壁厚的装置， 其特征还在于还可以用端面镀反射膜的光纤(22)代替小孔(16)，实现具有强反射能力的 点光源功能。
全文摘要
本发明属于光学精密测量领域，涉及差动共焦技术与点衍射干涉相结合测量球体内外表面形貌及壁厚的方法与装置。该方法利用点衍射干涉和被测球体的旋转及测量子孔径拼接，实现对球体外表面形貌高精度快速测量；利用差动共焦技术对透明或半透明球体的关键区域进行内外表面形貌及壁厚的逐点扫描测量。本发明将点衍射干涉技术与共焦显微技术有机融合，以期实现球体内外表面形貌和壁厚的同时测量。旨在解决现有AFM或单一共焦传感器等扫描法测量球体表面时存在测量速度慢、效率低、易漏测等难题。本发明在激光核聚变靶丸形貌和壁厚测试、球体表面形貌和轮廓测试等领域具有广泛的应用前景。
文档编号G01B11/06GK101718531SQ200910237439
公开日2010年6月2日 申请日期2009年11月6日 优先权日2009年11月6日
发明者吴朔, 赵维谦, 邱丽荣, 郭俊杰 申请人:北京理工大学