一种基于数字全息的高数值孔径半球面形检测系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半球面形的三维形貌检测系统，更特别地说，是指一种针对大相对口径、大曲率的半球面形的数字全息高数值孔径三维形貌检测系统，属于光学精密检测领域。
【背景技术】
[0002]目前，半球面形的三维形貌检测技术主要有接触式三坐标测量仪、光学干涉检测技术等，光学干涉检测技术中干涉仪的应用最为广泛。数字全息技术利用CCD、CMOS等光电成像探测器件作为记录介质来记录全息图，以数字形式存储，并利用计算机以数字方法模拟再现光学衍射过程，重构三维光场，同时获得光场的振幅和相位信息。其优点包括:(1)以非接触方式检测，对被测物体表面完全无损；(2)记录与再现过程都以数字化形式完成，便于对球面面形的三维信息进行定量分析及数字处理；(3)在数字重构过程中，可方便地运用数字图像处理技术改善数据质量。在专利CN201410152708提出的一种基于子孔径相位拼接的数字全息球面面型检测装置中，虽然采用数字全息技术，但是在其中采用球面标准镜为被测球面生成球面照明光，该球面镜不能对光束进行扩束和高度会聚，输出光束的孔径角较小，对大相对口径、大曲率球面测量来说需要多次移动被测物体相对于光路的位置，测量过程较为复杂且会引入较大的测量误差；而且不能对平行度进行调整，因此系统像差对测量结果的影响较大；采用532nm激光器提供照明，该波长对球面的表面微形貌来说测量范围较小，因此分辨率降低；五维调整安装平台的单向移动范围较小；系统结构不够紧凑，装配比较复杂。
[0003]为了将数字全息技术应用于大相对口径、大曲率的半球面形的三维形貌检测，并获得高精度的测量结果，需要解决一些技术问题:(1)对于大相对口径、大曲率的三维半球表面来说，由于光束方向与光束口径的限制，单次测量无法完成对大相对口径、大曲率的半球表面面形的检测；(2)在检测过程中，为保证测量的准确性，出射光线会聚的焦点需要与半球工装的球心完全重合；(3)测量过程中，被测球面相对于光轴的准确定位；(4)检测系统的合理性设计，稳定性高，便于操作，测量精度高。
【发明内容】
[0004]本发明为了解决上述问题，设计了一种基于数字全息的高数值孔径半球面形检测系统。本系统采用数字全息技术，设计了数字全息检测光路，并且设计了一个与之匹配的高数值孔径标准会聚球面波产生装置，能够接收数字全息检测光路出射的光束并对其进行调整，输出为高数值孔径的标准会聚球面波，为被测半球工装提供照明，这样使得输出的会聚光束有效匹配被测半球面大相对口径、大曲率的特性，提高测量精度。而且，测量中结合子孔径拼接检测技术，针对子孔径获取过程中被测半球工装的移动设计了一个组合机械定位台，结构简单，拆装组合方便，定位精度高，可用于大相对口径、大曲率的半球形物体的表面三维形貌的高精度检测。
[0005]本发明的一种基于数字全息的高数值孔径半球面形检测系统，包括全息检测光路、高数值孔径标准会聚球面波产生装置、半球工装、4维组合机械定位台，半球工装即被测对象；
[0006]全息检测光路包括激光光源、A半波片、偏振分光棱镜、B半波片、第一光束准直单元、第二光束准直单元、光束偏转单元和CCD相机；
[0007]高数值孔径标准会聚球面波产生装置包括5倍扩束镜和小F数激光镜头；
[0008]4维组合机械定位台包括水平方向二维平移台、垂直方向一维平移台和一维旋转台；
[0009]全息检测光路能够出射两束已滤波、准直后的平行光，其中一束进入(XD相机中，作为参考光，另一束输出，进入到高数值孔径标准会聚球面波产生装置中；激光光源是一台高稳定性、高相干性的红光氦氖激光器，能够输出波长632.8nm的激光，激光光束经过A半波片后传输至偏振分光棱镜，被分为两束线偏振光，并分别输入两个光束准直单元;A半波片用于调整入射激光的偏振方向；偏振分光棱镜置于一个小型机械定位台上，可通过微量调节定位台来调整光束的方向，保证两束线偏振光在同一水平面上，操作简单方便；通过A半波片和偏振分光棱镜的配合可实现透射光和反射光的光强比连续可调，调节两束光的分光比，使半球工装表面反射回的光线与参考光的光强比约1:1，得到对比度清晰的干涉图像；通过检偏器的配合，调整B半波片使反射光与透射光的偏振方向保持一致；第一光束准直单元和第二光束准直单元分别接受入射的光束并对其进行滤波、扩束并输出平行光束，二者具有相同的结构，均由空间滤波器和平凸透镜构成；通过平行平晶检测装置检测出射光的平行度，可调节光束准直单元使其输出的光束的平行度和质量达到最佳状态；第一光束准直单元的出射光束经过光束偏转单元折转后经由非偏振分光棱镜直接进入(XD相机中，光束偏转单元用于调节参考光的角度以形成离轴干涉全息；第二光束准直单元的出射光束输出，进入到高数值孔径标准会聚球面波产生装置；CCD相机用于捕获、记录数字全息图。
[0010]高数值孔径标准会聚球面波产生装置用于为被测高数值孔径的半球工装表面提供标准会聚球面波。由于在球面(凹面或凸面)的测量中，光线的F数需要匹配被测球面的相对孔径以得到得被测球面的完整信息，因此，对与高数值孔径的半球工装来说，测量时需要出射光线的F数不大于其相对孔径，才能够覆盖其表面，完成对全表面的测量。
[0011]5倍扩束镜能够接收全息检测光路出射的的一束平行光并对其进行5倍扩束，扩束后的平行光进入小F数激光镜头后出射大像方孔径角的会聚光束；高数值孔径标准会聚球面波产生装置的F数为0.65，出射光线的口径为102mm，像方口径角为43.13度，能够完全满足大相对口径、大曲率的球面的测量要求；该装置能够微量调节入射平行光的平行度，输出系统波前的PV值为0.14 λ，系统误差极小，能够为半球工装的表面测量提供高数值孔径的会聚标准球面波；其适用波长为632.8nm，能够与全息检测光路中的器件匹配。
[0012]4维组合机械定位台用于调整半球工装相对于系统光路的准确定位；水平方向二维平移台用于调节半球形物体的相对于照明会聚球面光束的焦点在水平方向的位置，垂直方向一维平移台用于调节半球形物体的相对于照明会聚球面光束的光轴在垂直方向的高度，两者配合配合，使半球工装的球心位于光轴上并与照明会聚球面光束的焦点重合；由于半球工装的三维特性，单次不能完成对半球工装表面全口径的测量，因此需要采用子孔径拼接检测技术；一维旋转台即用于实验时获取子孔径过程中子孔径获取时的半球工装相对于系统光路的360度旋转。
[0013]本发明的优点在于:
[0014](1)采用数字全息技术来测量球面的三维形貌，单次曝光即可获得球面的信息，操作简单，测量过程中对环境的要求较低，而且，与传统的光学干涉测量方法如标准干涉仪相比，测量过程中不受标准镜的限制，简化测量过程，降低成本；而且可得与标准ZYG0干涉仪相当的测量精度；
[0015](2)高数值孔径标准会聚球面波产生装置可对入射的平行光线进行5倍扩束，并进行高数值孔径会聚，并且能够微量调节入射光线的平行度，有效扩大了出射光线的口径，其像方孔径角为43.13度，F数为0.65，能够满足大相对口径、大曲率的半球面的测量要求，为其表面三维形貌的测量提供高数值孔径的会聚标准球面波；而且，该装置能够对入射光束进行微量平行度调节，系统波前的PV值为0.14 λ，能够有效减小系统像差，提高测量精度；
[0016](3)采用半波片与偏振分光棱镜配合，可同时输出两束线偏振光，并可精确控制照明光和参考光的偏振态和光强比，使参考光与被测半球表面反射的光线的光强比约1:1，得到清晰的干涉图像；而且可通过偏振分光棱镜的定位台调节光束的方向，保证两束线偏振光在同一水平面上，操作简单方便；
[0017](4)本发明采用4维组合机械定位台，结构简单，拆装组合方便，定位精度高，能够为被测半球工装提供准确定位，从硬件上有效减小了子孔径获取中的误差；
[0018](5)本发明系统采用笼式结构搭建，结构紧凑，稳定性高，便于装配调试，操作简单。
【附图说明】
[0019]图1是本发明一种基于数字全息的高数值孔径半球面形检测系统的结构框图；
[0020]图2是本发明一种基于数字全息的高数值孔径半球面形检测系统的全息检测光路框图；
[0021]图3是本发明一种基于数字全息的高数值孔径半球面形检测系统的高数值孔径标准会聚球面波产生装置的框图；
【具体实施方式】
[0022]下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0023]如图1所示，本发明是一种基于数字全息的高数值孔径半球面形检测系统，包括全息检测光路1、高数值孔径标准会聚球面波产生装置2、半球工装3、4维组合机械定位台4 ；
[0024]全息检测光路1如图2所不，包括激光光源1_1、Α半波片1-2、偏振分光棱镜1_3、第一光束准直单元1_4、Β半波片1-5、第二光束准直单元1-6、光束偏转单元1-7、非偏振分光棱镜1-8和(XD相机1-9 ；
[0025]激光光源1-1产生的激光Ι-la经过A半波片1_2形成激光l_2a，输入至偏振分光棱镜1-3，偏振分光棱镜1-3将入射的激光l_2a分为两束偏振方向正交的空间线偏振光l-3a和l-3b，分别输入至第一光束准直单元1-4和B半波片1_5中。偏振分光棱镜1_3与A半波片1_2、B半波片1-5配合，可以调整两束偏振方向正交空间线偏振光l_3a和l_3b的光强比和偏振方向，并且在实验中，通过A半波片1-2与偏振分光棱镜1-3配合可调节两束光的分光比，使半球工装3表面反射回并经过高数值孔径标准会聚球面波产生装置2的光线2b与参考光l_8a的光强比约1:1，得到对比度清晰的干涉图像；
[0026]空间线偏振光l_3b经过B半波片1-5后，进入第二光束准直单元1_6，经过滤波、准直、扩束后输出平行光l_6a，进入光束偏转单元1-7中，光束偏转单元1-7用于调整参考光l_8a的入射角度使其与物光l_8b之间存在一个微小的夹角形成离轴干涉全息图，光束偏转单元1-7对接收的光束l_6a进行方向折转后，输出光束l_7a，经由非偏振分光棱镜
1-8直接进入到(XD相机1-9的光敏面上；
[0027]同时，空间线偏振光l_3a直接进入第一光束准直单元1_4，经过滤波、准直、扩束后输出平行光l_4a，进而经过非偏振分光棱镜1-8后输出平行光la，进入高数值孔径标准会聚球面波产生装置2中；
[0028]非偏振分光棱镜1-8用于接收半球工装3表面反射回并经由高数值孔径标准会聚球面波产生装置2调