制的光线2b，将其折转后输出光束l_8b，进入到CCD相机1-9中，与参考光l_8a在CCD相机1-9的光敏面进行干涉；光束偏转单元1_7折转的平行光束l_7a经由非偏振分光棱镜1-8，形成参考光l_8a，进入CCD相机1_9中，非偏振分光棱镜1_8不对平行光l_4a、光束l_7a这两束光有调制作用；
[0029](XD1-9相机用于捕获和记录数字全息图；
[0030]第一光束准直单元1-4和第二光束准直单元1-6具有相同结构，均由空间滤波器和平凸透镜构成；空间滤波器对进入到光束准直单元的光束l_3a或l_5a进行滤波，继而经过平凸透镜，对滤波后的光进行准直与扩束；
[0031]激光光源1-1用于提供632.8nm的高稳定性、高相干性的激光，可以选取美国Thor labs公司生产的型号为HNL050L的激光器；偏振分光棱镜1-3可以选取北京大丨旦光电公司的GCC-402102型偏振分光棱镜；A半波片1_2和B半波片1_5可选取北京大恒光电公司的GCL-060652型石英多级半波片。
[0032]第一光束准直单元1-4和第二光束准直单元1-6可以由北京大恒光电公司生产的GC0-2105型空间滤波器和GCL-010112型平凸透镜组合而成。
[0033]光束偏转单元1-7可以由北京大恒光电公司生产的GCC-102102型反射镜、美国Thor labs公司生产的C6W笼式立方和B3CR旋转平台构成。
[0034]非偏振分光棱镜1-8可以选取美国Edmund公司的47-571型宽带非偏振分光棱镜;
[0035](XD相机1_9可以选取加拿大Lumenera公司的高分辨率(XD相机，其型号为INFINITY2-5M，分辨率为2448 X 2048像素，像素尺寸为3.45 μ mX 3.45 μ m，最高帧频23，光敏面尺寸2/3英寸，数据接口为USB2.0。
[0036]高数值孔径标准会聚球面波产生装置2如图3所示，包括5倍扩束镜2-1和小F数激光激光镜头2-2。
[0037]高数值孔径标准会聚球面波产生装置2能够对入射光束la进行5倍扩束并会聚，输出为高数值孔径的标准球面波2a ;5倍扩束镜2-1能够接收全息检测光路1出射的的一束平行光la并对其进行5倍扩束，扩束后的平行光2-la进入小F数激光镜头2-2后出射大口径角的会聚光束2a，输出至被测半球工装3 ;F数激光镜头2-2的F数为0.65，像方孔径角43.13度，出射光线的口径角为102mm，像方焦距为30mm，能够为被测半球工装3的高精度三维形貌测量提供高数值孔径的会聚光束；其系统波前的PV值为0.14 λ，能够保证出射光线2a即标准球面波；适用波长为632.8nm，能够与全息检测光路1匹配；同时，高数值孔径标准会聚球面波产生装置2接收半球工装3表面反射的球面波3a，通过F数激光镜头
2-2形成光2-2a，光2-2a经过5倍扩束镜2_1形成小口径的平行光束2b，平行光束2b经过非偏振分光棱镜1-8折转后输出为物光l_8b，入射到CCD相机1-9光敏面与参考光l_8a进行干涉；高数值孔径标准会聚球面波产生装置2对球面波3a进行准直，使携带三维形貌信息的光线变成小口径的平行光束2b。
[0038]4维组合定位机械定位台4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，三者依次从下往上进行装配组合，半球工装3固定在一维旋转台上，其对称轴与一维旋转台的旋转轴重合；
[0039]4维组合机械定位台4结构简单，拆装组合方便，定位精度高，能够为半球工装3提供准确的定位；为使因定位引入的像差尽量小，机械定位机构的精度要求尽可能高，这样可从硬件装置中保证测量准确性，该4维组合定位台具有4维运动，单程平移精度为0.001_。其中，水平方向二维平移台和垂直方向一维平移台配合使用，使半球工装3的球心与照明会聚标准球面光2a的焦点重合；一维旋转台可将被测半球工装3进行360度旋转，用于子孔径获取时半球工装3相对于系统光路的定位，便于完成被测半球工装整个表面全方位的测量。在本发明中，4维组合机械定位台4中的水平方向二维平移台可选用由北京大恒光电公司生产的GCM-120302BM二维燕尾移动台，垂直方向一维平移台可选用GCM-1601M钢丝式微型升降台，一维旋转台可选用日本SIGMA Κ0ΚΙ公司生产的KSP-406FP粗微调转动平台，单程平移精度为0.001_，将这三部件进行装配组合，即可对被测半球工装进行4维高精度定位。
[0040]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的完整描述为:全息检测光路1将激光光源1-1出射的激光Ι-la进行滤波、准直、扩束，输出为高相干的平行光束l_8a和la，其中l_8a作为参考光直接入射至(XD相机1_9的光敏面，一束la进入高数值孔径标准会聚球面波产生装置2 ;实验中通过A半波片1-2与偏振分光棱镜1-3配合调节两束光的分光比，使物光l_8b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；高数值孔径标准会聚球面波产生装置2接收全息检测光路1输出的平行光la，并由5倍扩束镜2-1对其进行5倍扩束，然后经过小F数激光镜头2-2后会聚，输出为标准球面波2a，对半球工装3的表面进行照射，经半球工装的表面反射形成的包含三维形貌信息的光束3a，再返回高数值孔径标准会聚球面波产生装置2，经调制后输出平行光束2b，经过非偏振分光棱镜1-8折转后输出为物光l_8b，入射到CCD相机1-9的光敏面，与参考光l_8a在CCD相机1-9的光敏面发生干涉叠加，被CCD相机1-9捕获并记录下来，得到数字全息图；
[0041]调节4维组合机械定位台4中的水平方向二维平移台和垂直方向一维平移台，将被测半球工装3的球心置于高数值孔径会聚光束2a的焦点；在测量过程中，保持水平方向二维平移台和垂直方向一维平移台不变；根据光线口径、被测球面的R数及重叠率设计子孔径分布及相邻两子孔径的旋转角度，将一维旋转台按该角度依次旋转，每次拍摄一幅全息图，旋转一周结束，得到一组覆盖半球工装3全表面的全息图。
【主权项】
1.一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； 全息检测光路包括激光光源、A半波片、偏振分光棱镜、第一光束准直单元、B半波片、第二光束准直单元、光束偏转单元、非偏振分光棱镜和CCD相机； 激光光源产生的激光Ι-la经过A半波片形成激光l_2a，输入至偏振分光棱镜，偏振分光棱镜将入射的激光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和B半波片中； 空间线偏振光l_3b经过B半波片后，进入第二光束调整单元，经过滤波、准直、扩束后输出平行光l_6a，进入光束偏转单元中，光束偏转单元对接收的光束l_6a进行方向折转后，输出光束1-7a，进入非偏振分光棱镜1-8 ； 空间线偏振光l_3a直接进入第一光束准直单元，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中； 非偏振分光棱镜接收半球工装表面反射回并经由高数值孔径标准会聚球面波产生装置调制的光线2b，将其折转后输出光束l_8b，进入到CCD相机中，光束偏转单元折转的平行光束l-7a经由非偏振分光棱镜，形成参考光l_8a，进入CCD相机中，光束l_8b与参考光1-8a在CCD相机的光敏面进行干涉，CCD相机捕获和记录数字全息图； 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数激光激光镜头； 5倍扩束镜接收全息检测光路出射的平行光la并对其进行5倍扩束，扩束后的平行光2-la进入小F数激光镜头后出射大口径角的会聚光束2a，输出至被测半球工装；同时，高数值孔径标准会聚球面波产生装置2接收半球工装3表面反射的球面波3a，通过F数激光镜头2-2形成光2-2a，光2-2a经过5倍扩束镜2_1形成小口径的平行光束2b，输出至非偏振分光棱镜； 4维组合定位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，三者依次从下往上进行装配组合，半球工装固定在一维旋转台上，其对称轴与一维旋转台的旋转轴重合；一维旋转台能够将被测半球工装进行360度旋转，水平方向二维平移台和垂直方向一维平移台配合，使半球工装的球心与照明会聚标准球面光2a的焦点重合；一维旋转台用于子孔径获取时半球工装相对于系统光路的定位。2.根据权利要求1所述的一种基于数字全息的高数值孔径半球面形检测系统，所述的偏振分光棱镜与A半波片、B半波片配合，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，通过A半波片与偏振分光棱镜配合调节两束光的分光比，使半球工装表面反射回并经过高数值孔径标准会聚球面波产生装置的光线2b与参考光l_8a的光强比约1:1。3.根据权利要求1所述的一种基于数字全息的高数值孔径半球面形检测系统，所述的第一光束准直单元和第二光束准直单元具有相同结构，均由空间滤波器和平凸透镜构成。4.根据权利要求1所述的一种基于数字全息的高数值孔径半球面形检测系统，所述的高数值孔径标准会聚球面波产生装置由5倍扩束镜和小F数激光激光镜头组合而成，其F数为0.65，像方孔径角43.13度，出射光线的口径角为102mm，像方焦距为30mm，能够微量调节入射激光的平行度，为被测半球工装的高精度三维形貌测量提供高数值孔径的标准会聚球面波。
【专利摘要】本发明公开了一种基于数字全息的高数值孔径半球面形检测系统，该系统采用数字全息检测技术对大相对口径、大曲率的半球表面面型进行高精度的三维形貌的检测。针对被测半球面的相对口径和曲率，设计数字全息球面检测光路系统，并采用高数值孔径标准会聚球面波产生装置为被测球面提供高度会聚的标准球面波，其F数为0.65，像方孔径角43.13度。为了保证被测半球工装相对于系统光路的准确定位，采用4维组合机械定位台对半球工装相对于光路系统进行准确定位，其单程的移动精度为0.001mm。该系统通过笼式立体结构使得各光学器件的布局结构紧凑、稳定、便于调节，可用于大相对口径、大曲率的精密半球形轴承、光学透镜等组件的球面三维形貌的高精度检测。
【IPC分类】G01B11/24, G01B9/023
【公开号】CN105300312
【申请号】CN201510853973
【发明人】潘锋, 肖文, 吕晓云, 董斌, 侯雪琴, 车蕾平
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年11月30日