CN102519358A - 用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量仪及测量方法，属于空间物体三维形貌的光学检测技术领域。它解决了传统对微小球面的检测手段存在的单次测量检测范围小及参考面理想球面制造困难的问题。本发明装置包括短相干激光器、二分之一波片、起偏器、第一四分之一波片、第二四分之一波片、直角延迟棱镜、偏振分光镜、检偏器、光纤耦合器、单模单芯光纤、直角移相棱镜、汇聚透镜、针孔片、刀口反射镜、显微物镜、大尺寸CCD和计算机；本发明方法通过上述装置形成的光路，调节被测微小球进行旋转，获得相应的微小球形貌参数，实现微小球面的形貌检测。本发明适用于微小球面三维形貌的检测。

Description

用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量仪及测量方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量仪及测量方法，属于空间物体三维形貌的光学检测技术领域。

背景技术

微小球面作为最常用的元器件形态之一，被广泛应用于航天、军事、工业、医疗等领域，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，检测结果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，又会存在参考面精度不高，制造困难等问题，同时由于杂散光的影响，使得干涉场对比度较低，条纹难于分辨，影响测量精度。

发明内容

本发明的目的是解决传统对微小球面的检测手段存在的单次测量检测范围小及参考面理想球面制造困难的问题，提供一种用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量仪及测量方法。

本发明所述用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量仪，它包括短相干激光器、二分之一波片、起偏器、第一四分之一波片、第二四分之一波片、直角延迟棱镜、偏振分光镜、检偏器、光纤耦合器、单模单芯光纤、直角移相棱镜、汇聚透镜、针孔片、刀口反射镜、显微物镜、大尺寸CCD和计算机，

短相干激光器的出射激光束经二分之一波片和起偏器形成偏振光，该偏振光入射至偏振分光镜后被分为两束，其中透射光束经第二四分之一波片后入射至直角移相棱镜，该直角移相棱镜反射的光束作为参考光束入射至第二四分之一波片，经第二四分之一波片透射后入射至偏振分光镜，

经偏振分光镜的反射光束经第一四分之一波片入射至直角延迟棱镜，该直角延迟棱镜反射的光束作为测量光束入射至第一四分之一波片，经第一四分之一波片透射后入射至偏振分光镜，

所述参考光束和测量光束在偏振分光镜上会合后入射至检偏器，经该检偏器形成线偏振光，该线偏振光通过光纤耦合器耦合后进入单模单芯光纤，在单模单芯光纤的出射端形成近似球面波，该近似球面波发射至汇聚透镜，经该汇聚透镜透射后形成高斯光束，该高斯光束汇聚至针孔片的针孔处，经针孔片衍射后获得理想球面波；

该理想球面波的二分之一被刀口反射镜反射到大尺寸CCD上作为参考光束，该理想球面波的另外二分之一经显微物镜汇聚到被测微小球面上，经被测微小球表面反射的反射光束沿原光路返回、并汇聚至针孔片，经针孔片反射的反射光被刀口反射镜反射到大尺寸CCD上作为测量光束，

大尺寸CCD的信号输出端连接计算机的信号输入端。

所述衍射干涉测量仪还包括真空吸附二维转台，所述真空吸附二维转台用于放置被测微小球，真空吸附二维转台的转台控制信号输入端连接计算机的二维转台控制信号输出端。

所述衍射干涉测量仪还包括微位移驱动平台、所述微位移驱动平台的台面刚性连接直角移相棱镜，微位移驱动平台的位移控制信号输入端连接计算机的位移控制信号输出端。

所述针孔片与显微物镜相对侧的表面镀有波长523nm的高反射率膜层。

所述显微物镜的主光轴通过针孔片的针孔中心，并与针孔片的法线方向呈10°夹角。

所述短相干激光器的出射激光波长523.8nm，相干长度2mm。

所述显微物镜采用20倍的放大物镜。

所述大尺寸CCD的型号为F421B；所述针孔片的针孔直径为3μm。

本发明所述基于上述用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量仪的测量方法，

步骤一、短相干激光器发出激光光束，该激光光束的波长为523.8nm，其相干长度为2mm；

偏振分光镜将其入射的偏振光分为透射光束和反射光束，其中透射光束经第二四分之一波片和直角移相棱镜后其偏振方向旋转90度，该光束作为参考光束，再次入射至偏振分光镜；

所述偏振分光镜的反射光束经第一四分之一波片和直角延迟棱镜后其偏振方向旋转90度，该光束作为测量光束，再次入射至偏振分光镜；

经过针孔片后形成的参考光束和测量光束在大尺寸CCD上相干涉；

步骤二、通过控制微位移驱动平台带动直角移相棱镜做平行于其入射光束的光轴方向的移动，所述移动按照步长为1/8波长量级移动，使直角移相棱镜反射的参考光束按π/2相位变化，并在移动过程中，对应每一个参考光束的相位，计算机获得一幅大尺寸CCD上的干涉图信息，计算机根据获得的所有干涉图信息解算获得大尺寸CCD上每个像素点对应的最终的测量光束与参考光束的初始相位差，进而求解出最终的测量光束与参考光束的光程差，即被测微小球的球壳表面高度差，获得微小球面正对显微物镜一侧的形貌参数；

通过控制真空吸附二维转台旋转，进而带动被测微小球进行旋转，使得测量范围覆盖被测微小球的全表面，并在每次旋转之后，重复步骤二，获得相应的形貌参数，将相邻的单次测量形貌参数进行拼接，实现微小球面的形貌检测。

所述计算机根据获得的所有干涉图信息解算获得大尺寸CCD上每个像素点对应的最终的测量光束与参考光束的初始相位差，进而求解出最终的测量光束与参考光束的光程差，即被测微小球的球壳表面高度差的具体过程为：

所述大尺寸CCD上干涉及场的光强分布为：

上式中，Φ_i(x，y)为最终的测量光束与参考光束的初始相位差分布，a(x，y)为干涉图的干涉条纹的背景光强；b(x，y)为干涉图的干涉条纹的强度调制项；

为参考光束的可变相位；x为大尺寸CCD像面上像素的横轴坐标，y为大尺寸CCD像面上像素的纵轴坐标，N为自然数；

使直角移相棱镜反射的参考光束的相位按0，π/2，π，3π/2变化，得到四个方程：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1(x,y)=a(x,y)+b(x,y)\cos \left[\mathrm{\Φ}(x,y)\right]\\ I_2(x,y)=a(x,y)+b(x,y)\cos [\mathrm{\Φ}(x,y)+\mathrm{\π}/2]\\ I_3(x,y)=a(x,y)+b(x,y)\cos [\mathrm{\Φ}(x,y)+\mathrm{\π}\\ I_4(x,y)=a(x,y)+b(x,y)\cos [\mathrm{\Φ}(x,y)+3\mathrm{\π}/2]\end{array}\right.,$

对上式中四个方程计算获得每个像素点对应的最终的测量光束与参考光束的初始相位差Φ_i(x，y)：

${\mathrm{\Φ}}_i(x,y)=\arctan \frac{I_4(x,y)-I_2(x,y)}{I_1(x,y)-I_3(x,y)},$

该初始相位差Φ_i(x，y)对应的测量光束与参考光束的光程差，即被测微小球的球壳表面高度差ΔH(x，y)为：

$\mathrm{\ΔH}(x,y)=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\·{\mathrm{\Φ}}_i(x,y).$

本发明的优点是：本发明以被测微小球面上的球冠为单次检测范围，增大了单次测量的覆盖面积，同时以双衍射产生的理想球面波作为参考面，解决了参考面精度不足的问题，可实现微小球面的无漏点检测，配合真空吸附二维转台将量程加以扩展，便可实现被测微小球完整球面的面型检测。

本发明不受扫描装置机械运动误差的影响，不会遗漏孤立缺陷点，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的RMS值优于10nm。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明单次测量范围示意图，θ为单次测量时扫描的角度范围的一半；

图3为本发明的量程扩展示意图。

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，本实施方式所述用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量仪，它包括短相干激光器1、二分之一波片2、起偏器3、第一四分之一波片4-1、第二四分之一波片4-2、直角延迟棱镜5、偏振分光镜6、检偏器7、光纤耦合器8、单模单芯光纤9、直角移相棱镜10、汇聚透镜12、针孔片13、刀口反射镜14、显微物镜15、大尺寸CCD16和计算机17，

短相干激光器1的出射激光束经二分之一波片2和起偏器3形成偏振光，该偏振光入射至偏振分光镜6后被分为两束，其中透射光束经第二四分之一波片4-2后入射至直角移相棱镜10，该直角移相棱镜10反射的光束作为参考光束入射至第二四分之一波片4-2，经第二四分之一波片4-2透射后入射至偏振分光镜6，

经偏振分光镜6的反射光束经第一四分之一波片4-1入射至直角延迟棱镜5，该直角延迟棱镜5反射的光束作为测量光束入射至第一四分之一波片4-1，经第一四分之一波片4-1透射后入射至偏振分光镜6，

所述参考光束和测量光束在偏振分光镜6上会合后入射至检偏器7，经该检偏器7形成线偏振光，该线偏振光通过光纤耦合器8耦合后进入单模单芯光纤9，在单模单芯光纤9的出射端形成近似球面波，该近似球面波发射至汇聚透镜12，经该汇聚透镜12透射后形成高斯光束，该高斯光束汇聚至针孔片13的针孔处，经针孔片13衍射后获得理想球面波；

该理想球面波的二分之一被刀口反射镜14反射到大尺寸CCD16上作为参考光束，该理想球面波的另外二分之一经显微物镜15汇聚到被测微小球面上，经被测微小球表面反射的反射光束沿原光路返回、并汇聚至针孔片13，经针孔片13反射的反射光被刀口反射镜14反射到大尺寸CCD16上作为测量光束，

大尺寸CCD16的信号输出端连接计算机17的信号输入端。

本实施方式中，短相干激光器1、二分之一波片2和起偏器3位于偏振分光镜6的同侧，二分之一波片2和起偏器3同轴，通过起偏器3的光束与偏振分光镜6的分光面成45°角入射。直角延迟棱镜5和直角移相棱镜10分别位于偏振分光镜6的两侧出射光侧，第一四分之一波片4-1和第二四分之一波片4-2均垂直于其入射光束的光同放置，需要确何两个四分之一波片被光束两次通过。检偏器7垂直于会合后的参考光束和测量光束的光轴，光纤耦合器8位于会合后的光束光轴上。针孔片13垂直于汇聚透镜12的主光轴，且中心针孔位于汇聚透镜12出射的高斯光束腰斑位置；刀口反射镜14、显微物镜15和大尺寸CCD16位于针孔片13的同侧，显微物镜15的主光轴通过针孔片13的针孔中心；刀口反射镜14的反射面与针孔片13的法线方向呈45°夹角；计算机可选用研华公司的专业工控机。

采用光纤耦合器8将检偏器7形成的线偏振光耦合进入单模单芯光纤9，能够最大限度的降低光能损失。二分之一波片2用于调整参考光束与测量光束的光强比例。单模单芯光纤9与针孔片13配合形成双衍射系统，是为了产生理想球面波。由于单模单芯光纤9的纤芯很细，因此，在其出射端发生衍射，产生近似球面波，再经汇聚透镜12汇聚能够得到较为理想的高斯光束，在针孔片13的针孔处发生衍射，产生理想球面波。为了减少球面波在传输过程中受到光学元件加工质量的影响而产生变形，干涉光路采用分波面原理，经针孔片13出射的衍射光波一部分被刀口反射镜14反射到大尺寸CCD16上作为参考光，另一部分经显微物镜15汇聚到被测微小球面上，经被测物表面反射，携带检测信息的光束沿原光路返回，再经针孔片13表面反射，在大尺寸CCD16上与参考光束干涉。

所述的大尺寸CCD16可选择4/3英寸CCD，其像元大小为5微米。通常使用的CCD尺寸为1/2英寸和2/3英寸，将超过1英寸的CCD称为大尺寸CCD。

所述经被测微小球表面反射的反射光束沿原光路返回并汇聚至针孔片13，该反射回的光束相当于由理想球面反射回产生的，而被调制的带有被测信息的光束会被针孔片13的针孔滤出，反射到刀口反射镜14上，因此该针孔也起了逆向滤波的作用。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，它还包括真空吸附二维转台18，所述真空吸附二维转台18用于放置被测微小球，真空吸附二维转台18的转台控制信号输入端连接计算机17的二维转台控制信号输出端。

真空吸附二维转台18的转动中心位于显微物镜15的主光轴上。

具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，它还包括微位移驱动平台11、所述微位移驱动平台11的台面刚性连接直角移相棱镜10，微位移驱动平台11的位移控制信号输入端连接计算机17的位移控制信号输出端。

直角移相棱镜10刚性连接于微位移驱动平台11的台面，通过微位移驱动平台11的驱动，使直角移相棱镜10可平行于其入射光束的光轴方向移动。

本实施方式中的微位移驱动平台11可选用德国PI公司的型号为S-303的移相专用平台，其位移精度为30ppm。

具体实施方式四：本实施方式为对实施方式一、二或三的进一步说明，所述针孔片13与显微物镜15相对侧的表面镀有波长523nm的高反射率膜层。

具体实施方式五：本实施方式为对实施方式一、二、三或四的进一步说明，所述显微物镜15的主光轴通过针孔片13的针孔中心，并与针孔片13的法线方向呈10°夹角。

具体实施方式六：本实施方式为对实施方式一、二、三、四或五的进一步说明，所述短相干激光器1的出射激光波长523.8nm，相干长度2mm。

具体实施方式七：本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五或六的进一步说明，所述显微物镜15采用20倍的放大物镜。

所述显微物镜15可选用Olympus公司生产的20倍的放大物镜。

具体实施方式八：本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五、六或七的进一步说明，所述大尺寸CCD16的型号为F421B；所述针孔片13的针孔直径为3μm。

所述大尺寸CCD16可选用德国AVT公司的F421B高分辨率大动态CCD；针孔片13选用日本西格玛光机直径3μm针孔

具体实施方式九：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式为基于实施方式一至八中任一实施方式所述用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量仪的测量方法，

步骤一、短相干激光器1发出激光光束，该激光光束的波长为523.8nm，其相干长度为2mm；

偏振分光镜6将其入射的偏振光分为透射光束和反射光束，其中透射光束经第二四分之一波片4-2和直角移相棱镜10后其偏振方向旋转90度，该光束作为参考光束，再次入射至偏振分光镜6；

所述偏振分光镜6的反射光束经第一四分之一波片4-1和直角延迟棱镜5后其偏振方向旋转90度，该光束作为测量光束，再次入射至偏振分光镜6；

经过针孔片13后形成的参考光束和测量光束在大尺寸CCD16上相干涉；

步骤二、通过控制微位移驱动平台11带动直角移相棱镜10做平行于其入射光束的光轴方向的移动，所述移动按照步长为1/8波长量级移动，使直角移相棱镜10反射的参考光束按π/2相位变化，并在移动过程中，对应每一个参考光束的相位，计算机17获得一幅大尺寸CCD16上的干涉图信息，计算机17根据获得的所有干涉图信息解算获得大尺寸CCD16上每个像素点对应的最终的测量光束与参考光束的初始相位差，进而求解出最终的测量光束与参考光束的光程差，即被测微小球的球壳表面高度差，获得微小球面正对显微物镜15一侧的形貌参数；

通过控制真空吸附二维转台18旋转，进而带动被测微小球进行旋转，使得测量范围覆盖被测微小球的全表面，并在每次旋转之后，重复步骤二，获得相应的形貌参数，将相邻的单次测量形貌参数进行拼接，实现微小球面的形貌检测。

步骤二中，直角移相棱镜10的移动步长，最常用的方法是使光程产生1/4波长变化，但由于光在直角移相棱镜10上是往返的，及会产生移相距离的2倍光程，因此移动按1/8波长运动；根据光程变化，1/4波长的光程变化会产生π/2相位变化。

本实施方式中，为提高干涉图质量，光源采用多纵模短相干激光光源，测量光路和参考光路的光经针孔片13衍射后，一部分被刀口反射镜14反射，另一部分投射到被测微小球表面上，这样进入大尺寸CCD16视场的光共有四部分：被刀口反射镜14拦截的检测光、从被测微小球表面反射回的检测光、被刀口反射镜14拦截的参考光、以及从被测微小球表面反射回的参考光。通过选取合适的光源相干长度，并调整直角延迟棱镜5的位置，使得从被测微小球表面反射回的检测光束与被刀口反射镜14拦截的参考光光程接近，可以产生干涉，其它投射到大尺寸CCD16上的光程差超出光源的相干长度，不产生干涉，从而提高干涉图质量。

具体实施方式十：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式为对实施方式九的进一步说明，所述计算机17根据获得的所有干涉图信息解算获得大尺寸CCD16上每个像素点对应的最终的测量光束与参考光束的初始相位差，进而求解出最终的测量光束与参考光束的光程差，即被测微小球的球壳表面高度差的具体过程为：

所述大尺寸CCD16上干涉及场的光强分布为：

上式中，Φ_i(x，y)为最终的测量光束与参考光束的初始相位差分布，a(x，y)为干涉图的干涉条纹的背景光强；b(x，y)为干涉图的干涉条纹的强度调制项；

为参考光束的可变相位；x为大尺寸CCD16像面上像素的横轴坐标，y为大尺寸CCD16像面上像素的纵轴坐标，N为自然数；

使直角移相棱镜10反射的参考光束的相位按0，π/2，π，3π/2变化，得到四个方程：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1(x,y)=a(x,y)+b(x,y)\cos \left[\mathrm{\Φ}(x,y)\right]\\ I_2(x,y)=a(x,y)+b(x,y)\cos [\mathrm{\Φ}(x,y)+\mathrm{\π}/2\\ I_3(x,y)=a(x,y)+b(x,y)\cos [\mathrm{\Φ}(x,y)+\mathrm{\π}]\\ I_4(x,y)=a(x,y)+b(x,y)\cos [\mathrm{\Φ}(x,y)+3\mathrm{\π}/2]\end{array}\right.,$

对上式中四个方程计算获得每个像素点对应的最终的测量光束与参考光束的初始相位差Φ_i(x，y)：

${\mathrm{\Φ}}_i(x,y)=\arctan \frac{I_4(x,y)-I_2(x,y)}{I_1(x,y)-I_3(x,y)},$

该初始相位差Φ_i(x，y)对应的测量光束与参考光束的光程差，即被测微小球的球壳表面高度差ΔH(x，y)为：

$\mathrm{\ΔH}(x,y)=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}{\·\mathrm{\Φ}}_i(x,y).$

本实施方式中，微位移驱动平台11采用高精度压电陶瓷驱动，使参考光束的可变相位按一定规律变化，当取0，π/2，π，3π/2时，可得到上述四个光强分布方程。

当检测光束相当于垂直被测微小球面入射，被测微小球的表面形貌会对检测光束进行调制，缺陷点偏离理想球面的高度差将以2倍光程差的形式反映在反射波前中。通过大尺寸CCD16探测出的检测波前与参考波前的相位差就相当于缺陷点偏离理想球面的相位差。由此得到被测微小球的球壳表面高度差ΔH(x，y)。

Claims (10)

1.一种用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量仪，其特征在于：它包括短相干激光器(1)、二分之一波片(2)、起偏器(3)、第一四分之一波片(4-1)、第二四分之一波片(4-2)、直角延迟棱镜(5)、偏振分光镜(6)、检偏器(7)、光纤耦合器(8)、单模单芯光纤(9)、直角移相棱镜(10)、汇聚透镜(12)、针孔片(13)、刀口反射镜(14)、显微物镜(15)、大尺寸CCD(16)和计算机(17)，

短相干激光器(1)的出射激光束经二分之一波片(2)和起偏器(3)形成偏振光，该偏振光入射至偏振分光镜(6)后被分为两束，其中透射光束经第二四分之一波片(4-2)后入射至直角移相棱镜(10)，该直角移相棱镜(10)反射的光束作为参考光束入射至第二四分之一波片(4-2)，经第二四分之一波片(4-2)透射后入射至偏振分光镜(6)，

经偏振分光镜(6)的反射光束经第一四分之一波片(4-1)入射至直角延迟棱镜(5)，该直角延迟棱镜(5)反射的光束作为测量光束入射至第一四分之一波片(4-1)，经第一四分之一波片(4-1)透射后入射至偏振分光镜(6)，

所述参考光束和测量光束在偏振分光镜(6)上会合后入射至检偏器(7)，经该检偏器(7)形成线偏振光，该线偏振光通过光纤耦合器(8)耦合后进入单模单芯光纤(9)，在单模单芯光纤(9)的出射端形成近似球面波，该近似球面波发射至汇聚透镜(12)，经该汇聚透镜(12)透射后形成高斯光束，该高斯光束汇聚至针孔片(13)的针孔处，经针孔片(13)衍射后获得理想球面波；

该理想球面波的二分之一被刀口反射镜(14)反射到大尺寸CCD(16)上作为参考光束，该理想球面波的另外二分之一经显微物镜(15)汇聚到被测微小球面上，经被测微小球表面反射的反射光束沿原光路返回、并汇聚至针孔片(13)，经针孔片(13)反射的反射光被刀口反射镜(14)反射到大尺寸CCD(16)上作为测量光束，

大尺寸CCD(16)的信号输出端连接计算机(17)的信号输入端。

2.根据权利要求1所述的用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量仪，其特征在于：它还包括真空吸附二维转台(18)，所述真空吸附二维转台(18)用于放置被测微小球，真空吸附二维转台(18)的转台控制信号输入端连接计算机(17)的二维转台控制信号输出端。

3.根据权利要求1或2所述的用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量仪，其特征在于：它还包括微位移驱动平台(11)、所述微位移驱动平台(11)的台面刚性连接直角移相棱镜(10)，微位移驱动平台(11)的位移控制信号输入端连接计算机(17)的位移控制信号输出端。

4.根据权利要求3所述的用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量仪，其特征在于：所述针孔片(13)与显微物镜(15)相对侧的表面镀有波长523nm的高反射率膜层。

5.根据权利要求4所述的用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量仪，其特征在于：所述显微物镜(15)的主光轴通过针孔片(13)的针孔中心，并与针孔片(13)的法线方向呈10°夹角。

6.根据权利要求5所述的用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量仪，其特征在于：所述短相干激光器(1)的出射激光波长523.8nm，相干长度2mm。

7.根据权利要求6所述的用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量仪，其特征在于：所述显微物镜(15)采用20倍的放大物镜。

8.根据权利要求7所述的用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量仪，其特征在于：所述大尺寸CCD(16)的型号为F421B；所述针孔片(13)的针孔直径为3μm。

9.一种基于权利要求1所述用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量仪的测量方法，其特征在于：

步骤一、短相干激光器(1)发出激光光束，该激光光束的波长为523.8nm，其相干长度为2mm；

偏振分光镜(6)将其入射的偏振光分为透射光束和反射光束，其中透射光束经第二四分之一波片(4-2)和直角移相棱镜(10)后其偏振方向旋转90度，该光束作为参考光束，再次入射至偏振分光镜(6)；

所述偏振分光镜(6)的反射光束经第一四分之一波片(4-1)和直角延迟棱镜(5)后其偏振方向旋转90度，该光束作为测量光束，再次入射至偏振分光镜(6)；

经过针孔片(13)后形成的参考光束和测量光束在大尺寸CCD(16)上相干涉；

步骤二、通过控制微位移驱动平台(11)带动直角移相棱镜(10)做平行于其入射光束的光轴方向的移动，所述移动按照步长为1/8波长量级移动，使直角移相棱镜(10)反射的参考光束按π/2相位变化，并在移动过程中，对应每一个参考光束的相位，计算机(17)获得一幅大尺寸CCD(16)上的干涉图信息，计算机(17)根据获得的所有干涉图信息解算获得大尺寸CCD(16)上每个像素点对应的最终的测量光束与参考光束的初始相位差，进而求解出最终的测量光束与参考光束的光程差，即被测微小球的球壳表面高度差，获得微小球面正对显微物镜(15)一侧的形貌参数；

通过控制真空吸附二维转台(18)旋转，进而带动被测微小球进行旋转，使得测量范围覆盖被测微小球的全表面，并在每次旋转之后，重复步骤二，获得相应的形貌参数，将相邻的单次测量形貌参数进行拼接，实现微小球面的形貌检测。

10.根据权利要求9所述的用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量方法，其特征在于：所述计算机(17)根据获得的所有干涉图信息解算获得大尺寸CCD(16)上每个像素点对应的最终的测量光束与参考光束的初始相位差，进而求解出最终的测量光束与参考光束的光程差，即被测微小球的球壳表面高度差的具体过程为：

所述大尺寸CCD(16)上干涉及场的光强分布为：

上式中，Φ_i(x，y)为最终的测量光束与参考光束的初始相位差分布，a(x，y)为干涉图的干涉条纹的背景光强；b(x，y)为干涉图的干涉条纹的强度调制项；

为参考光束的可变相位；x为大尺寸CCD(16)像面上像素的横轴坐标，y为大尺寸CCD(16)像面上像素的纵轴坐标，N为自然数；

使直角移相棱镜(10)反射的参考光束的相位按0，π/2，π，3π/2变化，得到四个方程：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1(x,y)=a(x,y)+b(x,y)\cos \left[\mathrm{\Φ}(x,y)\right]\\ I_2(x,y)=a(x,y)+b(x,y)\cos [\mathrm{\Φ}(x,y)+\mathrm{\π}/2]\\ I_3(x,y)=a(x,y)+b(x,y)\cos [\mathrm{\Φ}(x,y)+\mathrm{\π}]\\ I_4(x,y)=a(x,y)+b(x,y)\cos [\mathrm{\Φ}(x,y)+3\mathrm{\π}/2]\end{array}\right.,$

对上式中四个方程计算获得每个像素点对应的最终的测量光束与参考光束的初始相位差Φ_i(x，y)：

${\mathrm{\Φ}}_i(x,y)=\arctan \frac{I_4(x,y)-I_2(x,y)}{I_1(x,y)-I_3(x,y)},$

该初始相位差Φ_i(x，y)对应的测量光束与参考光束的光程差，即被测微小球的球壳表面高度差ΔH(x，y)为：

$\mathrm{\ΔH}(x,y)=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\·{\mathrm{\Φ}}_i(x,y).$

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