CN105300312A - 一种基于数字全息的高数值孔径半球面形检测系统 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种基于数字全息的高数值孔径半球面形检测系统

技术领域

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

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。

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

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。

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；

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；

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；

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；

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CCD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CCD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。

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。

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0.14λ，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。

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。

本发明的优点在于：

(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ZYGO干涉仪相当的测量精度；

(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0.14λ，能够有效减小系统像差，提高测量精度；

(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；

(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；

(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

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；

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；

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

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

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；

全息检测光路1如图2所示，包括激光光源1-1、A半波片1-2、偏振分光棱镜1-3、第一光束准直单元1-4、B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CCD相机1-9；

激光光源1-1产生的激光1-1a经过A半波片1-2形成激光1-2a，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1-2a分为两束偏振方向正交的空间线偏振光1-3a和1-3b，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1-3a和1-3b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1-8a的光强比约1:1，得到对比度清晰的干涉图像；

空间线偏振光1-3b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1-6a，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1-8a的入射角度使其与物光1-8b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1-6a进行方向折转后，输出光束1-7a，经由非偏振分光棱镜1-8直接进入到CCD相机1-9的光敏面上；

同时，空间线偏振光1-3a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1-4a，进而经过非偏振分光棱镜1-8后输出平行光1a，进入高数值孔径标准会聚球面波产生装置2中；

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调制的光线2b，将其折转后输出光束1-8b，进入到CCD相机1-9中，与参考光1-8a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1-7a经由非偏振分光棱镜1-8，形成参考光1-8a，进入CCD相机1-9中，非偏振分光棱镜1-8不对平行光1-4a、光束1-7a这两束光有调制作用；

CCD1-9相机用于捕获和记录数字全息图；

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1-3a或1-5a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；

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Thorlabs公司生产的型号为HNL050L的激光器；偏振分光棱镜1-3可以选取北京大恒光电公司的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。

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GCO-2105型空间滤波器和GCL-010112型平凸透镜组合而成。

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Thorlabs公司生产的C6W笼式立方和B3CR旋转平台构成。

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；

CCD相机1-9可以选取加拿大Lumenera公司的高分辨率CCD相机，其型号为INFINITY2-5M，分辨率为2448×2048像素，像素尺寸为3.45μm×3.45μm，最高帧频23，光敏面尺寸2/3英寸，数据接口为USB2.0。

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。

高数值孔径标准会聚球面波产生装置2能够对入射光束1a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1a并对其进行5倍扩束，扩束后的平行光2-1a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0.14λ，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1-8b，入射到CCD相机1-9光敏面与参考光1-8a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。

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；

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0.001mm。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SIGMAKOKI公司生产的KSP-406FP粗微调转动平台，单程平移精度为0.001mm，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。

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1-1a进行滤波、准直、扩束，输出为高相干的平行光束1-8a和1a，其中1-8a作为参考光直接入射至CCD相机1-9的光敏面，一束1a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1-8b与参考光1-8a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1a，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1-8b，入射到CCD相机1-9的光敏面，与参考光1-8a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；

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。

Claims (4)

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1-1a经过A半波片形成激光1-2a，输入至偏振分光棱镜，偏振分光棱镜将入射的激光1-2a分为两束偏振方向正交的空间线偏振光1-3a和1-3b，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1-3b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1-6a，进入光束偏转单元中，光束偏转单元对接收的光束1-6a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1-3a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1-4a，进而经过非偏振分光棱镜后输出平行光1a，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1-8b，进入到CCD相机中，光束偏转单元折转的平行光束1-7a经由非偏振分光棱镜，形成参考光1-8a，进入CCD相机中，光束1-8b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1a并对其进行5倍扩束，扩束后的平行光2-1a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1-3a和1-3b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1-8a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。