CN112815872A - 一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统 - Google Patents

Abstract

一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，涉及的是光学检测空间物体表面三维信息的技术领域。本申请采用时域、空域混合移相的方式，以自然振动引入的随机移相量作为时域移相值，通过空域移相实时监测每帧主干涉图采集时由自然振动引入的具体移相值，并以此进行相位信息解算，最后得到的被测微球表面形貌不受环境因素中振动、空气扰动等因素的影响。它用于检测微球表面形貌。

Description

一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统

技术领域

本发明涉及用空间移相获得微球表面形貌的系统，涉及的是光学检测空间物体表面三维信息的技术领域。

背景技术

微小球体是最常用的元器件形态之一，在微机械、微光学、ICF实验中有着广泛的用途，在高精密、高可靠性仪器设备及实验的应用中，微球表面形貌质量有着严格的要求，需要进行高精度检测。传统的检测手段，如原子力显微镜、共聚焦显微镜等成熟检测手段存在易划伤被测表面、检测效率低等问题，且通常需要精密运动机构配合检测装置才能实现整体三维形貌测量，受机械运动误差影响严重。光学干涉测量方法具有非接触、精度高等突出优点，同时具有相对较大的单次检测范围，尤其随着点衍射干涉、移相干涉等高级干涉测量技术的出现，不但可以提供近似理想的球面基准，相位信息提取精度也得以大幅提升，使得光学干涉测量方法成为公认的、较为理想的球面检测手段。时域移相是最常用的移相方式之一，具有结构简单、应用灵活、易于集成、横向分辨率高等特点，但对于振动、扰动等随机误差较为敏感。然而测量环境中的振动，尤其是低频振动，又很难完全隔绝，是时域移相干涉测量中的主要随机误差源之一，严重影响检测精度。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有采用时域移相式点衍射干涉法测量微球表面形貌，检测精度受到环境因素影响的问题，现提供一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统。

一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，所述系统包括球面波产生装置、D形反射镜7、会聚放大装置、准直透镜12、分光棱镜13、调制耦合器、一号单模保偏光纤16、准直透射装置、棱镜组19、偏振片组20、检偏器21、面阵相机22和计算机，

球面波产生装置发出的球面波分别两部分，

一部分球面波作为参考光被D形反射镜7反射至准直透镜12上，

另一部分球面波作为测量光经过会聚放大装置后到达被测微球表面11，经过被测微球表面11反射后的光携带着带有自然振动的被测微球表面形貌信息返回会聚放大装置，由会聚放大装置出射的光返回至球面波产生装置，由球面波产生装置反射进入D形反射镜7，由D形反射镜7反射至准直透镜12，经准直透镜12准直后，与参考光合束，生成的合束光经分光棱镜13的透射和反射分别形成透射光和反射光；

透射光中的参考光和测量光经检偏器21统一偏振方向后产生干涉，形成的干涉光由面阵相机22采集，作为主干涉图；

反射光经调制耦合器调制耦合后进入一号单模保偏光纤16滤除测量光中形貌起伏信息后，由一号单模保偏光纤16出射的光经准直透射装置将参考光和测量光调制为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，再由棱镜组19分为完全相同的4束平行光，4束平行光经偏振片组20中与水平方向成不同角度放置的4个偏振片调制后，形成4束移相量为0、π/2、π、3π/2的干涉光，4束干涉光经分光棱镜13的分光面反射，到达面阵相机22的四角，由面阵相机22采集4束干涉光，作为4个辅助干涉图；

计算机，用于采集每帧主干涉图和4个辅助干涉图，根据每帧移相量为0、π/2、π、3π/2的4个辅助干涉图解算此时主干涉图中由自然振动引入的随机移相量，根据随机移相量解算出被测微球表面11的相位信息，根据该相位信息得到被测微球表面11的高度信息，此高度信息为被测微球表面11形貌。

优选地，球面波产生装置包括激光器1、λ/2波片2、光纤耦合器3、二号单模保偏光纤4、高倍显微物镜5和针孔反射镜6，

针孔反射镜6一侧中心设置圆形的反射镀膜，且反射镀膜朝向会聚放大装置侧，反射镀膜中心开设通孔，

激光器1发出的线偏振激光透射进入λ/2波片2，通过调节λ/2波片2的位置来调节λ/2波片2出射光束进入光纤耦合器3的偏振方向，λ/2波片2出射光束经过光纤耦合器3耦合进入二号单模保偏光纤4进行滤波后经过高倍显微物镜5会聚于针孔反射镜6的通孔内，由针孔反射镜6的通孔进行衍射，产生球面波。

优选地，反射镀膜中心的通孔直径为1μm，反射镀膜直径为100μm。

优选地，激光器1发出的线偏振激光的波长为523nm，输出功率300mw。

优选地，会聚放大装置包括准直透镜8、一号λ/4波片9和显微物镜10，

测量光依次经准直透镜8、一号λ/4波片9和显微物镜10到达被测微球表面11，经过被测微球表面11反射后的光携带着带有自然振动的被测微球表面形貌信息依次沿显微物镜10、一号λ/4波片9、准直透镜8、针孔反射镜6反射镀膜反射、D形反射镜7和准直透镜12准直后，与参考光合束。

优选地，准直透镜8、一号一号λ/4波片9和显微物镜10共光轴，准直透镜8、一号λ/4波片9和显微物镜10位于针孔反射镜6法线下方，且准直透镜8、一号λ/4波片9和显微物镜10的光轴与针孔反射镜6的法线方向成5°角。

优选地，D形反射镜7位于针孔反射镜6法线上方，D形反射镜7的反光面与针孔反射镜6法线方向成42.5°角。

优选地，调制耦合器包括λ/2波片14和光纤耦合器15，

反射光进入λ/2波片14，经过λ/2波片14调整参考光与测量光的偏振方向，使参考光和测量光的偏振方向分别与一号单模保偏光纤16的快轴和慢轴方向一致，确保λ/2波片14的出射光为偏振态正交的线偏振光，λ/2波片14的出射光经光纤耦合器15耦合进入一号单模保偏光纤16进行再次滤波。

优选地，准直透射装置包括光纤准直器17和二号λ/4波片18，

一号单模保偏光纤16的出射光经光纤准直器17准直后，再经过二号λ/4波片18透射后，参考光和测量光被分别调制为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。

优选地，棱镜组19包括两个分光棱镜和两个直角反射镜，

左旋圆偏振光和右旋圆偏振光均进入一个分光棱镜19-1被分成2束光，2束光分别射入一个直角反射镜19-2和另一个分光棱镜19-3中，从一个直角反射镜19-2反射出的1束光也进入另一个分光棱镜19-3，进入另一个分光棱镜19-3的2束光被分成2束出射光和2束折射光，2束出射光为棱镜组19输出的2束平行光，2束折射光进入另一个直角反射镜19-4被反射出的2束光为棱镜组19输出的另外2束平行光。

优选地，4偏振片与水平方向分别成0°、45°、90°和135°角。

优选地，二号λ/4波片18的慢轴方向与参考光和测量光的偏振方向夹角均为45°。

优选地，分光棱镜13的分光面与准直透镜12的光轴成45°角；

λ/2波片14、光纤耦合器15位于分光棱镜13右侧，λ/2波片14和光纤耦合器15共光轴，λ/2波片14和光纤耦合器15的光轴与分光棱镜13的分光面成45°角。

本发明的有益效果是：

本申请采用时域、空域混合移相的方式，以自然振动引入的随机移相量作为时域移相值，通过空域移相实时监测每帧主干涉图采集时由自然振动引入的具体移相值，并以此进行相位信息解算，最后得到的被测微球表面形貌不受环境因素中振动、空气扰动等因素的影响。使用本申请检测系统可在低频振动环境下实现微球表面形貌精确测量，系统利用振动产生的自然移相解算相位信息，无需短相干光源，无需精密移相器，结构简单，成本低廉，并具有良好的振动抑制能力。

附图说明

图1为一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统的整体结构示意图；

图2为面阵相机上干涉场示意图；

图3为针孔反射镜结构示意图；

图4为偏振片组结构示意图；

图5为图1中棱镜组的A向视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2、图4和图5说明本实施方式，本实施方式所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，所述系统包括球面波产生装置、D形反射镜7、会聚放大装置、准直透镜12、分光棱镜13、调制耦合器、一号单模保偏光纤16、准直透射装置、棱镜组19、偏振片组20、检偏器21、面阵相机22和计算机，

球面波产生装置发出的球面波分别两部分，

一部分球面波作为参考光被D形反射镜7反射至准直透镜12上，

另一部分球面波作为测量光经过会聚放大装置后到达被测微球表面11，经过被测微球表面11反射后的光携带着带有自然振动的被测微球表面形貌信息返回会聚放大装置，由会聚放大装置出射的光返回至球面波产生装置，由球面波产生装置反射进入D形反射镜7，由D形反射镜7反射至准直透镜12，经准直透镜12准直后，与参考光合束，生成的合束光经分光棱镜13的透射和反射分别形成透射光和反射光；

透射光中的参考光和测量光经检偏器21统一偏振方向后产生干涉，形成的干涉光由面阵相机22采集，作为主干涉图；

反射光经调制耦合器调制耦合后进入一号单模保偏光纤16滤除测量光中形貌起伏信息后，由一号单模保偏光纤16出射的光经准直透射装置将参考光和测量光调制为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，再由棱镜组19分为完全相同的4束平行光，4束平行光经偏振片组20中与水平方向成不同角度放置的4个偏振片调制后，形成4束移相量为0、π/2、π、3π/2的干涉光，4束干涉光经分光棱镜13的分光面反射，到达面阵相机22的四角，由面阵相机22采集4束干涉光，作为4个辅助干涉图；

计算机，用于采集每帧主干涉图和4个辅助干涉图，根据每帧移相量为0、π/2、π、3π/2的4个辅助干涉图解算此时主干涉图中由自然振动引入的随机移相量，根据随机移相量解算出被测微球表面11的相位信息，根据该相位信息得到被测微球表面11的高度信息，此高度信息为被测微球表面11形貌。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，球面波产生装置包括激光器1、λ/2波片2、光纤耦合器3、二号单模保偏光纤4、高倍显微物镜5和针孔反射镜6，

针孔反射镜6一侧中心设置圆形的反射镀膜，且反射镀膜朝向会聚放大装置侧，反射镀膜中心开设通孔，

激光器1发出的线偏振激光透射进入λ/2波片2，通过调节λ/2波片2的位置来调节λ/2波片2出射光束进入光纤耦合器3的偏振方向，λ/2波片2出射光束经过光纤耦合器3耦合进入二号单模保偏光纤4进行滤波后经过高倍显微物镜5会聚于针孔反射镜6的通孔内，由针孔反射镜6的通孔进行衍射，产生球面波。

本实施方式中，图1中本申请的结构设置：λ/2波片2光轴、光纤耦合器3光轴与激光器1出射光束共轴。针孔反射镜6上的微小针孔位于高倍显微物镜5出射光的焦点处。准直透镜8、λ/4波片9、显微物镜10位于针孔反射镜6镀膜一侧并位于其法线下方，三者共光轴，光轴与针孔反射镜6的法线方向呈5°角，被测微球11的球心位于显微物镜10的焦点上。D形反射镜7位于针孔反射镜5镀膜一侧并位于其法线上方，其反光面与针孔反射镜6法线方向成42.5°角。准直透镜12焦点位于针孔反射镜6的微小针孔上，分光棱镜13的分光面与准直透镜12的光轴呈45°角。λ/2波片14、光纤耦合器15位于分光棱镜13右侧，两者共光轴，光轴与分光棱镜13的分光面呈45°角，λ/2波片14位于分光棱镜13与光纤耦合器15之间。光纤准直器17、λ/4波片18、棱镜组19、偏振片组20位于分光棱镜13左侧，光纤准直器17通过单模保偏光纤16与光纤耦合器15连接。光纤准直器17与λ/4波片18共光轴，光轴与分光棱镜13的分光面呈45°角。棱镜组19位于λ/4波片18与检偏器20之间，其内部由两组分光棱镜与直角反射镜的组合体构成，分光棱镜的分光面与其同组的直角反射镜的反光面平行。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，反射镀膜中心的通孔直径为1μm，反射镀膜直径为100μm。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式二所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，激光器1发出的线偏振激光的波长为523nm，输出功率300mw。

本实施方式中，激光器1出射线偏振激光波长523nm，输出功率300mw连续可调，十小时功率稳定性小于1％；单模保偏光纤4总长11m，纤芯直径2μm，慢轴具有高消光特性；单模保偏光纤16总长11m，纤芯直径2μm；高倍显微物镜5放大倍率50倍，数值孔径0.75；显微物镜10放大倍率20倍，数值孔径0.45，工作距3mm；面阵相机22分辨率4096×4096，像元尺寸4.5μm，最大支持位深10位，USB3.0数据接口；针孔反射镜6表面反射膜直径100μm，中心小孔直径1μm；分光棱镜13分光比50:50；棱镜组19内部分光棱镜分光比50:50。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式二所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，会聚放大装置包括准直透镜8、一号λ/4波片9和显微物镜10，

测量光依次经准直透镜8、一号λ/4波片9和显微物镜10到达被测微球表面11，经过被测微球表面11反射后的光携带着带有自然振动的被测微球表面形貌信息依次沿显微物镜10、一号λ/4波片9、准直透镜8、针孔反射镜6反射镀膜反射、D形反射镜7和准直透镜12准直后，与参考光合束。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，准直透镜8、一号一号λ/4波片9和显微物镜10共光轴，准直透镜8、一号λ/4波片9和显微物镜10位于针孔反射镜6法线下方，且准直透镜8、一号λ/4波片9和显微物镜10的光轴与针孔反射镜6的法线方向成5°角。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式五所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，D形反射镜7位于针孔反射镜6法线上方，D形反射镜7的反光面与针孔反射镜6法线方向成42.5°角。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，调制耦合器包括λ/2波片14和光纤耦合器15，

反射光进入λ/2波片14，经过λ/2波片14调整参考光与测量光的偏振方向，使参考光和测量光的偏振方向分别与一号单模保偏光纤16的快轴和慢轴方向一致，确保λ/2波片14的出射光为偏振态正交的线偏振光，λ/2波片14的出射光经光纤耦合器15耦合进入一号单模保偏光纤16进行再次滤波。

本实施方式中，使参考光和测量光的偏振方向分别与一号单模保偏光纤16的快轴和慢轴方向一致的好处是确保λ/2波片14的出射光为偏振态正交的线偏振光。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，准直透射装置包括光纤准直器17和二号λ/4波片18，

一号单模保偏光纤16的出射光经光纤准直器17准直后，再经过二号λ/4波片18透射后，参考光和测量光被分别调制为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。

本实施方式中，因为参考光和测量光被分别调制为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光经过4个偏振片后才得到4个空间移相量0、π/2、π、3π/2。

具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，棱镜组19包括两个分光棱镜和两个直角反射镜，

左旋圆偏振光和右旋圆偏振光均进入一个分光棱镜19-1被分成2束光，2束光分别射入一个直角反射镜19-2和另一个分光棱镜19-3中，从一个直角反射镜19-2反射出的1束光也进入另一个分光棱镜19-3，进入另一个分光棱镜19-3的2束光被分成2束出射光和2束折射光，2束出射光为棱镜组19输出的2束平行光，2束折射光进入另一个直角反射镜19-4被反射出的2束光为棱镜组19输出的另外2束平行光。

具体实施方式十一：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，4偏振片与水平方向分别成0°、45°、90°和135°角。

具体实施方式十二：本实施方式是对具体实施方式九所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，二号λ/4波片18的慢轴方向与参考光和测量光的偏振方向夹角均为45°。

具体实施方式十三：本实施方式是对具体实施方式八所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，分光棱镜13的分光面与准直透镜12的光轴成45°角；

λ/2波片14、光纤耦合器15位于分光棱镜13右侧，λ/2波片14和光纤耦合器15共光轴，λ/2波片14和光纤耦合器15的光轴与分光棱镜13的分光面成45°角。

本申请的工作原理为：

激光器1输出波长为532nm的线偏振光透射过λ/2波片2后由光纤耦合器3耦合进入单模保偏光纤4。λ/2波片2用于调整光束的偏振方向。单模保偏光纤4用于光束初级滤波，出射的近似理想球面波经高倍显微物镜5会聚于针孔反射镜6的微小针孔上，发生衍射，产生较大数值孔径的近似理想球面波。衍射光被D形反射镜7分为了两部分，一部分作为参考光，直接被D形反射镜7反射，经准直透镜12准直，射向分光棱镜13；另一部分作为测量光，经准直透镜8、λ/4波片9、显微物镜10的组合后到达被测微球表面。微球球心与光束汇聚中重合，光束近似垂直被测表面入射，经被测表面反射后携带形貌信息沿原路返回。返回的测量光再次经过显微物镜10、λ/4波片9、准直透镜8调制，再经针孔反射镜6反光面、D形反射镜7反射，准直透镜12准直后，与参考光合束，两束光具有正交的偏振方向，参考光水平偏振，测量光竖直偏振。合束后的参考光与测量光经分光棱镜13分为两部分，透射光经检偏器21统一偏振方向后，参考光与测量光产生干涉，由面阵相机22采集，作为主干涉图；反射光经λ/2波片14调制后，由光纤耦合器15耦合进入单模保偏光纤16。单模保偏光纤16的出射光经光纤准直器17准直，透射过λ/4波片18后参考光和测量光被分别调制为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，再由棱镜组19分为完全相同的4束平行光，经偏振片组20分别调制后，再经分光棱镜13的分光面反射，到达面阵相机22的四角，由面阵相机22采集，作为辅助干涉图，如图2所示。

激光器1前的λ/2波片2用于调节进入光纤耦合器3的光束的偏振方向，使其与单模保偏光纤4的快轴方向一致。通过旋转单模保偏光纤4出射光端头，调整针孔反射镜6处衍射光的偏振方向，将衍射光调整为水平方向线偏振光。准直透镜8、准直透镜12的焦点均位于针孔反射镜6上的微小针孔处。针孔反射镜5采用微小反射面结构设计，反射面中心小孔直径1μm，外径约100μm，如图3所示。此时，只有近似原路返回的测量光能被反射，散射光则透射过玻璃基底被滤除，达到消除干涉光路散射光多重干涉叠加以及背景成像的目的。λ/2波片14用于调整参考光与测量光的偏振方向，通过旋转λ/2波片14，使参考光和测量光的偏振方向分别与单模保偏光纤16的快轴和慢轴方向一致，确保光纤的出射光仍为偏振态正交的线偏振光，同时利用单模保偏光纤16的滤波作用，测量光中的形貌起伏信息被滤除，光纤的出射光为两偏振方向垂直的近似理想球面波。λ/4波片18的慢轴方向与参考光和测量光的偏振方向夹角均为45°，将参考光和测量光分别调制为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。棱镜组19由两个分光棱镜、两个直角反射镜组成，A向视图如图5所示，准直后的光束与小分光棱镜的分光面成45°角入射时，将由棱镜组19等分为四束平行光。偏振片组20由4个偏振片组成，各偏振片透光方向分别与水平方向成0°、45°、90°、135°角，如图4所示，使透过的参考光和测量光产生干涉，并分别引入0、π/2、π、3π/2的移相量，实现空间移相。面阵相机22采集的每帧干涉图像中均包含1个主干涉图和4个辅助干涉图。4个辅助干涉图之间存在0、π/2、π、3π/2的空间移相关系，利用每帧干涉图像中的4个辅助干涉图可实时监测当前主干涉图由自然振动引入的随机移相量。因此，采集多帧干涉图像，每帧干涉图中引入的随机移相量均为已知量，通过最小二乘算法便可解算出相位信息分布情况。

Claims (13)

1.一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，其特征在于，所述系统包括球面波产生装置、D形反射镜(7)、会聚放大装置、准直透镜(12)、分光棱镜(13)、调制耦合器、一号单模保偏光纤(16)、准直透射装置、棱镜组(19)、偏振片组(20)、检偏器(21)、面阵相机(22)和计算机，

球面波产生装置发出的球面波分别两部分，

一部分球面波作为参考光被D形反射镜(7)反射至准直透镜(12)上，

另一部分球面波作为测量光经过会聚放大装置后到达被测微球表面(11)，经过被测微球表面(11)反射后的光携带着带有自然振动的被测微球表面形貌信息返回会聚放大装置，由会聚放大装置出射的光返回至球面波产生装置，由球面波产生装置反射进入D形反射镜(7)，由D形反射镜(7)反射至准直透镜(12)，经准直透镜(12)准直后，与参考光合束，生成的合束光经分光棱镜(13)的透射和反射分别形成透射光和反射光；

透射光中的参考光和测量光经检偏器(21)统一偏振方向后产生干涉，形成的干涉光由面阵相机(22)采集，作为主干涉图；

反射光经调制耦合器调制耦合后进入一号单模保偏光纤(16)滤除测量光中形貌起伏信息后，由一号单模保偏光纤(16)出射的光经准直透射装置将参考光和测量光调制为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，再由棱镜组(19)分为完全相同的4束平行光，4束平行光经偏振片组(20)中与水平方向成不同角度放置的4个偏振片调制后，形成4束移相量为0、π/2、π、3π/2的干涉光，4束干涉光经分光棱镜(13)的分光面反射，到达面阵相机(22)的四角，由面阵相机(22)采集4束干涉光，作为4个辅助干涉图；

计算机，用于采集每帧主干涉图和4个辅助干涉图，根据每帧移相量为0、π/2、π、3π/2的4个辅助干涉图解算此时主干涉图中由自然振动引入的随机移相量，根据随机移相量解算出被测微球表面(11)的相位信息，根据该相位信息得到被测微球表面(11)的高度信息，此高度信息为被测微球表面(11)形貌。

2.根据权利要求1所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，其特征在于，球面波产生装置包括激光器(1)、λ/2波片(2)、光纤耦合器(3)、二号单模保偏光纤(4)、高倍显微物镜(5)和针孔反射镜(6)，

针孔反射镜(6)一侧中心设置圆形的反射镀膜，且反射镀膜朝向会聚放大装置侧，反射镀膜中心开设通孔，

激光器(1)发出的线偏振激光透射进入λ/2波片(2)，通过调节λ/2波片(2)的位置来调节λ/2波片(2)出射光束进入光纤耦合器(3)的偏振方向，λ/2波片(2)出射光束经过光纤耦合器(3)耦合进入二号单模保偏光纤(4)进行滤波后经过高倍显微物镜(5)会聚于针孔反射镜(6)的通孔内，由针孔反射镜(6)的通孔进行衍射，产生球面波。

3.根据权利要求2所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，其特征在于，反射镀膜中心的通孔直径为1μm，反射镀膜直径为100μm。

4.根据权利要求2所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，其特征在于，激光器(1)发出的线偏振激光的波长为523nm，输出功率300mw。

5.根据权利要求2所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，其特征在于，会聚放大装置包括准直透镜(8)、一号λ/4波片(9)和显微物镜(10)，

测量光依次经准直透镜(8)、一号λ/4波片(9)和显微物镜(10)到达被测微球表面(11)，经过被测微球表面(11)反射后的光携带着带有自然振动的被测微球表面形貌信息依次沿显微物镜(10)、一号λ/4波片(9)、准直透镜(8)、针孔反射镜(6)反射镀膜反射、D形反射镜(7)和准直透镜(12)准直后，与参考光合束。

6.根据权利要求5所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，其特征在于，准直透镜(8)、一号一号λ/4波片(9)和显微物镜(10)共光轴，准直透镜(8)、一号λ/4波片(9)和显微物镜(10)位于针孔反射镜(6)法线下方，且准直透镜(8)、一号λ/4波片(9)和显微物镜(10)的光轴与针孔反射镜(6)的法线方向成5°角。

7.根据权利要求5所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，其特征在于，D形反射镜(7)位于针孔反射镜(6)法线上方，D形反射镜(7)的反光面与针孔反射镜(6)法线方向成42.5°角。

8.根据权利要求1所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，其特征在于，调制耦合器包括λ/2波片(14)和光纤耦合器(15)，

反射光进入λ/2波片(14)，经过λ/2波片(14)调整参考光与测量光的偏振方向，使参考光和测量光的偏振方向分别与一号单模保偏光纤(16)的快轴和慢轴方向一致，确保λ/2波片(14)的出射光为偏振态正交的线偏振光，λ/2波片(14)的出射光经光纤耦合器(15)耦合进入一号单模保偏光纤(16)进行再次滤波。

9.根据权利要求1所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，其特征在于，准直透射装置包括光纤准直器(17)和二号λ/4波片(18)，

一号单模保偏光纤(16)的出射光经光纤准直器(17)准直后，再经过二号λ/4波片(18)透射后，参考光和测量光被分别调制为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。

10.根据权利要求1所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，其特征在于，棱镜组(19)包括两个分光棱镜和两个直角反射镜，

左旋圆偏振光和右旋圆偏振光均进入一个分光棱镜(19-1)被分成2束光，2束光分别射入一个直角反射镜(19-2)和另一个分光棱镜(19-3)中，从一个直角反射镜(19-2)反射出的1束光也进入另一个分光棱镜(19-3)，进入另一个分光棱镜(19-3)的2束光被分成2束出射光和2束折射光，2束出射光为棱镜组(19)输出的2束平行光，2束折射光进入另一个直角反射镜(19-4)被反射出的2束光为棱镜组(19)输出的另外2束平行光。

11.根据权利要求1所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，其特征在于，4偏振片与水平方向分别成0°、45°、90°和135°角。

12.根据权利要求9所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，其特征在于，二号λ/4波片(18)的慢轴方向与参考光和测量光的偏振方向夹角均为45°。

13.根据权利要求8所述的一种自然振动时空混合移相微球表面形貌检测系统，其特征在于，分光棱镜(13)的分光面与准直透镜(12)的光轴成45°角；

λ/2波片(14)、光纤耦合器(15)位于分光棱镜(13)右侧，λ/2波片(14)和光纤耦合器(15)共光轴，λ/2波片(14)和光纤耦合器(15)的光轴与分光棱镜(13)的分光面成45°角。

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