CN112964197A - 基于负反馈锁相振动抑制的微小球体表面形貌检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明的基于负反馈锁相振动抑制的微小球体表面形貌检测装置，涉及一种光学小球表面检测装置，目的是为了克服现有时域移相点衍射干涉测量方法对于环境振动引入的随机误差较为敏感，存在一定量的残余误差的问题，包括第一激光器、第二激光器、第一λ/2波片、第二λ/2波片、第三λ/2波片、直角反射镜、偏振分光棱镜、第一角锥棱镜、第二角锥棱镜、第三角锥棱镜、锁相移相器、平面反射镜、第一二向色镜、4f系统、第一显微物镜、针孔反射镜、D形反射镜、第一准直透镜、λ/4波片、第二显微物镜、被测微球、第二准直透镜、检偏器、第二二向色镜、第一单色滤光片、面阵相机、第二单色滤光片和随机移相量检测装置。

Description

基于负反馈锁相振动抑制的微小球体表面形貌检测装置

技术领域

本发明涉及一种光学小球表面检测装置。

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、惯性约束聚变中都有着广泛的用途，其表面形貌质量对于其性能指标、寿命等方面有着显著的影响，需要进行精确测量。光学干涉测量法具有高精度、高效率、非接触等突出优点，是目前公认的精密加工表面微观形貌最佳观测方法之一，尤其点衍射干涉技术的发明，更是解决了标准参考镜加工精度不足限制检测精度的问题，为球面检测提供了较为理想的检测手段。

然而，对于微小球体表面形貌的高精度检测，现有时域移相点衍射干涉测量方法对于环境振动引入的随机误差较为敏感，需要采取良好的隔振措施才能正常测量，尤其环境振动中的低频振动分量很难完全隔绝，通常会存在一定量的残余误差，影响最终的测量结果。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有时域移相点衍射干涉测量方法对于环境振动引入的随机误差较为敏感，存在一定量的残余误差的问题，提供了一种基于负反馈锁相振动抑制的微小球体表面形貌检测装置。

本发明的基于负反馈锁相振动抑制的微小球体表面形貌检测装置，包括第一激光器、第二激光器、第一λ/2波片、第二λ/2波片、第三λ/2波片、直角反射镜、偏振分光棱镜、第一角锥棱镜、第二角锥棱镜、第三角锥棱镜、锁相移相器、平面反射镜、第一二向色镜、4f系统、第一显微物镜、针孔反射镜、D形反射镜、第一准直透镜、λ/4波片、第二显微物镜、被测微球、第二准直透镜、检偏器、第二二向色镜、第一单色滤光片、面阵相机、第二单色滤光片和随机移相量检测装置；

第一激光器所发出的第一线偏振光透射过第一λ/2波片后入射至直角反射镜的第一反射面；直角反射镜的第一反射面将第一线偏振光反射转向90°后入射至偏振分光棱镜；偏振分光棱镜在自身的分光面处将第一线偏振光分为第一水平偏振光和第一竖直偏振光；

第一水平偏振光透射过偏振分光棱镜的分光面后入射至第一角锥棱镜，该第一水平偏振光经第一角锥棱镜转向180°后返回至偏振分光棱镜，并透射过偏振分光棱镜的分光面；

第一竖直偏振光经偏振分光棱镜的分光面反射转向90°后入射至第三角锥棱镜，该第一竖直偏振光经第三角锥棱镜转向180°后返回至偏振分光棱镜，且偏振分光棱镜的分光面将第一竖直偏振光反射转向90°后与第一水平偏振光合束组成第一合束光束；

第一合束光束入射至直角反射镜的第二反射面，并经直角反射镜的第二反射面反射转向90°后透射过第一二向色镜；

第二激光器所发出的第二线偏振光透射过第二λ/2波片后入射至偏振分光棱镜，偏振分光棱镜在自身的分光面处将第二线偏振光分为第二水平偏振光和第二竖直偏振光；

第二水平偏振光透射过偏振分光棱镜的分光面；

第二竖直偏振光经偏振分光棱镜的分光面反射转向90°后入射至第一角锥棱镜，该第二竖直偏振光经第一角锥棱镜转向180°后入射至第二角锥棱镜；第二角锥棱镜将第二竖直偏振光转向180°后入射至偏振分光棱镜；偏振分光棱镜的分光面将该第二竖直偏振光反射转向90°后与第二水平偏振光合束组成第二合束光束；

第二合束光束透射过第三λ/2波片后入射至直角反射镜；该第二合束光束依次经直角反射镜将反射转向90°后入射至第一二向色镜的反光面、经第一二向色镜的反光面反射转向90°后与第一合束光束合束组成总合束光束；第三λ/2波片的快轴与第二合束光束的偏振方向呈45°角；

总合束光束依次经过4f系统、第一显微物镜和针孔反射镜，并在针孔反射镜的小孔处产生衍射光；且针孔反射镜的干涉光路结构为分波面干涉结构，将衍射光分为测量光和参考光；

测量光包括第一测量光和第二测量光，第一测量光包括第一合束光束衍射产生第一水平偏振衍射光和第一竖直偏振衍射光，第二测量光包括由第二合束光束衍射第二水平偏振衍射光和第二竖直偏振衍射光；

参考光包括第一参考光和第二参考光，第一参考光包括第一合束光束衍射产生第一水平偏振衍射光和第一竖直偏振衍射光，第二参考光包括由第二合束光束衍射第二水平偏振衍射光和第二竖直偏振衍射光；

测量光依次经过第一准直透镜、λ/4波片和第二显微物镜后到达被测微球的表面；且测量光的中心与被测微球的球心重合，使得测量光原路返回至针孔反射镜；λ/4波片的慢轴与测量光的偏振方向呈45°角；

针孔反射镜的反射面将返回的测量光反射转向并与参考光合束，组成衍射合束光束；衍射合束光束入射至D形反射镜，且经D形反射镜反射转向后入射至第二准直透镜，该衍射合束光束透射过第二准直透镜并入射至检偏器；

经过检偏器滤除竖直偏振衍射光的第一测量光与第一参考光干涉生成第一干涉光；经过检偏器滤除竖直偏振衍射光的第二测量光与第二参考光干涉生成第二干涉光；

第一干涉光与第二干涉光均入射至第二二向色镜，且第一干涉光透射过第二二向色镜后入射至第一单色滤光片，第二干涉光经第二二向色镜反射转向90°后入射至第二单色滤光片；

第一干涉光经过第一单色滤光片后进入面阵相机，面阵相机采集第一干涉光的干涉图；

第二干涉光经过第二单色滤光片后进入随机移相量检测装置的输入端，随机移相量检测装置根据第二干涉光的信息生成移相量补偿控制信号发送至锁相移相器；

锁相移相器与第一角锥棱镜固定，用于接收到移相量补偿控制信号后带动第一角锥棱镜运动，对装置振动所引起的随机移相量进行补偿；第一角锥棱镜的运动方向与偏振分光棱镜的分光面呈45°角。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种具有宽带振动抑制能力的时域移相干涉微小球体表面形貌测量仪器，采用双波长激光照明，通过补偿路的高速负反馈锁相，实现对振动引入的随机移相误差进行实时补偿，抑制干涉条纹产生的随机晃动，从而确保测量路采集干涉图像时条纹稳定，移相值准确。本装置不但可以有效抑制低频振动引入的随机误差，可实现振动环境下微球表面形貌高精度、高效率检测，对于一定范围内的高频振动同样有效，

附图说明

图1为本发明的基于负反馈锁相振动抑制的微小球体表面形貌检测装置的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一，本发明的基于负反馈锁相振动抑制的微小球体表面形貌检测装置，包括第一激光器1、第二激光器2、第一λ/2波片3、第二λ/2波片4、第三λ/2波片5、直角反射镜6、偏振分光棱镜7、第一角锥棱镜8、第二角锥棱镜9、第三角锥棱镜10、锁相移相器11、平面平面反射镜12、第一二向色镜13、4f系统14、第一显微物镜15、针孔反射镜16、D形反射镜17、第一准直透镜18、λ/4波片19、第二显微物镜20、被测微球21、第二准直透镜22、检偏器23、第二二向色镜24、第一单色滤光片25、面阵相机26、第二单色滤光片27和随机移相量检测装置28；

第一激光器1所发出的第一线偏振光透射过第一λ/2波片3后入射至直角反射镜6的第一反射面；直角反射镜6的第一反射面将第一线偏振光反射转向90°后入射至偏振分光棱镜7；偏振分光棱镜7在自身的分光面处将第一线偏振光分为第一水平偏振光和第一竖直偏振光；

第一水平偏振光透射过偏振分光棱镜7的分光面后入射至第一角锥棱镜8，该第一水平偏振光经第一角锥棱镜8转向180°后返回至偏振分光棱镜7，并透射过偏振分光棱镜7的分光面；

第一竖直偏振光经偏振分光棱镜7的分光面反射转向90°后入射至第三角锥棱镜10，该第一竖直偏振光经第三角锥棱镜10转向180°后返回至偏振分光棱镜7，且偏振分光棱镜7的分光面将第一竖直偏振光反射转向90°后与第一水平偏振光合束组成第一合束光束；

第一合束光束入射至直角反射镜6的第二反射面，并经直角反射镜6的第二反射面反射转向90°后透射过第一二向色镜13；

第二激光器2所发出的第二线偏振光透射过第二λ/2波片4后入射至偏振分光棱镜7，偏振分光棱镜7在自身的分光面处将第二线偏振光分为第二水平偏振光和第二竖直偏振光；

第二水平偏振光透射过偏振分光棱镜7的分光面；

第二竖直偏振光经偏振分光棱镜7的分光面反射转向90°后入射至第一角锥棱镜8，该第二竖直偏振光经第一角锥棱镜8转向180°后入射至第二角锥棱镜9；第二角锥棱镜9将第二竖直偏振光转向180°后入射至偏振分光棱镜7；偏振分光棱镜7的分光面将该第二竖直偏振光反射转向90°后与第二水平偏振光合束组成第二合束光束；

第二合束光束透射过第三λ/2波片5后入射至直角反射镜6；该第二合束光束依次经直角反射镜将反射转向90°后入射至第一二向色镜13的反光面、经第一二向色镜13的反光面反射转向90°后与第一合束光束合束组成总合束光束；第三λ/2波片5的快轴与第二合束光束的偏振方向呈45°角；

总合束光束依次经过4f系统14、第一显微物镜15和针孔反射镜16，并在针孔反射镜16的小孔处产生衍射光；且针孔反射镜16的干涉光路结构为分波面干涉结构，将衍射光分为测量光和参考光；

测量光包括第一测量光和第二测量光，第一测量光包括第一合束光束衍射产生第一水平偏振衍射光和第一竖直偏振衍射光，第二测量光包括由第二合束光束衍射第二水平偏振衍射光和第二竖直偏振衍射光；

参考光包括第一参考光和第二参考光，第一参考光包括第一合束光束衍射产生第一水平偏振衍射光和第一竖直偏振衍射光，第二参考光包括由第二合束光束衍射第二水平偏振衍射光和第二竖直偏振衍射光；

测量光依次经过第一准直透镜18、λ/4波片19和第二显微物镜20后到达被测微球21的表面；且测量光的中心与被测微球21的球心重合，使得测量光原路返回至针孔反射镜16；λ/4波片19的慢轴与测量光的偏振方向呈45°角；

针孔反射镜16的反射面将返回的测量光反射转向并与参考光合束，组成衍射合束光束；衍射合束光束入射至D形反射镜17，且经D形反射镜17反射转向后入射至第二准直透镜22，该衍射合束光束透射过第二准直透镜22并入射至检偏器23；

经过检偏器23滤除竖直偏振衍射光的第一测量光与第一参考光干涉生成第一干涉光；经过检偏器23滤除竖直偏振衍射光的第二测量光与第二参考光干涉生成第二干涉光；

第一干涉光与第二干涉光均入射至第二二向色镜24，且第一干涉光透射过第二二向色镜24后入射至第一单色滤光片25，第二干涉光经第二二向色镜24反射转向90°后入射至第二单色滤光片27；

第一干涉光经过第一单色滤光片25后进入面阵相机26，面阵相机26采集第一干涉光的干涉图，从而获得被测微球21的表面形貌信息；

第二干涉光经过第二单色滤光片27后进入随机移相量检测装置28的输入端，随机移相量检测装置28根据第二干涉光的信息生成移相量补偿控制信号发送至锁相移相器11；

锁相移相器11与第一角锥棱镜8固定，用于接收到移相量补偿控制信号后带动第一角锥棱镜8运动，对装置振动所引起的随机移相量进行补偿；第一角锥棱镜8的运动方向与偏振分光棱镜7的分光面呈45°角。

进一步地，随机移相量检测装置28包括光纤耦合器28-1、单模保偏光纤28-2、光电探测器28-3和锁相控制器28-4；

光纤耦合器28-1的输入端作为随机移相量检测装置28输入端，用于接收第二干涉光；且该光纤耦合器28-1的输出端通过单模保偏光纤28-2与光电探测器28-3的光信号输入端连接；

光电探测器28-3，用于将第二干涉光的光信号转为电信号；

锁相控制器28-4的输入端与光电探测器28-3的电信号输出端电气连接，用于从电信号中获得随机移相量检测信息后输出相应的移相量补偿控制信号。

进一步地，还包括测量移相器29；

测量移相器29与第三角锥棱镜10固定，且该测量移相器29与上位机连接，用于接收上位机发出的相位调制量控制信号，带动第三角锥棱镜10以相应的相位调制量运动，第三角锥棱镜10的运动方向偏振分光棱镜7的分光面呈45°角。

进一步地，第一激光器1所发出的第一线偏振光的波长为532nm，输出功率为300mw。

进一步地，第二激光器2所发出的第二线偏振光的波长为635nm，输出功率为300mw。

进一步地，第一准直透镜18、λ/4波片19和第二显微物镜20共光轴串行排列，且光轴与针孔反射镜16的法线方向呈5°角，第一准直透镜18的焦点与针孔反射镜16上的小孔重合，第二显微物镜20的焦点与被测微球21球心重合。

进一步地，第二准直透镜22、检偏器23、第二二向色镜24、第一单色滤光片25和面阵相机26依次串行排列位于D形反射镜17的下方，且第二准直透镜22的焦点与针孔反射镜16上的小孔重合，第二二向色镜24的反光面与第二准直透镜22准直后的衍射合束光束呈45°角，面阵相机26的法线方向与准直后的衍射合束光束的光轴同向。

进一步地，针孔反射镜16采用微小反射面结构，针孔反射镜16的反射面中心小孔的直径为1μm、外径为100μm。

进一步地，第一显微物镜15的放大倍率为50倍，数值孔径为0.75。

进一步地，第二显微物镜20的放大倍率为20倍，数值孔径为0.45，工作距为3mm。

进一步地，第一单色滤光片25对波长为532nm的光束透射；第二单色滤光片27对波长为635nm的光束透射。

具体地，本发明由第一激光器1、第二激光器2、第一λ/2波片3、、第二λ/2波片4、第三λ/2波片5、直角反射镜6、偏振分光棱镜7、第一角锥棱镜8、第二角锥棱镜9、第三角锥棱镜10、锁相移相器11、平面反射镜12、第一二向色镜13、4f系统14、高第一显微微物镜15、针孔反射镜16、D形反射镜17、第一准直透镜18、λ/4波片19、第二显微物镜20、被测微球21、第二准直透镜22、检偏器23、第二二向色镜24、第一单色滤光片25、面阵相机26、第二单色滤光片27、随机移相量检测装置28和测量移相器29、。

其中，随机移相量检测装置28包括光纤耦合器28-1、单模保偏光纤28-2、光电探测器28-3、锁相控制器28-4组成。

如图1所示，第一激光器1、第一λ/2波片3位于直角反射镜6左侧，第一λ/2波片3位于第一激光器1和直角反射镜6之间，第一λ/2波片3的法线方向与第一激光器1出射光束的光轴方向一致，直角反射镜6的第一反光面与第一激光器1出射光束呈45°角。

第二激光器2、第二λ/2波片4位于偏振分光棱镜7的左侧，第二λ/2波片4位于第二激光器2与偏振分光棱镜7之间，第二λ/2波片4的法线方向与第二激光器2出射光束的光轴方向一致，偏振分光棱镜7的分光面与第二激光器2出射光束呈45°角。

第三角锥棱镜10、测量移相器29位于偏振分光棱镜7的右侧，第三角锥棱镜10由测量移相器29承载，测量移相器29的运动方向与偏振分光棱镜7的分光面呈45°角。第二角锥棱镜9、直角反射镜6位于偏振分光棱镜7的上方，直角反射镜6位于第二角锥棱镜9与偏振分光棱镜7之间。

第一角锥棱镜8、锁相移相器11位于偏振分光棱镜7的下方，第一角锥棱镜8由锁相移相器11承载，锁相移相器11的运动方向与偏振分光棱镜7的分光面呈45°角。第一二向色镜13位于直角反射镜6的右侧，其反射面与直角反射镜6的反射面平行。

平面反射镜12位于偏振分光棱镜7的右侧，第一二向色镜13的下方，其反射面与第一二向色镜13的反射面平行，第三λ/2波片5位于平面反射镜12与偏振分光棱镜7之间。

针孔反射镜16位于第一二向色镜13右侧，4f系统14、高倍显微物镜145位于第一二向色镜13与针孔反射镜16之间，三者同光轴，高第一显微微物镜15的焦点与针孔反射镜16上的小孔重合。D形反射镜17位于针孔反射镜16镀膜一侧并位于其法线上方，其反光面与针孔反射镜16法线方向成42.5°角。

第一准直透镜18、λ/4波片19、第二显微物镜20、被测微球21位于针孔反射镜16镀膜一侧并位于其法线下方，第一准直透镜18、λ/4波片19、第二显微物镜20三者共光轴串行排列，光轴与针孔反射镜16法线方向成5°角，第一准直透镜18的焦点与针孔反射镜16上的小孔重合，第二显微物镜20的焦点与被测微球21球心重合。

第二准直透镜22、检偏器23、第二二向色镜24、第一单色滤光片25、面阵相机26位于D形反射镜17的下方，串行排列，第二准直透镜22的焦点与针孔反射镜16上的小孔重合，第二二向色镜24的反光面与第二准直透镜22准直后的光束呈45°角，面阵相机26法线方向与准直后的光束光轴同向。

第二单色滤光片27、光纤耦合器28-1位于第二二向色镜24反射光出光一侧，两者共光轴。光电探测器28-3与光纤耦合器28-1之间通过单模保偏光纤28-2连接，锁相控制器28-4输入端与光电探测器28-3输出端相连，输出端与锁相移相器11相连。

第一激光器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％；

第二激光器2出射线偏振激光波长635nm，输出功率300mw连续可调，十小时功率稳定性小于1％；高第一显微微物镜15放大倍率50倍，数值孔径0.75；

第二显微物镜20放大倍率20倍，数值孔径0.45，工作距3mm；面阵相机26分辨率4096×4098，像元尺寸4.5μm，最大支持位深10位，CoaXPress数据接口；

针孔反射镜16表面反射膜直径100μm，中心小孔直径1μm；

第一二向色镜13、第二二向色镜24对波长523nm激光透射，对波长635nm激光反射；单模保偏光纤28-2长11m，纤芯直径2μm，慢轴具有高消光比；

第一单色滤光片25对波长532nm光束透射；第二单色滤光片27对波长635nm光束透射。

本装置的工作原理如下：

第一激光器1输出的波长532nm线偏振光透射过第一λ/2波片3后在直角反射镜6的第一反射面产生90°转向，第一λ/2波片3用于调整光束的偏振方向。光束在偏振分光棱镜7处分为偏振方向互相垂直的两束线偏振光，透射光水平偏振，反射光竖直偏振。透射光经第一角锥棱镜8产生180°转向，回到偏振分光棱镜7的分光面处，仍然透射；反射光经第三角锥棱镜10产生180°转向，回到偏振分光棱镜7的分光面处，仍然反射。合束后的两束光经直角反射镜6的第二反射面反射，90°转向后到达第一二向色镜13，并透射过第一二向色镜13。

第二激光器2输出的波长635nm线偏振光透射过第二λ/2波片4后在偏振分光棱镜7处分为偏振方向互相垂直的两束线偏振光，透射光水平偏振，反射光竖直偏振。反射光经第一角锥棱镜8产生180°转向，到达第二角锥棱镜9，再次180°转向，回到偏振分光棱镜7的分光面处，仍然反射，与透射光合束，透射过第三λ/2波片5。第三λ/2波片5的快轴与光束的偏振方向呈45°角，因此水平偏振光束调制后变为竖直偏振，竖直偏振光束调制后变为水平偏振。光束经平面反射镜12反射，90°转向后到达第一二向色镜13，并在其反光面处产生反射。

532nm激光与635nm激光在第一二向色镜13的反光面处合束，经4f系统14准直扩束后，由高第一显微微物镜15会聚到针孔反射镜16的小孔处产生衍射。此时，衍射光实际上包含了4种光成分：532nm水平偏振衍射光、532nm竖直偏振衍射光、635nm水平偏振衍射光、635nm竖直偏振衍射光。针孔反射镜16后的干涉光路结构采用了分波面干涉，即一部分衍射光作为测量光，经第一准直透镜18准直，λ/4波片19调制，第二显微物镜20会聚，到达被测微球21表面。会聚光束中心与球心近似重合，因此光束近似原路返回，到达针孔反射镜16的反射面，反射转向，与另一部分作为参考光的直接衍射光合束，经D形镜17反射转向，再经第二准直透镜22准直后射向检偏器23。调整λ/4波片19的慢轴与光束偏振方向呈45°角，因此，测量光往返，两次经过λ/4波片19调制后，偏振方向改变90°，并调整检偏器23的透光轴方向为水平方向。此时，对于532nm水平偏振衍射光，返回的测量光变为竖直偏振，被检偏器23滤除，直接衍射的参考光为水平偏振，通过检偏器23；对于532nm竖直偏振衍射光，返回的测量光变为水平偏振，通过检偏器23，直接衍射的参考光为竖直偏振，被检偏器23滤除。类似的，对于635nm水平偏振衍射光，返回的测量光变为竖直偏振，被检偏器23滤除，直接衍射的参考光为水平偏振，通过检偏器23；对于635nm竖直偏振衍射光，返回的测量光变为水平偏振，通过检偏器23，直接衍射的参考光为竖直偏振，被检偏器23滤除。通过检偏器23的532nm参考光与测量光产生干涉，635nm参考光与测量光产生干涉。532nm干涉光与635nm干涉光在第二二向色镜24处分离，532nm干涉光束透射，635nm干涉光束反射。透射的532nm干涉光束经过第一单色滤光片25后由面阵相机26采集干涉图。反射的635nm干涉光束经过第二单色滤光片27后，由光纤耦合器28-1耦合进入单模保偏光纤28-2，光纤出射光由光电探测器28-3接收。根据光电探测器28-3的输出信号，锁相控制器28-4控制锁相移相器11带动第一角锥棱镜8快速运动，采用现有干涉测量方法对振动引入的随机移相量进行实时补偿。

测量移相器29的作用位于波长532nm光路中，用于在参考光与测量光之间引入可控的相位调制量，实现被测微球表面形貌的时域移相干涉测量。测量移相器29每带动第三角锥棱镜10移动一次，面阵相机26就采集对应的干涉图。这样随着测量移相器29的移动，可以得到一系列变化的干涉图，再将这些干涉图以及测量移相器29引入的相位调制量带入解相算法求解参考光与测量光的初始相位差分布信息，再将相位差转换为高度差，最终得到被测微球21表面的相对形貌误差。

该测量系统采用双波长激光光源，532nm激光光路作为正常测量光路，635nm激光光路作为负反馈锁相光路。采用双移相器独立控制，使得锁相移相器19产生的振动补偿对于正常测量光路有效，确保正常测量干涉图稳定不动，而正常测量光路进行时域移相时并不会对负反馈锁相光路产生影响。第一单色滤光片25和第二单色滤光片27可分别透过532nm光束和635nm光束，用于滤除第二二向色镜24分光后残余的少量干扰光成分。第一λ/2波片3和第二λ/2波片4用于调整参考光与测量光的比例。针孔反射镜16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。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。锁相光路中的单模保偏光纤28-2用于滤除测量光中携带的被测表面起伏信息，确保光纤出射端产生的干涉场为均匀场，避免在光电探测器28-3上产生干涉条纹，造成锁相混乱。

Claims (11)

1.基于负反馈锁相振动抑制的微小球体表面形貌检测装置，其特征在于，包括第一激光器(1)、第二激光器(2)、第一λ/2波片(3)、第二λ/2波片(4)、第三λ/2波片(5)、直角反射镜(6)、偏振分光棱镜(7)、第一角锥棱镜(8)、第二角锥棱镜(9)、第三角锥棱镜(10)、锁相移相器(11)、平面反射镜(12)、第一二向色镜(13)、4f系统(14)、第一显微物镜(15)、针孔反射镜(16)、D形反射镜(17)、第一准直透镜(18)、λ/4波片(19)、第二显微物镜(20)、被测微球(21)、第二准直透镜(22)、检偏器(23)、第二二向色镜(24)、第一单色滤光片(25)、面阵相机(26)、第二单色滤光片(27)和随机移相量检测装置(28)；

第一激光器(1)所发出的第一线偏振光透射过第一λ/2波片(3)后入射至直角反射镜(6)的第一反射面；直角反射镜(6)的第一反射面将第一线偏振光反射转向90°后入射至偏振分光棱镜(7)；偏振分光棱镜(7)在自身的分光面处将第一线偏振光分为第一水平偏振光和第一竖直偏振光；

第一水平偏振光透射过偏振分光棱镜(7)的分光面后入射至第一角锥棱镜(8)，该第一水平偏振光经第一角锥棱镜(8)转向180°后返回至偏振分光棱镜(7)，并透射过偏振分光棱镜(7)的分光面；

第一竖直偏振光经偏振分光棱镜(7)的分光面反射转向90°后入射至第三角锥棱镜(10)，该第一竖直偏振光经第三角锥棱镜(10)转向180°后返回至偏振分光棱镜(7)，且偏振分光棱镜(7)的分光面将第一竖直偏振光反射转向90°后与第一水平偏振光合束组成第一合束光束；

第一合束光束入射至直角反射镜(6)的第二反射面，并经直角反射镜(6)的第二反射面反射转向90°后透射过第一二向色镜(13)；

第二激光器(2)所发出的第二线偏振光透射过第二λ/2波片(4)后入射至偏振分光棱镜(7)，偏振分光棱镜(7)在自身的分光面处将第二线偏振光分为第二水平偏振光和第二竖直偏振光；

第二水平偏振光透射过偏振分光棱镜(7)的分光面；

第二竖直偏振光经偏振分光棱镜(7)的分光面反射转向90°后入射至第一角锥棱镜(8)，该第二竖直偏振光经第一角锥棱镜(8)转向180°后入射至第二角锥棱镜(9)；所述第二角锥棱镜(9)将第二竖直偏振光转向180°后入射至偏振分光棱镜(7)；偏振分光棱镜(7)的分光面将该第二竖直偏振光反射转向90°后与第二水平偏振光合束组成第二合束光束；

第二合束光束透射过第三λ/2波片(5)后入射至直角反射镜(6)；该第二合束光束依次经直角反射镜将反射转向90°后入射至第一二向色镜(13)的反光面、经第一二向色镜(13)的反光面反射转向90°后与第一合束光束合束组成总合束光束；所述第三λ/2波片(5)的快轴与第二合束光束的偏振方向呈45°角；

总合束光束依次经过4f系统(14)、第一显微物镜(15)和针孔反射镜(16)，并在针孔反射镜(16)的小孔处产生衍射光；且所述针孔反射镜(16)的干涉光路结构为分波面干涉结构，将所述衍射光分为测量光和参考光；

所述测量光包括第一测量光和第二测量光，所述第一测量光包括第一合束光束衍射产生第一水平偏振衍射光和第一竖直偏振衍射光，所述第二测量光包括由第二合束光束衍射第二水平偏振衍射光和第二竖直偏振衍射光；

所述参考光包括第一参考光和第二参考光，所述第一参考光包括第一合束光束衍射产生第一水平偏振衍射光和第一竖直偏振衍射光，所述第二参考光包括由第二合束光束衍射第二水平偏振衍射光和第二竖直偏振衍射光；

测量光依次经过第一准直透镜(18)、λ/4波片(19)和第二显微物镜(20)后到达被测微球(21)的表面；且测量光的中心与被测微球(21)的球心重合，使得测量光原路返回至针孔反射镜(16)；所述λ/4波片(19)的慢轴与测量光的偏振方向呈45°角；

所述针孔反射镜(16)的反射面将返回的测量光反射转向并与参考光合束，组成衍射合束光束；衍射合束光束入射至D形反射镜(17)，且经D形反射镜(17)反射转向后入射至第二准直透镜(22)，该衍射合束光束透射过第二准直透镜(22)并入射至检偏器(23)；

经过检偏器(23)滤除竖直偏振衍射光的第一测量光与第一参考光干涉生成第一干涉光；经过检偏器(23)滤除竖直偏振衍射光的第二测量光与第二参考光干涉生成第二干涉光；

第一干涉光与第二干涉光均入射至第二二向色镜(24)，且第一干涉光透射过第二二向色镜(24)后入射至第一单色滤光片(25)，第二干涉光经第二二向色镜(24)反射转向90°后入射至第二单色滤光片(27)；

第一干涉光经过第一单色滤光片(25)后进入面阵相机(26)，面阵相机(26)采集第一干涉光的干涉图；

第二干涉光经过第二单色滤光片(27)后进入随机移相量检测装置(28)的输入端，所述随机移相量检测装置(28)根据第二干涉光的信息生成移相量补偿控制信号发送至锁相移相器(11)；

所述锁相移相器(11)与第一角锥棱镜(8)固定，用于接收到移相量补偿控制信号后带动第一角锥棱镜(8)运动，对所述装置振动所引起的随机移相量进行补偿；所述第一角锥棱镜(8)的运动方向与偏振分光棱镜(7)的分光面呈45°角。

2.根据权利要求1所述的基于负反馈锁相振动抑制的微小球体表面形貌检测装置，其特征在于，随机移相量检测装置(28)包括光纤耦合器(28-1)、单模保偏光纤(28-2)、光电探测器(28-3)和锁相控制器(28-4)；

所述光纤耦合器(28-1)的输入端作为随机移相量检测装置(28)输入端，用于接收第二干涉光；且该光纤耦合器(28-1)的输出端通过单模保偏光纤(28-2)与光电探测器(28-3)的光信号输入端连接；

光电探测器(28-3)，用于将第二干涉光的光信号转为电信号；

锁相控制器(28-4)的输入端与光电探测器(28-3)的电信号输出端电气连接，用于从电信号中获得随机移相量检测信息后输出相应的移相量补偿控制信号。

3.根据权利要求1所述的基于负反馈锁相振动抑制的微小球体表面形貌检测装置，其特征在于，还包括测量移相器(29)；

所述测量移相器(29)与第三角锥棱镜(10)固定，且该测量移相器(29)与上位机连接，用于接收上位机发出的相位调制量控制信号，带动第三角锥棱镜(10)以相应的相位调制量运动，所述第三角锥棱镜(10)的运动方向偏振分光棱镜(7)的分光面呈45°角。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于负反馈锁相振动抑制的微小球体表面形貌检测装置，其特征在于，第一激光器(1)所发出的第一线偏振光的波长为532nm，输出功率为300mw。

5.根据权利要求4所述的基于负反馈锁相振动抑制的微小球体表面形貌检测装置，其特征在于，第二激光器(2)所发出的第二线偏振光的波长为635nm，输出功率为300mw。

6.根据权利要求5所述的基于负反馈锁相振动抑制的微小球体表面形貌检测装置，其特征在于，第一准直透镜(18)、λ/4波片(19)和第二显微物镜(20)共光轴串行排列，且所述光轴与针孔反射镜(16)的法线方向呈5°角，第一准直透镜(18)的焦点与针孔反射镜(16)上的小孔重合，第二显微物镜(20)的焦点与被测微球(21)球心重合。

7.根据权利要求6所述的基于负反馈锁相振动抑制的微小球体表面形貌检测装置，其特征在于，第二准直透镜(22)、检偏器(23)、第二二向色镜(24)、第一单色滤光片(25)和面阵相机(26)依次串行排列位于D形反射镜(17)的下方，且第二准直透镜(22)的焦点与针孔反射镜(16)上的小孔重合，第二二向色镜(24)的反光面与第二准直透镜(22)准直后的衍射合束光束呈45°角，面阵相机(26)的法线方向与准直后的衍射合束光束的光轴同向。

8.根据权利要求7所述的基于负反馈锁相振动抑制的微小球体表面形貌检测装置，其特征在于，针孔反射镜(16)采用微小反射面结构，针孔反射镜(16)的反射面中心小孔的直径为1μm、外径为100μm。

9.根据权利要求8所述的基于负反馈锁相振动抑制的微小球体表面形貌检测装置，其特征在于，第一显微物镜(15)的放大倍率为50倍，数值孔径为0.75。

10.根据权利要求9所述的基于负反馈锁相振动抑制的微小球体表面形貌检测装置，其特征在于，第二显微物镜(20)的放大倍率为20倍，数值孔径为0.45，工作距为3mm。

11.根据权利要求10所述的基于负反馈锁相振动抑制的微小球体表面形貌检测装置，其特征在于，第一单色滤光片(25)对波长为532nm的光束透射；第二单色滤光片(27)对波长为635nm的光束透射。

Images