一種基于數(shù)字全息的高數(shù)值孔徑半球面形檢測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半球面形的三維形貌檢測系統(tǒng)，更特別地說，是指一種針對大相對口徑、大曲率的半球面形的數(shù)字全息高數(shù)值孔徑三維形貌檢測系統(tǒng)，屬于光學精密檢測領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，半球面形的三維形貌檢測技術(shù)主要有接觸式三坐標測量儀、光學干涉檢測技術(shù)等，光學干涉檢測技術(shù)中干涉儀的應(yīng)用最為廣泛。數(shù)字全息技術(shù)利用CCD、CMOS等光電成像探測器件作為記錄介質(zhì)來記錄全息圖，以數(shù)字形式存儲，并利用計算機以數(shù)字方法模擬再現(xiàn)光學衍射過程，重構(gòu)三維光場，同時獲得光場的振幅和相位信息。其優(yōu)點包括:(1)以非接觸方式檢測，對被測物體表面完全無損；(2)記錄與再現(xiàn)過程都以數(shù)字化形式完成，便于對球面面形的三維信息進行定量分析及數(shù)字處理；(3)在數(shù)字重構(gòu)過程中，可方便地運用數(shù)字圖像處理技術(shù)改善數(shù)據(jù)質(zhì)量。在專利CN201410152708提出的一種基于子孔徑相位拼接的數(shù)字全息球面面型檢測裝置中，雖然采用數(shù)字全息技術(shù)，但是在其中采用球面標準鏡為被測球面生成球面照明光，該球面鏡不能對光束進行擴束和高度會聚，輸出光束的孔徑角較小，對大相對口徑、大曲率球面測量來說需要多次移動被測物體相對于光路的位置，測量過程較為復(fù)雜且會引入較大的測量誤差；而且不能對平行度進行調(diào)整，因此系統(tǒng)像差對測量結(jié)果的影響較大；采用532nm激光器提供照明，該波長對球面的表面微形貌來說測量范圍較小，因此分辨率降低；五維調(diào)整安裝平臺的單向移動范圍較?。幌到y(tǒng)結(jié)構(gòu)不夠緊湊，裝配比較復(fù)雜。
[0003]為了將數(shù)字全息技術(shù)應(yīng)用于大相對口徑、大曲率的半球面形的三維形貌檢測，并獲得高精度的測量結(jié)果，需要解決一些技術(shù)問題:(1)對于大相對口徑、大曲率的三維半球表面來說，由于光束方向與光束口徑的限制，單次測量無法完成對大相對口徑、大曲率的半球表面面形的檢測；(2)在檢測過程中，為保證測量的準確性，出射光線會聚的焦點需要與半球工裝的球心完全重合；(3)測量過程中，被測球面相對于光軸的準確定位；(4)檢測系統(tǒng)的合理性設(shè)計，穩(wěn)定性高，便于操作，測量精度高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決上述問題，設(shè)計了一種基于數(shù)字全息的高數(shù)值孔徑半球面形檢測系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用數(shù)字全息技術(shù)，設(shè)計了數(shù)字全息檢測光路，并且設(shè)計了一個與之匹配的高數(shù)值孔徑標準會聚球面波產(chǎn)生裝置，能夠接收數(shù)字全息檢測光路出射的光束并對其進行調(diào)整，輸出為高數(shù)值孔徑的標準會聚球面波，為被測半球工裝提供照明，這樣使得輸出的會聚光束有效匹配被測半球面大相對口徑、大曲率的特性，提高測量精度。而且，測量中結(jié)合子孔徑拼接檢測技術(shù)，針對子孔徑獲取過程中被測半球工裝的移動設(shè)計了一個組合機械定位臺，結(jié)構(gòu)簡單，拆裝組合方便，定位精度高，可用于大相對口徑、大曲率的半球形物體的表面三維形貌的高精度檢測。
[0005]本發(fā)明的一種基于數(shù)字全息的高數(shù)值孔徑半球面形檢測系統(tǒng)，包括全息檢測光路、高數(shù)值孔徑標準會聚球面波產(chǎn)生裝置、半球工裝、4維組合機械定位臺，半球工裝即被測對象；
[0006]全息檢測光路包括激光光源、A半波片、偏振分光棱鏡、B半波片、第一光束準直單元、第二光束準直單元、光束偏轉(zhuǎn)單元和CCD相機；
[0007]高數(shù)值孔徑標準會聚球面波產(chǎn)生裝置包括5倍擴束鏡和小F數(shù)激光鏡頭；
[0008]4維組合機械定位臺包括水平方向二維平移臺、垂直方向一維平移臺和一維旋轉(zhuǎn)臺；
[0009]全息檢測光路能夠出射兩束已濾波、準直后的平行光，其中一束進入(XD相機中，作為參考光，另一束輸出，進入到高數(shù)值孔徑標準會聚球面波產(chǎn)生裝置中；激光光源是一臺高穩(wěn)定性、高相干性的紅光氦氖激光器，能夠輸出波長632.8nm的激光，激光光束經(jīng)過A半波片后傳輸至偏振分光棱鏡，被分為兩束線偏振光，并分別輸入兩個光束準直單元;A半波片用于調(diào)整入射激光的偏振方向；偏振分光棱鏡置于一個小型機械定位臺上，可通過微量調(diào)節(jié)定位臺來調(diào)整光束的方向，保證兩束線偏振光在同一水平面上，操作簡單方便；通過A半波片和偏振分光棱鏡的配合可實現(xiàn)透射光和反射光的光強比連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)兩束光的分光比，使半球工裝表面反射回的光線與參考光的光強比約1:1，得到對比度清晰的干涉圖像；通過檢偏器的配合，調(diào)整B半波片使反射光與透射光的偏振方向保持一致；第一光束準直單元和第二光束準直單元分別接受入射的光束并對其進行濾波、擴束并輸出平行光束，二者具有相同的結(jié)構(gòu)，均由空間濾波器和平凸透鏡構(gòu)成；通過平行平晶檢測裝置檢測出射光的平行度，可調(diào)節(jié)光束準直單元使其輸出的光束的平行度和質(zhì)量達到最佳狀態(tài)；第一光束準直單元的出射光束經(jīng)過光束偏轉(zhuǎn)單元折轉(zhuǎn)后經(jīng)由非偏振分光棱鏡直接進入(XD相機中，光束偏轉(zhuǎn)單元用于調(diào)節(jié)參考光的角度以形成離軸干涉全息；第二光束準直單元的出射光束輸出，進入到高數(shù)值孔徑標準會聚球面波產(chǎn)生裝置；CCD相機用于捕獲、記錄數(shù)字全息圖。
[0010]高數(shù)值孔徑標準會聚球面波產(chǎn)生裝置用于為被測高數(shù)值孔徑的半球工裝表面提供標準會聚球面波。由于在球面(凹面或凸面)的測量中，光線的F數(shù)需要匹配被測球面的相對孔徑以得到得被測球面的完整信息，因此，對與高數(shù)值孔徑的半球工裝來說，測量時需要出射光線的F數(shù)不大于其相對孔徑，才能夠覆蓋其表面，完成對全表面的測量。
[0011]5倍擴束鏡能夠接收全息檢測光路出射的的一束平行光并對其進行5倍擴束，擴束后的平行光進入小F數(shù)激光鏡頭后出射大像方孔徑角的會聚光束；高數(shù)值孔徑標準會聚球面波產(chǎn)生裝置的F數(shù)為0.65，出射光線的口徑為102mm，像方口徑角為43.13度，能夠完全滿足大相對口徑、大曲率的球面的測量要求；該裝置能夠微量調(diào)節(jié)入射平行光的平行度，輸出系統(tǒng)波前的PV值為0.14 λ，系統(tǒng)誤差極小，能夠為半球工裝的表面測量提供高數(shù)值孔徑的會聚標準球面波；其適用波長為632.8nm，能夠與全息檢測光路中的器件匹配。
[0012]4維組合機械定位臺用于調(diào)整半球工裝相對于系統(tǒng)光路的準確定位；水平方向二維平移臺用于調(diào)節(jié)半球形物體的相對于照明會聚球面光束的焦點在水平方向的位置，垂直方向一維平移臺用于調(diào)節(jié)半球形物體的相對于照明會聚球面光束的光軸在垂直方向的高度，兩者配合配合，使半球工裝的球心位于光軸上并與照明會聚球面光束的焦點重合；由于半球工裝的三維特性，單次不能完成對半球工裝表面全口徑的測量，因此需要采用子孔徑拼接檢測技術(shù)；一維旋轉(zhuǎn)臺即用于實驗時獲取子孔徑過程中子孔徑獲取時的半球工裝相對于系統(tǒng)光路的360度旋轉(zhuǎn)。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0014](1)采用數(shù)字全息技術(shù)來測量球面的三維形貌，單次曝光即可獲得球面的信息，操作簡單，測量過程中對環(huán)境的要求較低，而且，與傳統(tǒng)的光學干涉測量方法如標準干涉儀相比，測量過程中不受標準鏡的限制，簡化測量過程，降低成本；而且可得與標準ZYG0干涉儀相當?shù)臏y量精度；
[0015](2)高數(shù)值孔徑標準會聚球面波產(chǎn)生裝置可對入射的平行光線進行5倍擴束，并進行高數(shù)值孔徑會聚，并且能夠微量調(diào)節(jié)入射光線的平行度，有效擴大了出射光線的口徑，其像方孔徑角為43.13度，F(xiàn)數(shù)為0.65，能夠滿足大相對口徑、大曲率的半球面的測量要求，為其表面三維形貌的測量提供高數(shù)值孔徑的會聚標準球面波；而且，該裝置能夠?qū)θ肷涔馐M行微量平行度調(diào)節(jié)，系統(tǒng)波前的PV值為0.14 λ，能夠有效減小系統(tǒng)像差，提高測量精度；
[0016](3)采用半波片與偏振分光棱鏡配合，可同時輸出兩束線偏振光，并可精確控制照明光和參考光的偏振態(tài)和光強比，使參考光與被測半球表面反射的光線的光強比約1:1，得到清晰的干涉圖像；而且可通過偏振分光棱鏡的定位臺調(diào)節(jié)光束的方向，保證兩束線偏振光在同一水平面上，操作簡單方便；
[0017](4)本發(fā)明采用4維組合機械定位臺，結(jié)構(gòu)簡單，拆裝組合方便，定位精度高，能夠為被測半球工裝提供準確定位，從硬件上有效減小了子孔徑獲取中的誤差；
[0018](5)本發(fā)明系統(tǒng)采用籠式結(jié)構(gòu)搭建，結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性高，便于裝配調(diào)試，操作簡單。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明一種基于數(shù)字全息的高數(shù)值孔徑半球面形檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0020]圖2是本發(fā)明一種基于數(shù)字全息的高數(shù)值孔徑半球面形檢測系統(tǒng)的全息檢測光路框圖；
[0021]圖3是本發(fā)明一種基于數(shù)字全息的高數(shù)值孔徑半球面形檢測系統(tǒng)的高數(shù)值孔徑標準會聚球面波產(chǎn)生裝置的框圖；
【具體實施方式】
[0022]下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0023]如圖1所示，本發(fā)明是一種基于數(shù)字全息的高數(shù)值孔徑半球面形檢測系統(tǒng)，包括全息檢測光路1、高數(shù)值孔徑標準會聚球面波產(chǎn)生裝置2、半球工裝3、4維組合機械定位臺4 ；
[0024]全息檢測光路1如圖2所不，包括激光光源1_1、Α半波片1-2、偏振分光棱鏡1_3、第一光束準直單元1_4、Β半波片1-5、第二光束準直單元1-6、光束偏轉(zhuǎn)單元1-7、非偏振分光棱鏡1-8和(XD相機1-9 ；
[0025]激光光源1-1產(chǎn)生的激光Ι-la經(jīng)過A半波片1_2形成激光l_2a，輸入至偏振分光棱鏡1-3，偏振分光棱鏡1-3將入射的激光l_2a分為兩束偏振方向正交的空間線偏振光l-3a和l-3b，分別輸入至第一光束準直單元1-4和B半波片1_5中。偏振分光棱鏡1_3與A半波片1_2、B半波片1-5配合，可以調(diào)整兩束偏振方向正交空間線偏振光l_3a和l_3b的光強比和偏振方向，并且在實驗中，通過A半波片1-2與偏振分光棱鏡1-3配合可調(diào)節(jié)兩束光的分光比，使半球工裝3表面反射回并經(jīng)過高數(shù)值孔徑標準會聚球面波產(chǎn)生裝置2的光線2b與參考光l_8a的光強比約1:1，得到對比度清晰的干涉圖像；
[0026]空間線偏振光l_3b經(jīng)過B半波片1-5后，進入第二光束準直單元1_6，經(jīng)過濾波、準直、擴束后輸出平行光l_6a，進入光束偏轉(zhuǎn)單元1-7中，光束偏轉(zhuǎn)單元1-7用于調(diào)整參考光l_8a的入射角度使其與物光l_8b之間存在一個微小的夾角形成離軸干涉全息圖，光束偏轉(zhuǎn)單元1-7對接收的光束l_6a進行方向折轉(zhuǎn)后，輸出光束l_7a，經(jīng)由非偏振分光棱鏡
1-8直接進入到(XD相機1-9的光敏面上；
[0027]同時，空間線偏振光l_3a直接進入第一光束準直單元1_4，經(jīng)過濾波、準直、擴束后輸出平行光l_4a，進而經(jīng)過非偏振分光棱鏡1-8后輸出平行光la，進入高數(shù)值孔徑標準會聚球面波產(chǎn)生裝置2中；
[0028]非偏振分光棱鏡1-8用于接收半球工裝3表面反射回并經(jīng)由高數(shù)值孔徑標準會聚球面波產(chǎn)生裝置2調(diào)