[发明专利]用于微球表面形貌检测的瞬时移相干涉测量仪及采用该测量仪实现微球表面形貌的测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于微球表面形貌检测的瞬时移相干涉测量仪及采用该测量仪实现微球表面形貌的测量方法，属于光学检测空间物体三维形貌的技术领域。 

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、医疗等诸多领域，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，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，又会存在着参考面精度不高，制造困难等问题。此外，传统移相干涉测量方法对杂散光干扰、环境振动、空气扰动等因素较为敏感，影响干涉系统的测量精度。 

发明内容

本发明是为了解决微小球面表面形貌测量中，单次测量检测范围过小、容易遗漏孤立缺陷点、参考面制造困难且精度不高、干涉场对比度低、以及传统时域移相干涉测量仪受到环境因素（振动、空气扰动）影响严重的问题，进而提供一种用于微球表面形貌检测的瞬时移相干涉测量仪及采用该测量仪实现微球表面形貌的测量方法。 

本发明所述用于微球表面形貌检测的瞬时移相干涉测量仪，它包括激光器、空间滤波器、第一λ/2波片、第一偏振分光棱镜、λ/4波片、显微物镜、微球、第二λ/2波片、第二偏振分光棱镜、光纤耦合器、单模光纤、光纤准直器、第三偏振分光棱镜、平面反射镜、第四偏振分光棱镜、第五偏振分光棱镜、波片阵列、偏振片、面阵CCD光学传感器、计算机； 

所述的空间滤波器、第一λ/2波片、第一偏振分光镜、λ/4波片、显微物镜和微球依次设置在激光器输出的激光束的光轴上，激光器输出的激光束经空间滤波器透射后转换成平行光束并入射至第一λ/2波片，经所述第一λ/2波片透射的光束入射至第一偏振分光棱镜，经所述第一偏振分光棱镜透射后的光束入射至λ/4波片，经所述λ/4波片透射后的光束入射至显微物镜，所述显微物镜将入射的光束会聚并照射在微球的表面，所述微球的球心位于显微物镜的焦点位置； 

经微球表面反射的反射光沿原光路返回，经显微物镜透射之后转换成平行光并入射至λ/4波片，经所述λ/4波片透射后入射至第一偏振分光棱镜的分光面，经该分光面反射后入射至第二λ/2波片，经所述第二λ/2波片透射后入射至第二偏振分光棱镜的分光面，经该分光面反射的光束为参考光束，该参考光束入射至光纤耦合器，经该光纤耦合器耦合后入射至单模光纤，经该单模光纤滤波后的参考光束入射至光纤准直器，经该光纤准直器准直后获得平行的参考光束作为第一入射参考光束入射至第三偏振分光棱镜； 

经第二偏振分光棱镜的分光面透射的光束为测量光束，该测量光束作为第二入射测量光束入射至第三偏振分光棱镜； 

所述第一入射参考光束的光轴与第二入射测量光束的光轴相垂直，第三偏振分光棱镜将入射的第一入射参考光束和第二入射测量光束合并之后形成一束光束，该束光束入射至第三平面反射镜，经该第三平面反射镜反射后形成与第四偏振分光棱镜的分光面平行的光束，并入射至所述第四偏振分光棱镜，所述第四偏振分光棱镜将入射的光束分为光强相同的两束平行光出射至第五偏振分光棱镜；所述第五偏振分光棱镜将入射的两束平行光分别分光，形成四束光强相等的平行光束，所述四束光强相等的平行光束同时入射至波片阵列，所述波片阵列对入射的四束光束分别加入0、π/2、π、3π/2的移相量，经所述波片阵列透射的四束光束同时入射至偏振片，经所述偏振片检偏后产生相干光，所述相干光入射至面阵CCD光学传感器的光敏面，在面阵CCD光学传感器上同时形成四幅干涉条纹图样；面阵CCD光学传感器的图像电信号输出端连接计算机的图像信号采集端。 

采用瞬时移相干涉测量仪实现微球表面形貌的测量方法为， 

步骤一、激光器发射激光束，该激光束经空间滤波器透射后转换成平行光束并入射至第一λ/2波片，经所述第一λ/2波片透射的光束入射至第一偏振分光棱镜，经所述第一偏振分光棱镜透射后的光束入射至λ/4波片，经所述λ/4波片透射后的光束入射至显微物镜，所述显微物镜将入射的光束会聚并照射在微球的表面；