本發明專利技術公開了一種基于數字全息的高數值孔徑半球面形檢測系統，該系統采用數字全息檢測技術對大相對口徑、大曲率的半球表面面型進行高精度的三維形貌的檢測。針對被測半球面的相對口徑和曲率，設計數字全息球面檢測光路系統，并采用高數值孔徑標準會聚球面波產生裝置為被測球面提供高度會聚的標準球面波，其F數為0.65，像方孔徑角43.13度。為了保證被測半球工裝相對于系統光路的準確定位，采用4維組合機械定位臺對半球工裝相對于光路系統進行準確定位，其單程的移動精度為0.001mm。該系統通過籠式立體結構使得各光學器件的布局結構緊湊、穩定、便于調節，可用于大相對口徑、大曲率的精密半球形軸承、光學透鏡等組件的球面三維形貌的高精度檢測。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種半球面形的三維形貌檢測系統，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字全息高數值孔徑三維形貌檢測系統，屬于光學精密檢測領域。
技術介紹
目前，半球面形的三維形貌檢測技術主要有接觸式三坐標測量儀、光學干涉檢測技術等，光學干涉檢測技術中干涉儀的應用最為廣泛。數字全息技術利用CCD、CMOS等光電成像探測器件作為記錄介質來記錄全息圖，以數字形式存儲，并利用計算機以數字方法模擬再現光學衍射過程，重構三維光場，同時獲得光場的振幅和相位信息。其優點包括:(1)以非接觸方式檢測，對被測物體表面完全無損；(2)記錄與再現過程都以數字化形式完成，便于對球面面形的三維信息進行定量分析及數字處理；(3)在數字重構過程中，可方便地運用數字圖像處理技術改善數據質量。在專利CN201410152708提出的一種基于子孔徑相位拼接的數字全息球面面型檢測裝置中，雖然采用數字全息技術，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，測量過程較為復雜且會引入較大的測量誤差；而且不能對平行度進行調整，因此系統像差對測量結果的影響較大；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；五維調整安裝平臺的單向移動范圍較小；系統結構不夠緊湊，裝配比較復雜。為了將數字全息技術應用于大相對口徑、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果，需要解決一些技術問題:(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)檢測系統的合理性設計，穩定性高，便于操作，測量精度高。
技術實現思路
本專利技術為了解決上述問題，設計了一種基于數字全息的高數值孔徑半球面形檢測系統。本系統采用數字全息技術，設計了數字全息檢測光路，并且設計了一個與之匹配的高數值孔徑標準會聚球面波產生裝置，能夠接收數字全息檢測光路出射的光束并對其進行調整，輸出為高數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，測量中結合子孔徑拼接檢測技術，針對子孔徑獲取過程中被測半球工裝的移動設計了一個組合機械定位臺，結構簡單，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。本專利技術的一種基于數字全息的高數值孔徑半球面形檢測系統，包括全息檢測光路、高數值孔徑標準會聚球面波產生裝置、半球工裝、4維組合機械定位臺，半球工裝即被測對象；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、光束偏轉單元和CCD相機；高數值孔徑標準會聚球面波產生裝置包括5倍擴束鏡和小F數激光鏡頭；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臺；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，進入到高數值孔徑標準會聚球面波產生裝置中；激光光源是一臺高穩定性、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，可通過微量調節定位臺來調整光束的方向，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透射光和反射光的光強比連續可調，調節兩束光的分光比，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，二者具有相同的結構，均由空間濾波器和平凸透鏡構成；通過平行平晶檢測裝置檢測出射光的平行度，可調節光束準直單元使其輸出的光束的平行度和質量達到最佳狀態；第一光束準直單元的出射光束經過光束偏轉單元折轉后經由非偏振分光棱鏡直接進入(XD相機中，光束偏轉單元用于調節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，進入到高數值孔徑標準會聚球面波產生裝置；CCD相機用于捕獲、記錄數字全息圖。高數值孔徑標準會聚球面波產生裝置用于為被測高數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，對與高數值孔徑的半球工裝來說，測量時需要出射光線的F數不大于其相對孔徑，才能夠覆蓋其表面，完成對全表面的測量。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數激光鏡頭后出射大像方孔徑角的會聚光束；高數值孔徑標準會聚球面波產生裝置的F數為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；該裝置能夠微量調節入射平行光的平行度，輸出系統波前的PV值為0.14 λ，系統誤差極小，能夠為半球工裝的表面測量提供高數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。4維組合機械定位臺用于調整半球工裝相對于系統光路的準確定位；水平方向二維平移臺用于調節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節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；一維旋轉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光路的360度旋轉。本專利技術的優點在于:(1)采用數字全息技術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，測量過程中對環境的要求較低，而且，與傳統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干涉儀相當的測量精度；(2)高數值孔徑標準會聚球面波產生裝置可對入射的平行光線進行5倍擴束，并進行高數值孔徑會聚，并且能夠微量調節入射光線的平行度，有效擴大了出射光線的口徑，其像方孔徑角為43.13度，F數為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值孔徑的會聚標準球面波；而且，該裝置能夠對入射光束進行微量平行度調節，系統波前的PV值為0.14 λ，能夠有效減小系統像差，提高測量精度；(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，得到清晰的干涉本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于數字全息的高數值孔徑半球面形檢測系統，包括全息檢測光路、高數值孔徑標準會聚球面波產生裝置、半球工裝、4維組合機械定位臺；全息檢測光路包括激光光源、A半波片、偏振分光棱鏡、第一光束準直單元、B半波片、第二光束準直單元、光束偏轉單元、非偏振分光棱鏡和CCD相機；激光光源產生的激光1?1a經過A半波片形成激光1?2a，輸入至偏振分光棱鏡，偏振分光棱鏡將入射的激光1?2a分為兩束偏振方向正交的空間線偏振光1?3a和1?3b，分別輸入至第一光束準直單元和B半波片中；空間線偏振光1?3b經過B半波片后，進入第二光束調整單元，經過濾波、準直、擴束后輸出平行光1?6a，進入光束偏轉單元中，光束偏轉單元對接收的光束1?6a進行方向折轉后，輸出光束1?7a，進入非偏振分光棱鏡1?8；空間線偏振光1?3a直接進入第一光束準直單元，經過濾波、準直、擴束后輸出平行光1?4a，進而經過非偏振分光棱鏡后輸出平行光1a，進入高數值孔徑標準會聚球面波產生裝置中；非偏振分光棱鏡接收半球工裝表面反射回并經由高數值孔徑標準會聚球面波產生裝置調制的光線2b，將其折轉后輸出光束1?8b，進入到CCD相機中，光束偏轉單元折轉的平行光束1?7a經由非偏振分光棱鏡，形成參考光1?8a，進入CCD相機中，光束1?8b與參考光1?8a在CCD相機的光敏面進行干涉，CCD相機捕獲和記錄數字全息圖；高數值孔徑標準會聚球面波產生裝置包括5倍擴束鏡和小F數激光激光鏡頭；5倍擴束鏡接收全息檢測光路出射的平行光1a并對其進行5倍擴束，擴束后的平行光2?1a進入小F數激光鏡頭后出射大口徑角的會聚光束2a，輸出至被測半球工裝；同時，高數值孔徑標準會聚球面波產生裝置2接收半球工裝3表面反射的球面波3a，通過F數激光鏡頭2?2形成光2?2a，光2?2a經過5倍擴束鏡2?1形成小口徑的平行光束2b，輸出至非偏振分光棱鏡；4維組合定位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臺，三者依次從下往上進行裝配組合，半球工裝固定在一維旋轉臺上，其對稱軸與一維旋轉臺的旋轉軸重合；一維旋轉臺能夠將被測半球工裝進行360度旋轉，水平方向二維平移臺和垂直方向一維平移臺配合，使半球工裝的球心與照明會聚標準球面光2a的焦點重合；一維旋轉臺用于子孔徑獲取時半球工裝相對于系統光路的定位。...
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：潘鋒，肖文，呂曉云，董斌，侯雪琴，車蕾平，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：北京;11
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