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制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是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。該裝置采用數(shù)字全息的方法，對球體、半球、球冠的表面面型進行子孔徑相位拼接測量；在光路結(jié)構(gòu)中，以球面光波照明待測球面并收集反射的物光，利用光束偏轉(zhuǎn)器控制參考光與物光的夾角，實現(xiàn)離軸數(shù)字全息。為了在保證觀測分辨率的同時增大觀測視場，可分別測量待測球面的某一子孔徑面型信息，并對得到的全息再現(xiàn)像進行相位拼接，進而得到完整的待測球表面面型信息。該裝置通過一體化的光學平臺使得各光學器件的布局結(jié)構(gòu)緊湊、靈活、穩(wěn)定，可用于高精度的大口徑、大數(shù)值孔徑的球面光學元器件、球形轉(zhuǎn)子等機械組件進行在線面型觀測。
【專利說明】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【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種球面面型檢測系統(tǒng)，更特別地說，是指一種基于子孔徑相位拼接的數(shù)字全息球面面型檢測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前球面面型測量的技術(shù)主要包括三坐標機檢測、剪切干涉技術(shù)和數(shù)字全息技術(shù)等。數(shù)字全息技術(shù)利用CCD、CM0S等光電圖像傳感器件以數(shù)字形式記錄全息圖，在再現(xiàn)過程中，利用計算機模擬再現(xiàn)參考光照射全息圖的光學衍射過程重構(gòu)物光，從而準確獲取待測物體的振幅和相位信息。
[0003]為了將數(shù)字全息技術(shù)應(yīng)用于球面面型檢測，需要解決一些技術(shù)問題:(I)數(shù)字全息成像的空間分辨率受圖像傳感器(CCD、CMOS)性能指標，尤其是象元尺寸的限制，為提高再現(xiàn)像的成像分辨率，一般采用小口徑干涉儀進行測量，但此時成像視場受到口徑限制，對大口徑、大數(shù)值孔徑的面型缺乏有效的測量手段。(2)為提高信噪比和成像質(zhì)量，在記錄過程中需要對物光和參考光的光強比、入射夾角和波前曲率進行精確控制。(3)為實現(xiàn)測量對象的在線面型檢測，必須結(jié)合測量對象的裝在平臺、姿態(tài)、運動狀態(tài)等因素，合理設(shè)計光路，使其結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性好，同時便于操作和調(diào)試。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決上述問題，提出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。該裝置采用數(shù)字全息的方法，對球體、半球、球冠的表面面型進行子孔徑相位拼接測量；在光路結(jié)構(gòu)中，以平行光照明待測目標并收集散射的物光，利用光束偏轉(zhuǎn)器控制參考光與物光的夾角，實現(xiàn)離軸數(shù)字全息。為了在保證觀測分辨率的同時增大觀測視場，可分別測量待測對象的某一子孔徑面型信息，并對得到的全息再現(xiàn)像進行相位拼接，進而得到完整的待測對象表面面型信息。該裝置通過一體化的光學平臺使得多個光學器件的布局結(jié)構(gòu)緊湊、靈活、穩(wěn)定，可用于高精度的大口徑、大數(shù)值孔徑的球面光學元器件、球形轉(zhuǎn)子等機械組件進行在線面型觀測。
[0005] 本發(fā)明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，該裝置包括有激光光源、分光單兀、反射鏡、第一光束準直單兀、第二光束準直單兀、光束偏轉(zhuǎn)器、消偏振分光棱鏡、標準球面鏡、CMOS相機、五維調(diào)整安裝平臺；激光光源用于輸出中心波長為532nm的激光；偏振分光棱鏡對激光進行分光處理，分光后的一束光順次經(jīng)第二半波片、反射鏡、光束準直單兀、光束偏轉(zhuǎn)器后，作為平行參考光，入射進入消偏振分光棱鏡；另一束光經(jīng)過第二光束準直單元后形成平行照明光照射到標準球面鏡上，實現(xiàn)對測量對象的球面照明；照明光經(jīng)過球面的反射，形成攜帶球體表面相位信息的物光進入消偏振分光棱鏡；消偏振分光棱鏡對入射的平行參考光、物光進行合光處理得到合并光束，該合并光束形成的全息圖被CMOS相機的光敏面捕獲。五維調(diào)整安裝平臺用于對測量對象進行固定、對準以及旋轉(zhuǎn)測量。[0006]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0007]( I)采用光學測量方法，具有非接觸、非破壞性，且無需預(yù)處理，對球面的損傷非常小。
[0008](2)采用數(shù)字全息技術(shù)，減少曝光次數(shù)，可有效克服溫度、振動等因素對測量結(jié)果的影響，動態(tài)獲取球體表面的面型信息。
[0009](3)采用相位拼接的方法對再現(xiàn)得到的相位像進行拼接測量，在保證測量分辨率的同時，有效擴大成像視場，可用于大口徑、大數(shù)值孔徑的球面的面型檢測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明數(shù)字全息球面面型檢測裝置的光路傳輸結(jié)構(gòu)框圖。
[0011]圖2是本發(fā)明分光單元的光路傳輸結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖3是本發(fā)明光束偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0013]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0014]如圖1所示，本發(fā)明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，包括激光光源1、分光單元2、反射鏡3、第一光束準直單元4、光束偏轉(zhuǎn)器5、第二光束準直單元6、消偏振分光棱鏡7、標準球面鏡8、五維調(diào)整安裝平臺9、CM0S相機10。其中，第一光束準直單元4和第二光束準直單元6具有相同的結(jié)構(gòu)。
[0015]激光光源I用于提供532nm的激光Ia,即光信息,激光Ia入射至分光單兀2,該激光光源I提供了中心波長為532nm的單縱模激光，可以選取可選用瑞典Cobolt公司生產(chǎn)的型號為Samba TM532nm的激光器。
[0016]分光單元2如圖2所示，包括半波片A2-2、偏振分光棱鏡2_3、半波片B2_4、可調(diào)衰減器2-1。
[0017]分光單元2用于接收從激光光源I出射的中心波長為532nm的激光la，將其分為空間光2a和2b輸出，并可調(diào)整改變兩路光的光強比(一般為1:5?5:1)。
[0018]激光Ia經(jīng)可調(diào)衰減器2-1、A半波片2_2入射到偏振分光棱鏡2_3上被分為兩束偏振方向正交的反射光和透射光；其中反射光經(jīng)過半波片B2-4后進入?yún)⒖脊饴?；另一路透射光進入物光光路。在本發(fā)明中，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)整半波片A2-2，可以改變空間光2a與2b之間的光強比(一般為1:5?5:1)，進而改變平行參考光5a和物光8b的光強比(一般為1:5?5:1),實現(xiàn)全息圖條紋對比度的調(diào)節(jié)。旋轉(zhuǎn)調(diào)整半波片B2-4，能夠保證空間光2a與2b的偏振方向一致。
[0019]在本發(fā)明中，可調(diào)衰減器2-1可選取北京大恒光電公司的GC0-0701M型圓形可調(diào)衰減器；半波片A2-2和半波片B2-4可選取北京大恒光電公司的GCL-060411型石英零級半波片；偏振分光棱鏡2-3可以選取北京大恒光電公司的GCC-402102型偏振分光棱鏡。
[0020]反射鏡3用于轉(zhuǎn)折光束,空間光2a輸出至反射鏡3,得到反射光3a,輸出至第一光束準直單元4，反射鏡3可選取北京大恒光電公司的GCC-102104型反射鏡。
[0021 ] 第一光束準直單元4和第二光束準直單元6結(jié)構(gòu)相同，下面以第一光束準直單元4為例，進行說明。[0022]第一光束準直單元4包括空間濾波器和平凸透鏡；空間濾波器用于對接收到的反射光3a進行擴束處理后，照射至平凸透鏡上，經(jīng)平凸透鏡后形成平行光4a輸出至光束偏轉(zhuǎn)器。第一光束準直單元4用于對反射后的空間光2a進行擴束，并將其準直為平行光出射。
[0023]第二光束準直單元6中，空間濾波器用于對接收到的透射光2b進行擴束處理后，照射至平凸透鏡上，經(jīng)平凸透鏡后形成平行光6a輸出至消偏振分光棱鏡7。第二光束準直單元6用于對反射后的空間光2b進行擴束，并將其準直為平行光出射。
[0024]光束準直單元可以由北京大恒光電公司生產(chǎn)的GCO-OIM型空間濾波器和GCL-010147型平凸透鏡組合而成。
[0025]光束偏轉(zhuǎn)器5用于改變參考光的入射角度，進而調(diào)整參考光與物光的夾角。如圖3所示，光束偏轉(zhuǎn)器5包括一維位移臺5-1、二維可調(diào)節(jié)鏡架5-2和反射鏡5-3，可分別選用北京大恒光電公司生產(chǎn)的GCM-150101M型齒輪齒條移動臺、GCM-0858型反射鏡架以及GCC-102104型反射鏡。其中，通過調(diào)節(jié)旋鈕5-6調(diào)節(jié)一維位移臺5_1，實現(xiàn)反射鏡5_3x軸方向的移動，通過調(diào)節(jié)二維可調(diào)節(jié)鏡架5-2的旋鈕5-4、5-5，實現(xiàn)反射鏡5-3的二維姿態(tài)調(diào)節(jié)。平行光4a通過光束偏轉(zhuǎn)器5輸出平行參考光5a至消偏振分光棱鏡7，通過調(diào)節(jié)旋鈕5-4、5-5、5-6，實現(xiàn)平行參考光到CMOS相機10的多角度入射。
[0026]消偏振分光棱鏡7將平行參考光5a和物光8b合成一束光,得到光束7b,輸出至CMOS相機10,消偏振分光棱鏡7可選用Edmund光學公司生產(chǎn)的47571型消偏振分光棱鏡。并且，消偏振分光棱鏡7接收平行光6a，得到平行照明光7a，輸出至球面標準鏡8。
[0027]球面標準鏡8用于調(diào)整照明光的波前曲率，平行光6a經(jīng)過球面標準鏡8，得到球面照明光8a，可選用日本西格瑪光機株式會社生產(chǎn)的DLB-50.8-100PM型雙膠合透鏡。
[0028]經(jīng)過球面標準鏡8后生成球面照明光8a對五維調(diào)整安裝平臺9上的待測目標進行照射，經(jīng)待測目標反射后形成包含球面面型信息的物光9a，再次經(jīng)過標準球面鏡后，得到物光8b,物光8b進入消偏振分光棱鏡7。
[0029]五維調(diào)整安裝平臺9用于放置被觀測目標和實現(xiàn)其對準與旋轉(zhuǎn)測量，包括三位平移臺和二維旋轉(zhuǎn)臺。通過三維平移臺和二維旋轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)被觀測目標的三維移動、二維姿態(tài)調(diào)整以及球面的轉(zhuǎn)動測量。通過全息圖指示調(diào)節(jié)待測目標球心與球面照明光波匯聚點重合，在測量過程中，沿測量方向旋轉(zhuǎn)球面，實現(xiàn)各子孔徑面型的測量?？蛇x用北京北光世紀儀器有限公司生產(chǎn)的PTS101M型精密位移臺與TG102型精密角位移臺組合而成。
[0030]CMOS相機10的光敏面捕獲光束7b，在CMOS相機10中形成干涉全息圖，CMOS相機10用于捕獲記錄數(shù)字全息圖，可以選取加拿大Lumenera公司的CMOS相機，其型號為LU125M-W0IR，分辨率為1280 X 1024像素，最高幀頻15fps，光敏面尺寸2/3英寸，數(shù)據(jù)接口為 USB2.0。
[0031]本發(fā)明的基于子孔徑相位拼接的數(shù)字全息球面面型檢測裝置的光路結(jié)構(gòu)為:激光光源I出射的激光Ia入射至分光單兀2中，經(jīng)分光單兀2的分光處理后輸出空間光2a和2b ；
[0032]所述空間光2a順次經(jīng)反射鏡3、光束準直單元4、第一光束偏轉(zhuǎn)器5后輸出平行參考光5a入射進入消偏振分光棱鏡7 ；
[0033]所述空間2b經(jīng)第二光束準直單元6后形成平行照明光6a，經(jīng)過球面標準鏡8后生成球面照明光8a對五維調(diào)整安裝平臺9上的待測目標進行照射，經(jīng)待測目標反射后形成包含球面面型信息的物光8b，再次經(jīng)過標準球面鏡后進入消偏振分光棱鏡7 ；
[0034]所述消偏振分光棱鏡7對入射的平行參考光5a和物光Sb進行合光處理得到合并光束7b，該合并光束7b被CMOS相機10的光敏面捕獲，從而在CMOS相機10中形成干涉全息圖。
[0035]在本發(fā)明中，由分光單兀2分出的空間光2a經(jīng)反射鏡3、第一光束準直單兀4、光束偏轉(zhuǎn)器5后入射進入消偏振分光棱鏡7,這部分可以稱為參考光路。
[0036]在本發(fā)明中，由分光單元2分出的空間光2b經(jīng)第二光束準直單元、消偏振分光棱鏡7、球面標準鏡8后形成球面照明光波，并經(jīng)待測面反射后再次經(jīng)過球面標準鏡8，入射至消偏振分光棱鏡7,這部分可以稱為物光光路。
[0037]本發(fā)明設(shè)計的基于子孔徑相位拼接的數(shù)字全息球面面型檢測裝置，能夠適用于大口徑、大數(shù)值孔徑的球、半球、球冠的表面面型測量，可對處于生產(chǎn)線上的目標進行實時動態(tài)觀測。該裝置(I)以非接觸、非破壞、無預(yù)處理的方式獲取目標表面面型信息，對活體細胞的影響非常??；(2)曝光次數(shù)少，可有效克服振動、溫度的影響；(3)使用相位拼接獲取全口徑面型信息,視場大、成像分辨率高。
【權(quán)利要求】
1.一種基于子孔徑相位拼接的數(shù)字全息球面面型檢測裝置，包括激光光源、分光單元、反射鏡、第一光束準直單兀、光束偏轉(zhuǎn)器、第二光束準直單兀、消偏振分光棱鏡、標準球面鏡、五維調(diào)整安裝平臺、CMOS相機； 激光光源提供激光Ia,激光Ia入射至分光單兀；分光單兀包括半波片A、偏振分光棱鏡、半波片B、可調(diào)衰減器；激光Ia經(jīng)可調(diào)衰減器、A半波片入射到偏振分光棱鏡上，被分為兩束偏振方向正交的反射光和透射光，分別為空間光2a和空間光2b,空間光2a經(jīng)過半波片B后，輸出至反射鏡，空間光2b輸出至第二準直單元；空間光2a輸出至反射鏡，得到反射光3a,輸出至第一光束準直單兀； 第一光束準直單元和第二光束準直單元結(jié)構(gòu)相同，第一光束準直單元包括空間濾波器和平凸透鏡；空間濾波器接收到反射光3a，進行擴束處理后，照射至平凸透鏡上，經(jīng)平凸透鏡后形成平行光4a輸出至光束偏轉(zhuǎn)器；第二光束準直單元中，空間濾波器接收到透射光2b，進行擴束處理后，照射至平凸透鏡上，經(jīng)平凸透鏡后形成平行光6a輸出至消偏振分光棱鏡； 光束偏轉(zhuǎn)器包括一維位移臺、二維可調(diào)節(jié)鏡架和反射鏡，二維可調(diào)節(jié)鏡架連接一維位移臺，反射鏡連接二維可調(diào)節(jié)鏡架，通過一維位移臺、二維可調(diào)節(jié)鏡架實現(xiàn)反射鏡二維姿態(tài)調(diào)節(jié)，平行光4a通過光束偏轉(zhuǎn)器輸出平行參考光5a至消偏振分光棱鏡； 消偏振分光棱鏡將平行參考光5a和物光8b合成一束光,得到光束7b,輸出至CMOS相機，并且，消偏振分光棱鏡接收平行光6a，得到平行照明光7a，輸出至球面標準鏡； 平行光6a經(jīng)過球面標準鏡，得到球面照明光8a，球面照明光8a對五維調(diào)整安裝平臺上的待測目標進行照射，經(jīng)待測目標反射后形成包含球面面型信息的物光9a，再次經(jīng)過標準球面鏡后，得到物光8b,物光8b進入消偏振分光棱鏡； 五維調(diào)整安裝平臺包括三維平移臺和二維旋轉(zhuǎn)臺，通過三維平移臺和二維旋轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)被觀測目標的三維移動、二維姿態(tài)調(diào)整以及球面的轉(zhuǎn)動測量； CMOS相機的光敏面捕獲光束7b，形成干涉全息圖。
【文檔編號】G01B11/24GK103913127SQ201410152708
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月26日
【發(fā)明者】潘鋒, 肖文, 高川, 張鑫, 張兆海, 楊明, 姚少非 申請人:北京航空航天大學