CN103134445A - 一种大范围高精度的面形检测装置及其检测方法 - Google Patents

一种大范围高精度的面形检测装置及其检测方法 Download PDF

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刘剑
王红军
刘丙才
朱学亮
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Abstract

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种大范围高精度的面形检测装置及其检测方法。现有技术会出现2π模糊并且会引入非线性误差的问题。为解决现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案是：一种大范围高精度的面形检测装置，包括激光光源、扩束镜、准直镜、分光镜、标准参考镜、CCD相机、图像采集***和计算机，所述激光光源为可连续变频的变频激光器。本发明测量装置简洁，可靠度高且测量范围大。

Description

一种大范围高精度的面形检测装置及其检测方法
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种大范围高精度的面形检测装置及其检测方法。
背景技术
光学表面面形检测是光学零件检测中最重要、最基本的检测项目之一，它将直接影响光学零件的质量，同时也是光学检测水平高低的重要标志，因而展开对光学表面面形检测的研究具有极其重要的意义。
最典型的检测方法是相移干涉检测法。常规的相移干涉法，通常是采用单一波长，然后通过某种方法改变参考光与测试光的相位差，实现相位调制。相移方法可以分为两类：硬件相移和变频相移。硬件相移干涉一般采用推动压电陶瓷（PZT）、旋转偏振器件（波片、偏振片）、移动衍射光栅或者倾斜平板等手段来实现相位调制。其中推动压电陶瓷（PZT）产生相移应用最为广泛。变频相移干涉则是通过光源频率的改变来实现相位调制，其光源采用波长可调谐激光器。
单波长相移干涉术的测量精度较高，有较好的测量重复性，但是其测量范围较小。目前在很多光学元件的面形检测中，由于面形误差较大，干涉条纹比较密集，要求较大的测量范围，如：非球面的面形检测，自适应及能动光学中波面位相的检测，光学膜层测量，大规模集成电路的硅片平整度检测，光盘基片平整度的检测及光学表面抛光过程中的检测等。此时，要求可测量的面形变化范围较大，以致单波长相移干涉术无法对此进行测量，出现2π模糊问题。
传统的双波长移相干涉技术,其基本原理是利用合成波长技术来检测误差较大的面形,这种方法可以在不丧失精度的前提下,扩大单波长移相干涉术的测量范围。解决了单波长相移干涉术无法测量具有较大面形误差的面形的问题，但是该方法仍存在以下缺点：（1）测量中，采用两个激光光源，受环境变化的影响较大；（2）用硬件相移实现相位调制，测量大口径光学元件时，用推动压（PZT）电陶瓷实现相移难以精确定位，并且会引入非线性误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种大范围高精度的面形检测装置及其检测方法，以解决现有技术会出现2π模糊并且会引入非线性误差的问题。
为达到上述目的，本发明提供的技术方案是：一种大范围高精度的面形检测装置，包括激光光源、扩束镜、准直镜、分光镜、标准参考镜、CCD相机、图像采集***和计算机，所述激光光源、扩束镜、准直镜和分光镜共光路设置，标准参考镜设置于分光镜的反射光路上，所述CCD相机与图像采集***连接，图像采集***和激光光源均与计算机连接，其特殊之处在于：所述激光光源为可连续变频的变频激光器。
上述变频激光器的可调谐范围大于30nm。
上述一种大范围高精度的面形检测装置的检测方法，其特殊之处在于：包括以下步骤，选择两个中心波长,分别对被测物体进行单波长变频移相干涉检测，然后利用双波长相移干涉算法得到被测面的面形信息，
上述双波长相移干涉算法包括以下步骤：
分别以                                               
Figure 2013100441103100002DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 2013100441103100002DEST_PATH_IMAGE004
为中心波长进行变频相移干涉测量，相移步进波长分别为和
Figure 2013100441103100002DEST_PATH_IMAGE008
， 则第
Figure 2013100441103100002DEST_PATH_IMAGE010
步相移所得的莫尔条纹信息的低频部分为：
Figure 2013100441103100002DEST_PATH_IMAGE012
 （1）
Figure 2013100441103100002DEST_PATH_IMAGE014
    
由上式可知，最终的相移量为：
Figure 2013100441103100002DEST_PATH_IMAGE018
                           （2）
其中，
Figure 2013100441103100002DEST_PATH_IMAGE020
为等效波长。
采用四步相移平均法提取相位信息，即取
Figure 2013100441103100002DEST_PATH_IMAGE022
，然后通过位相解包，波面拟合求解被测面的面形信息。
上述中心波长取整数,波长间隔为20nm-30nm。
本发明相对于现有技术，具有如下优点和效果：
（1）测量装置简洁，可靠度高。测量过程中仅需要一个光源，通过改变变频激光器的输入电压，即可调节测量所需要的频率（即波长）。由于该装置中激光器既充当光源，又是相移器（即可以通过微小变频来实现相移），无需推动移相器件，从而大大简化了装置。
（2）测量精度高。其测量精度优于传统干涉的测量精度,测量过程中，不需要更换光源，这样可以减少由环境变化引起的误差；无需通过推动PZT来实现相移，消除了由推动PZT而引起的非线性误差。
（3）测量范围大。该方法的测量结果相当于采用一个等效波长对物体进行测量，大大的提高测量范围，其测量范围可达几十微米,很好的解决2π模糊问题，能测量面形误差较大的光学元件（如：非球面的检测）。
（4）本发明能实现稳定、可靠的高精度测量，适用于平面、球面、非球面以及大口径光学元件的面形测量。
附图说明
图1为本发明检测装置的结构示意图；
其中，1-激光光源、2-扩束镜、3-准直镜、4-分光镜、5-标准参考镜、6-被测镜、7-会聚透镜、8-CCD相机、9-图像采集***、10-计算机、11-变频激光器驱动。 
具体实施方式
    下面结合附图对本发明做详细说明：
参照图1，一种大范围高精度的面形检测装置，包括激光光源1、扩束镜2、准直镜3、分光镜4、标准参考镜5、CCD相机8、图像采集***9和计算机10，所述激光光源1、扩束镜2、准直镜3和分光镜4共光路设置，标准参考镜5设置于分光镜4的反射光路中，所述CCD相机8与图像采集***9连接，图像采集***9和激光光源1均与计算机10连接，所述激光光源1为可连续变频的变频激光器。上述变频激光器的可调谐范围大于30nm。
上述装置的检测方法，包括以下步骤：选择两个中心波长, 为了方便计算,尽量取整数,波长间隔为20nm-30nm，分别对被测物体进行单波长变频移相干涉检测，然后利用双波长移干涉算法得到被测面的面形信息。
所述双波长移干涉算法包括以下步骤：
分别以
Figure 455227DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 310051DEST_PATH_IMAGE004
为中心波长对待测件进行干涉测量，所得的干涉图的光强表达式分别为：
Figure 2013100441103100002DEST_PATH_IMAGE024
                        （1）
Figure 2013100441103100002DEST_PATH_IMAGE026
                        （2）
其中
Figure 2013100441103100002DEST_PATH_IMAGE028
为背景光强，
Figure 2013100441103100002DEST_PATH_IMAGE030
为调制度。
两式相乘可得：
Figure 2013100441103100002DEST_PATH_IMAGE032
        （3）
Figure 2013100441103100002DEST_PATH_IMAGE034
提起低频部分得含有被测相位的莫尔条纹信息：
Figure 2013100441103100002DEST_PATH_IMAGE036
                              （4）
Figure 2013100441103100002DEST_PATH_IMAGE038
其中，
Figure 526006DEST_PATH_IMAGE020
分别以和
Figure 860221DEST_PATH_IMAGE004
为中心波长进行变频相移，相移步进波长分别为
Figure 620367DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 887400DEST_PATH_IMAGE008
，则第步相移所得的莫尔条纹信息的低频部分为：
 （5）
Figure 873177DEST_PATH_IMAGE014
    
由上式可知，最终的相移量为：
Figure 551469DEST_PATH_IMAGE018
                           （6）
采用四步相移平均法提取相位信息，即取
Figure 74854DEST_PATH_IMAGE022
，然后通过位相解包，波面拟合求解被测面的面形信息。
测量时，将被测镜6放置于标准参考镜5后方的分光镜反射光路上，变频激光器发射激光光束，激光光束通过扩束镜2和准直镜3后形成平行光，再经分光镜4、标准参考镜5、被测镜6产生干涉，该干涉信号由CCD相机8、图像采集***9接收，存储在计算机10中。通过调节变频激光器驱动11的电压，改变变频激光器输出光的频率，分别采集两种波长下的相移干涉图像，计算和分析实验结果，求解出被测面的面形数据。
实施例：
选择和
Figure 684007DEST_PATH_IMAGE004
为中心波长进行测量，具体测量过程如下:
(1)以
Figure 146081DEST_PATH_IMAGE002
为中心波长,通过调节变频激光器的驱动电压,改变输出波长值, 使其相移步进波长为
Figure 789552DEST_PATH_IMAGE006
，对待测件进行相移干涉测量,并将CCD相机采集到的相移干涉图像,存入计算机中。
(2)以
Figure 62401DEST_PATH_IMAGE004
为中心波长,通过调节变频激光器的驱动电压,改变输出波长值, 使其相移步进波长为
Figure 791323DEST_PATH_IMAGE008
，对待测件进行相移干涉测量,并将CCD相机采集到的相移干涉图像,存入计算机中。
(3)用计算机对所采集到的干涉图像进行处理,求解出被测面的面形。

Claims (5)

1.一种大范围高精度的面形检测装置，包括激光光源(1)、扩束镜(2)、准直镜(3)、分光镜(4)、标准参考镜(5)、CCD相机(8)、图像采集***(9)和计算机(10)，所述激光光源(1)、扩束镜(2)、准直镜(3)和分光镜(4)共光路设置，标准参考镜(5)设置于分光镜(4)的反射光路中，所述CCD相机(8)与图像采集***(9)连接，图像采集***(9)和激光光源(1)均与计算机(10)连接，其特征在于：所述激光光源(1)为可连续变频的变频激光器。
2.根据权利要求1所述一种大范围高精度的面形检测装置，其特征在于：所述变频激光器的可调谐范围大于30nm。
3.一种利用如权利要求1所述的大范围高精度的面形检测装置的检测方法，其特征在于：包括以下步骤，选择两个中心波长,分别对被测物体进行单波长变频移相干涉检测，然后利用双波长移干涉算法得到被测面的面形信息。
4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于：所述双波长移干涉算法包括以下步骤：
分别以                                               
Figure 2013100441103100001DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 2013100441103100001DEST_PATH_IMAGE004
为中心波长进行变频相移干涉测量，相移步进波长分别为
Figure 2013100441103100001DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 2013100441103100001DEST_PATH_IMAGE008
， 则第步相移所得的莫尔条纹信息的低频部分为：
Figure 2013100441103100001DEST_PATH_IMAGE012
 （1）
Figure 2013100441103100001DEST_PATH_IMAGE014
    
Figure 2013100441103100001DEST_PATH_IMAGE016
由上式可知，最终的相移量为：
Figure 2013100441103100001DEST_PATH_IMAGE018
                           （2）
其中，
Figure 2013100441103100001DEST_PATH_IMAGE020
为等效波长，
采用四步相移平均法提取相位信息，即取
Figure 2013100441103100001DEST_PATH_IMAGE022
，然后通过位相解包，波面拟合求解被测面的面形信息。
5.根据权利要求3或4所述的检测方法，其特征在于：选择两个中心波长时，中心波长取整数,波长间隔为20nm-30nm。
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