CN211740138U - 一种平面、球面、抛物面组合干涉测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种平面、球面、抛物面组合干涉测量装置，属于光干涉测量仪器技术领域，该装置包括：激光折返扩束***、主干涉仪***和成像***；主干涉***由偏振调制组件、面形测量组件和相位调制组件组成；偏振组件通过调整起偏器与检偏器的角度实现干涉图的对比度调节，面形测量组件根据不同待测面形调整光路结构，相位调制组件根据不同解调算法调制干涉图相位。本实用新型具有精确高效，结构紧凑，操作简单，扩束光斑均匀，对比度可调节，能够测量平面、球面、抛物面多种光学镜面，能够利用移相、傅里叶载波、正则化相位跟随法(RPT)多种解调算法的优点。
Description
技术领域
本实用新型属于光干涉测量仪器技术领域，尤其是涉及一种平面、球面、抛物面组合干涉测量装置。
背景技术
工业生产领域通常采用机械或电学的方法来测量器件的表面形貌，这类接触式测量往往会对测试件造成一定损坏，且只能测量特定的轨迹轮廓或是有限测量区域的面形分布。干涉法是一种基于光学干涉原理的表面形貌测量方法，具有测量速度快、精度高、非接触的优点，广泛应用于各种面形测量。通用的干涉结构有斐索结构、泰曼格林结构和马赫曾德结构，测量灵敏度高，能够测量纳米量级的光学表面，但是对于不同面形的测量不具有通用性。
如公开号为CN101672632A的中国专利文献公开了一种光学球面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法，首先测量光纤衍射的球面波通过分光棱镜反射到辅助正透镜，被变换为汇聚球面波并在被测球面的表面反射，携带被测球面信息的反射波前通过辅助正透镜、透过分光棱镜汇聚到参考光纤端面，形成测量波前；移走被测球面，其他光学元件保持不动，在辅助正透镜焦点处放置平面反射镜，用同样方法可测量辅助正透镜、分光棱镜及参考光纤端面粗糙度所带入的像差。
目前常用的解调算法包括移相算法，傅里叶载波算法和正则化相位跟随法(RPT)。移相算法移相采集多幅相移干涉图，解调速度快，精确度高，但要求环境扰动小，并且需要多幅干涉图。傅里叶载波算法解调速度快，仅需单幅干涉图即可解调，但需要引入载波，精度略低于移相算法。RPT解调算法仅需单幅干涉图即可解调，但解调时间相对较长。各类解调算法各有利弊，适用于不同的测量环境。
实用新型内容
为解决现有技术存在的不足，本实用新型提供了一种平面、球面、抛物面组合干涉测量装置，具有精确高效、结构紧凑、操作简单、扩束光斑均匀、对比度可调节的有点，能够测量平面、球面、抛物面多种光学镜面，能够利用移相、傅里叶载波、正则化相位跟随法(RPT)多种解调算法。
一种平面、球面、抛物面组合干涉测量装置，包括激光折返扩束***、主干涉仪***和成像***，所述的激光折返扩束***用于实现扩束光束的准直；
所述的主干涉仪***包括偏振调制组件、面形测量组件和相位调制组件；其中，偏振调制组件包括起偏器、偏振分光棱镜、四分之一波片与检偏器；
激光折返扩束***出射的准直光束进入主干涉***后，先经过起偏器转化为线偏振光，后被偏振分光棱镜分为测量路和参考路两路光线，其中，测量路的平行偏振光透过四分之一波片入射至面形测量组件，经过组件内待测面反射，原路返回作为测量光；参考路的垂直偏振光经过四分之一波片被相位调制组件反射原路返回作为参考光；测量光与参考光分别两次通过四分之一波片，偏振态各自旋转90度，并依次通过偏振分光棱镜与检偏器后在成像***中形成干涉图；
所述的面形测量组件为平面测量组件、球面测量组件或抛物面测量组件，根据不同待测面形调整对应的光路结构。
本实用新型通过直角棱镜的折返光路，延长激光器到扩束器的距离，提升了扩束光斑的均匀性；采用偏振调节参考光与测量光光强比，实现干涉图对比度可调节；结合平面、球面、抛物面干涉测量方法和移相、傅里叶载波、RPT解调算法，可应对不同场景下的平面、球面、抛物面测量。
所述的激光折返扩束***包括顺次设置的He-Ne激光器、第一平面反射镜、第一直角棱镜、第二直角棱镜、第二平面反射镜和激光扩束器；He-Ne激光器出射高斯光束在激光折返扩束***中多次折返，到达激光扩束器，实现扩束光束的准直。
本实用新型中，激光折返扩束***通过直角棱镜折返光路，优选地，所述第一直角棱镜的两个腰面镀增反膜，延长了He-Ne激光器发出的高斯光束到达激光扩束器的距离，提升了扩束光斑的均匀性。
所述成像***包括顺次设置的成像镜和探测器；所述主干涉仪***产生的干涉场经过成像镜成像到探测器靶面上，形成清晰的干涉图，通过解调算法可以恢复待测面的面形分布。
所述的相位调制组件包括参考镜和压电陶瓷，所述的参考镜用于将参考路中的垂直偏振光经过四分之一波片后反射原路返回作为参考光；所述的压电陶瓷位于参考镜后，用于移动参考镜位置进行相位调制，解调干涉图相位。
所述的偏振调制组件用于调节干涉图对比度；调整起偏器和检偏器角度关系，改变参考光和测量光光强比值，实现干涉图的对比度可调节。
所述的面形测量组件结构可根据待测对象安装平面测量组件、球面测量组件或抛物面测量组件中的一种；其中，所述的平面测量组件为待测平面；所述的球面测量组件包括第一消球差透镜和待测球面，其中，第一消球差透镜焦点与待测球面的球心重合；所述的抛物面测量组件包括第二消球差透镜、中孔反射镜和待测抛物面，其中，第二消球差透镜焦点与待测抛物面焦点重合，中孔反射镜置于焦点处。
平面测量时，面形测量组件为待测平面，实现测量光束自准直反射；球面测量时，面形测量组件包括消球差透镜和待测球面，消球差透镜焦点与待测球面球心重合，测量光发散波前与球面面形一致，实现测量光束自准直反射；抛物面测量时，面形测量组件包括消球差透镜、中孔反射镜和待测抛物面，测量光经消球差透镜汇聚，消球差透镜焦点与待测抛物面焦点重合，测量光由待测抛物面反射成平行光，再由中孔反射镜反射，实现测量光束自准直反射；
所述的相位调制组件对应不同解调算法引入不同相位调制；采用移相算法时，通过压电陶瓷改变参考光及测量光间的光程差，在干涉图中引入不同移相量，采集多幅干涉图解调，可在稳定环境中获得极高的干涉图相位解调精度；采用傅里叶载波算法时，通过调节参考镜角度，在干涉图中引入倾斜载波，采集单幅干涉图解调，解调速度快，可用于振动较大环境；采用RPT解调算法时，无需进行任何相位调制，直接采集单幅干涉图解调，但解调速度较慢，适用于振动环境并且难以对参考镜进行调整的情况。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型结合平面、球面、抛物面干涉测量装置，利用激光折返扩束***中的直角棱镜折返光路，延长He-Ne激光器到激光扩束器间高斯光束的距离，提高了扩束光斑的均匀性；利用偏振调制组件改变参考光与测量光的光强比，实现干涉图对比度的可调节；利用面形测量组件结构变换实现光束自准直干涉，有效解决现有干涉结构对于不同面形测量的非通用性；可结合移相、傅里叶、RPT解调算法，利用相位调制组件调制相位，应对不同环境下的相位恢复需求，实现待测面面形高精度测量。
附图说明
图1是本实用新型平面、球面、抛物面组合干涉测量装置的光路结构示意图；
图2是本实用新型不同面形测量组件的光路示意图；
图3是本实用新型实施例中采用傅里叶解调算法对平面镜的测量结果示例；
图4是本实用新型实施例中采用RPT解调算法对球面镜的测量结果示例；
图5是本实用新型实施例中采用移相解调算法对抛物面的测量结果示例。
图中：S1、激光折返扩束***；S2、主干涉仪***；S3、成像***；P1、偏振调制组件、P2-a、平面测量组件；P2-b、球面测量组件；P2-c、抛物面测量组件；P3、相位调制组件；1、HeNe激光器；2、第一平面反射镜；3、第一直角棱镜；4、第二直角棱镜；5、第二平面反射镜；6、激光扩束器；7、起偏器；8、偏振分光棱镜；9、四分之一波片；10、检偏器；11、参考镜；12、压电陶瓷；13、成像镜；14、探测器；15、待测平面；16、第一消球差透镜；17、待测球面；18、中孔反射镜；19、待测抛物面；20、第二消球差透镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本实用新型的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，一种平面、球面、抛物面组合干涉测量装置，包括激光折返扩束***S1，主干涉仪***S2和成像***S3三部分。
其中，激光折返扩束***S1包括顺次设置的He-Ne激光器1，第一平面反射镜2，第一直角棱镜3，第二直角棱镜4，第二平面反射镜5和激光扩束器6。第一直角棱镜3的两个腰面镀增反膜，He-Ne激光器1出射高斯光束在激光折返扩束***中多次折返，到达激光扩束器6，高斯光束经过直角棱镜折返延长了传播距离，提升了扩束光斑的均匀性，对激光扩束器6进行离焦距离调节，实现扩束光束的准直。
主干涉仪***S2包括偏振调制组件P1、面形测量组件和相位调制组件P3。偏振调制组件P1包括起偏器7、偏振分光棱镜8、四分之一波片9与检偏器10；相位调制组件P3包括参考镜11和压电陶瓷12。
准直光束进入主干涉仪***S2，先经过起偏器7后转化为线偏振光，被偏振分光棱镜8分为测量光和参考光，其中，平行偏振测量光透过四分之一波片9入射至面形测量组件，经过组件内待测面反射，原路返回；垂直偏振参考光经过四分之一波片9被参考镜11反射原路返回；测量光与参考光分别两次通过四分之一波片9，偏振态各自旋转90度，依次通过偏振分光棱镜8与检偏器10后得到干涉图。
压电陶瓷12位于参考镜后，用于调节参考镜11位置进行相位调制，解调干涉图相位。在干涉***中调整起偏器7和检偏器9角度关系，改变参考光和测量光光强比值，实现干涉图的对比度可调节；调整面形测量组件结构以应对不同面形测量。
如图2所示，平面测量组件P2-a为待测平面15；球面测量组件P2-b包括第一消球差透镜16和待测球面17，其中第一消球差透镜16焦点与待测球面17球心重合；抛物面测量组件P2-c包括第二消球差透镜20、中孔反射镜18和待测抛物面19，其中第二消球差透镜20焦点与待测抛物面19焦点重合，中孔反射镜18置于焦点处。
对于相位调制组件P3，采用移相算法时，通过压电陶瓷12改变参考光及测量光间的光程差，在干涉图中引入不同移相量；采用傅里叶载波算法时，通过调节参考镜11角度，在干涉图中引入倾斜载波；采用RPT解调算法时，直接采集单幅干涉图解调，对应不同解调算法引入不同相位调制，实现移相、傅里叶载波、RPT多种解调算法解调。
成像***S3包括顺次设置的成像镜13和探测器14；干涉场经过成像镜13成像到探测器14靶面上，形成清晰的干涉图，通过解调算法恢复待测面的面形分布。
使用上述平面、球面、抛物面组合干涉测量装置的步骤为：
步骤1，激光折返扩束***S1产生与光轴重合的准直光，在主干涉仪***S2中根据待测面设置测量组件，调节其空间位置及倾斜状态，在探测器14上采集清晰成像的干涉图；
步骤2，调节偏振调制组件P1中的起偏器7与检偏器10获取更高的干涉图对比度，根据解调算法调节相位调制组件P3，实现干涉图相位调制；
步骤3，采集到相位调制干涉图后，通过解调算法恢复待测件的面形分布。
为验证本实用新型装置的有效性，下面对平面、球面、抛物面进行干涉测量。
图3是本实用新型在振动环境中用傅里叶解调算法对平面的测量结果示例，选择傅里叶解调算法进行平面测量时，采用平面测量组件P2-a；调节待测平面15的空间位置及倾斜状态，直至在探测器14上获取带有倾斜直条纹的清晰成像干涉图，调节偏振调制组件P1中起偏器7和检偏器10角度，增强干涉图对比度，如图3中(a)所示。通过傅里叶解调算法和波前拟合后得到Zernike多项式系数，去除前三项(分别代表常数项、x方向倾斜项和y方向倾斜项)的系数并进行相应的计算，得到平面镜测量的结果，如图3中(b)所示，其峰谷(PV)值为0.3809λ，均方根(RMS)值为0.0644λ。
图4是本实用新型在振动环境中用RPT解调算法对球面的测量结果示例，选择RPT解调算法进行球面测量时，采用球面测量组件P2-b；其中消球差透镜焦距75mm，待测球面为凹球面，顶点球曲率半径-90mm；首先在待测位置放置平面镜，调节平面镜至探测器14上产生尽可能稀疏的条纹；平面镜前放置第一消球差透镜16，移动平面镜至第一消球差透镜16焦点处，调节第一消球差透镜16空间位置及倾斜状态，至探测器14上产生尽可能稀疏的条纹；取下平面镜，安装待测球面17，使待测球面17的球心与第一消球差透镜16焦点重合，并调节待测球面18的空间位置及倾斜状态，在探测器14上获取清晰成像的干涉图，调节偏振调制组件P1中起偏器7和检偏器10角度，增强干涉图对比度，如图4中(a)所示；通过RPT算法和波前拟合后得到Zernike多项式系数，去除前四项(分别代表常数项、x方向倾斜项、y方向倾斜项和离焦项)的系数并进行相应的计算，得到球面镜测量的结果，如图4中(b)所示，其PV值为0.5483λ，RMS值为0.1057λ。
图5是本实用新型在稳定环境中用移相解调算法对抛物面的测量结果示例，选择移相解调算法进行抛物面测量时，采用抛物面测量组件P2-c；其中消球差透镜焦距75mm，待测抛物面顶点球曲率半径-90mm；首先在待测位置放置平面镜，调节平面镜至探测器14上产生尽可能稀疏的条纹；平面镜前放置第二消球差透镜20，移动平面镜至第二消球差透镜20焦点处，调节第二消球差透镜20空间位置及倾斜状态，至探测器14上产生尽可能稀疏的条纹；取下平面镜，在平面镜位置安装中孔反射镜18，使汇聚光束能从中孔反射镜18中间穿过；安装待测抛物面19，使待测抛物面19的焦点与第二消球差透镜20焦点重合，并调节待测抛物面19的空间位置及倾斜状态以及中孔反射镜18倾斜状态，在探测器14上获取清晰成像的干涉图，调节偏振调制组件P1中起偏器7和检偏器10角度，增强干涉图对比度，如图5中(a)所示。由压电陶瓷12来改变参考光与测量光间的光程差，获取多幅移相干涉图；通过移相算法和波前拟合后得到Zernike多项式系数，去除前四项(分别代表常数项、x方向倾斜项、y方向倾斜项和离焦项)的系数并进行相应计算，得到抛物面镜测量的结果，如图5中(b)所示，其PV值为1.1569λ，RMS值0.2141λ。
综上所述，本实用新型平面、球面、抛物面组合干涉测量装置，结构紧凑，精确高效，操作简单，通过折返光路提升光斑均匀性，对比度可调节，能够测量平面、球面、抛物面多种面形，能够利用移相、傅里叶载波、RPT多种解调算法，可适用不同的测量环境。
以上所述的实施例对本实用新型的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本实用新型的具体实施例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种平面、球面、抛物面组合干涉测量装置，其特征在于，包括激光折返扩束***、主干涉仪***和成像***，所述的激光折返扩束***用于实现扩束光束的准直；
所述的主干涉仪***包括偏振调制组件、面形测量组件和相位调制组件；其中，偏振调制组件包括起偏器、偏振分光棱镜、四分之一波片与检偏器；
激光折返扩束***出射的准直光束进入主干涉***后，先经过起偏器转化为线偏振光，后被偏振分光棱镜分为测量路和参考路两路光线，其中，测量路的平行偏振光透过四分之一波片入射至面形测量组件，经过组件内待测面反射，原路返回作为测量光；参考路的垂直偏振光经过四分之一波片被相位调制组件反射原路返回作为参考光；测量光与参考光分别两次通过四分之一波片，偏振态各自旋转90度，并依次通过偏振分光棱镜与检偏器后在成像***中形成干涉图；
所述的面形测量组件为平面测量组件、球面测量组件或抛物面测量组件，根据不同待测面形调整对应的光路结构。
2.根据权利要求1所述的平面、球面、抛物面组合干涉测量装置，其特征在于，所述的激光折返扩束***包括顺次设置的He-Ne激光器、第一平面反射镜、第一直角棱镜、第二直角棱镜、第二平面反射镜和激光扩束器；He-Ne激光器出射高斯光束在激光折返扩束***中多次折返，到达激光扩束器，实现扩束光束的准直。
3.根据权利要求2所述的平面、球面、抛物面组合干涉测量装置，其特征在于，所述第一直角棱镜的两个腰面镀增反膜。
4.根据权利要求1所述的平面、球面、抛物面组合干涉测量装置，其特征在于，所述成像***包括顺次设置的成像镜和探测器；所述主干涉仪***产生的干涉场经过成像镜成像到探测器靶面上，形成清晰的干涉图。
5.根据权利要求1所述的平面、球面、抛物面组合干涉测量装置，其特征在于，所述的相位调制组件包括参考镜和压电陶瓷，所述的参考镜用于将参考路中的垂直偏振光经过四分之一波片后反射原路返回作为参考光；所述的压电陶瓷位于参考镜后，用于移动参考镜位置进行相位调制，解调干涉图相位。
6.根据权利要求1所述的平面、球面、抛物面组合干涉测量装置，其特征在于，所述的平面测量组件为待测平面；所述的球面测量组件包括第一消球差透镜和待测球面，其中，第一消球差透镜焦点与待测球面的球心重合；所述的抛物面测量组件包括第二消球差透镜、中孔反射镜和待测抛物面，其中，第二消球差透镜焦点与待测抛物面焦点重合，中孔反射镜置于焦点处。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN112557227A (zh) * | 2020-11-02 | 2021-03-26 | 杭州电子科技大学 | 一种工业机器人电气接插件表面磨损检测方法及装置 |
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| CN112557227A (zh) * | 2020-11-02 | 2021-03-26 | 杭州电子科技大学 | 一种工业机器人电气接插件表面磨损检测方法及装置 |
| CN112557227B (zh) * | 2020-11-02 | 2023-12-29 | 杭州电子科技大学 | 一种工业机器人电气接插件表面磨损检测方法及装置 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |