CN118129627B - 基于散斑干涉的高灵敏度镜面变形测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于散斑干涉的高灵敏度镜面变形测量系统及方法，涉及一种光学测量系统，包括成像元件，还包括激光器；第一分光棱镜，用于将激光器产生的激光束分为反射光和透射光；所述透射光穿过投影镜并被偏振分光平片和待测光滑表面依次反射后照射在粗糙表面上，形成漫反射光；部分所述漫反射光被待测光滑表面反射并依次穿过偏振分光平片、第一光阑及成像透镜后被第二分光棱镜反射，照射在成像元件上；部分所述反射光经第一反射镜反射后穿过第二分光棱镜，照射在成像元件上；所述投影镜的焦点位置与第一光阑中孔的中心位置关于所述偏振分光平片对称设置；本发明提供的测量系统可用于待测光滑表面变形的高精度测量及动态测量。

Description

基于散斑干涉的高灵敏度镜面变形测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种光学测量系统，具体涉及一种基于散斑干涉的高灵敏度镜面变形测量系统及方法。

背景技术

光学元件中光滑表面的面型精度对于高精度光学系统至关重要。而装配应力、环境温度等因素会导致面型的变化。因此，准确测量光学元件光滑表面在装配过程中及使用环境下的面型变化具有重要意义。

采用干涉仪在变形前后对光学元件分别进行高精度面形测量，相比较后可获得高精度表面变形参数。现有干涉仪主要包括泰曼格林干涉仪、迈克尔逊干涉仪和菲索干涉仪等结构形式，可以达到很高的测量精度。

然而干涉仪虽然精度高，但影响精度的因素较多。因激光干涉仪的测量原理是测量被测光学元件与参考光学元件的面形差值，而面形差值是以相位也就是条纹图的形式表现的。首先，为了保证测量的准确性，参考光学元件的表面精度必须高于被测元件的表面精度，这意味着越高的测量精度需要越高精度的参考光学表面，无疑极大的提升了测量系统的成本；其次，参考光学元件必须在一定程度上与被测光学元件匹配，否则由于两者面形差值引起的光程差过大，导致相位条纹密度过大难以解算出面形差值。尤其在测量球面和非球面、自由曲面等元件时则需要选择针对性的参考镜。例如测量球面物体时，一般要求球面标准镜的曲率半径与样品表面曲率半径差异不能太大，过大的差异会带来额外的非共光路误差，对高精度测试造成影响。而在测量自由曲面物体时，由于没有相应的球面标准镜与之对应，干涉仪一般采用子孔径拼接或计算全息片重构非球面波前，然而子孔径拼接效率低下，计算全息片价格昂贵且只能针对具体面型定制；最后，为了避免非共轴光路引起的相位误差，测量光束需要与被测物实现多自由度上的精密对准，调节过程复杂的同时极大的限制了被测镜面的运动范围，降低了测量效率。

为了进行光滑表面的变形测量，部分现有技术中还通过散斑干涉技术进行光滑表面的变形测量。

例如，Rene Skov Hansen于2004年提出一种紧凑鲁棒的光滑表面物体变形测量散斑干涉系统。该系统与传统散斑干涉系统相同，主要由激光器、相机、相移装置和参考玻璃平片等组成；与传统散斑干涉系统不同之处在于，激光自激光器出射后并未直接照射到待测光滑表面，而是先照射到粗糙毛玻璃上，在粗糙毛玻璃发生漫反射产生散斑并照向待测光滑表面，在待测光滑表面前方放置一块透明玻璃板，粗糙毛玻璃漫反射的光束入射到透明玻璃板上，一部分反射形成参考光，一部分透过透明玻璃板进而照射到光滑表面物体上被其反射，相移装置安装在透明玻璃板上控制玻璃板前后运动，从而控制参考光的相位，实现周期性的相位变化。透过透明玻璃板照射到光滑表面物体上的光被其反射后，再透过透明玻璃板最终与参考光在相机靶面上干涉。

然而Hansen提出的散斑干涉系统只能采用时间相移相位提取方法进行相关测量，且必须采集多张散斑干涉图，不能进行动态测量，并易受环境扰动影响；同时，当待测光滑表面方向发生改变时，必须同时调节粗糙表面的位置以及照射粗糙表面光束的方向，整体照明光路调节繁琐，不利于快速测量；该技术方案中，测量光书被发射了一次，待测光滑表面变形导致物光的光程变化与变形量是二倍关系，因而变形导致的干涉图相位差与变形量的二倍成正比，其相位δ与光程差d对应关系如下：

式中：λ为激光波长，α为入射光与光滑表面法线夹角。

其次，2018年合肥工业大学的涂思琪等人，提出了另一种可以测量光滑表面变形的散斑干涉系统，该系统同样采用毛玻璃产生散斑从而满足散斑干涉技术的测量需求。与Hansen方案不同之处在于激光不再经毛玻璃散射后照射到待测光滑表面上，而是激光扩束后直接照射光滑表面，被其反射后再照射到毛玻璃上，光滑表面的变形导致照射到毛玻璃上的光场相位发生变化；散斑干涉系统对毛玻璃直接成像，而不是对待测光滑表面直接成像。该系统采用了空间载波相位提取方法，仅需一张散斑干涉图即可获取相位，从而实现动态检测，提高了检测效率。

然而涂思琪等人提出的透射毛玻璃型镜面变形测量系统是直接对毛玻璃成像，图像像素位置与被测表面的空间位置的映射关系复杂，测量的干涉相位图与被测镜面空间位置不具备直接的对应关系，尤其是在测量非平面的镜面时更加严重，干涉相位图与被测镜面空间位置的映射存在复杂的畸变、扭曲、难以校正等缺陷。

因此，亟需提供一种光滑表面变形测量系统，以解决现有技术中光滑表面变形测量系统存在的对参考光学元件要求高、照明光路调节繁琐、测量的干涉图像与被测镜面空间位置不具备直接对应关系等问题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于散斑干涉的高灵敏度镜面变形测量系统及方法，以解决现有技术中对参考光学元件要求高、照明光路调节繁琐等的技术问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明提供了一种基于散斑干涉的高灵敏度镜面变形测量系统，包括成像元件，还包括激光器；

第一分光棱镜，用于将激光器产生的激光束分为反射光和透射光；

所述透射光穿过投影镜并被偏振分光平片和待测光滑表面依次反射后照射在粗糙表面上，形成漫反射光；

部分所述漫反射光被待测光滑表面反射并依次穿过偏振分光平片、第一光阑及成像透镜后被第二分光棱镜反射，照射在成像元件上；

部分所述反射光经第一反射镜反射后穿过第二分光棱镜，照射在成像元件上；

所述投影镜的焦点位置与第一光阑中孔的中心位置关于所述偏振分光平片对称设置；

所述第一反射镜与压电陶瓷促动器垂直连接。

进一步，还包括第二反射镜，用于将所述激光束反射给第一分光棱镜。

进一步，还包括准直扩束镜，设于第二反射镜与第一分光棱镜之间；

第二光阑，设于所述准直扩束镜与所述第一分光棱镜之间。

进一步，还包括：

第一半波片，设于第一分光棱镜与投影镜之间；

第二半波片，设于第一分光棱镜与第一反射镜之间。

进一步，还包括：

第一准直镜，设于第二半波片与第一反射镜之间；

第二准直镜，设于第一反射镜与第二分光棱镜之间；

所述第一准直镜和第二准直镜之间光束的传播距离为第一准直镜和第二准直镜的焦距之和。

进一步，还包括第三光阑，设于第一准直镜与第一反射镜之间。

进一步，还包括：

偏振片，设于所述第二分光棱镜与第二准直镜之间；

衰减片，设于所述偏振片与第二分光棱镜之间。

进一步，所述第一光阑为可调光阑。

本发明的第二方面，还提供一种利用上述一种基于散斑干涉的高灵敏度镜面变形测量系统进行镜面变形高精度测量的方法，所述方法包括采用时间相移相位提取法，进行镜面变形高精度测量。

本发明的第三方面，还提供一种利用上述一种基于散斑干涉的高灵敏度镜面变形测量系统进行镜面变形动态测量的方法，所述方法包括采用空间载波相位提取法进行镜面变形动态测量。

(三)有益效果

本发明提供的一种基于散斑干涉的高灵敏度镜面变形测量系统及方法，与现有技术相比，具备以下有益效果：

1、测量光路结构简单，无须设置高精度参考光学元件，避免了设置参考光学元件的缺陷。

2、照明光路调节方式简单，降低了设备操作的复杂性。

3、参考光不受待测光滑表面影响，且照明光路与成像光路完全同轴，进一步降低了测量系统的调节难度，同时使变形量灵敏度获得了有效提升。

4、测量光束被待测光滑表面反射两次，测量灵敏度比传统散斑干涉技术提升一倍。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例中一种基于散斑干涉的高灵敏度镜面变形测量系统结构示意图；

图2为实施例中照明光路与测量光路对比图；

图3为实施例中待测光滑表面发生变形前后对应光程变化示意图。

图中：

1、激光器；2、第一分光棱镜；3、投影镜；4、偏振分光平片；5、粗糙表面；6、第一光阑；7、成像透镜；8、第二分光棱镜；9、第一反射镜；10、压电陶瓷促动器；11、成像元件；12、第二反射镜；13、准直扩束镜；14、第二光阑；15、第一半波片；16、第二半波片；17、第一准直镜；18、第二准直镜；19、第三光阑；20、偏振片；21、衰减片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

为了解决现有技术中的光滑表面变形测量系统存在对参考光学元件要求高、照明光路调节繁琐、测量的干涉图像与被测光滑表面空间位置不具备直接对应关系等问题，本申请的主要解决思路为：

提供一种基于散斑干涉的高灵敏度镜面变形测量系统，用于进行镜面变形测量。

结合附图1，该变形测量系统的组成包括成像元件11、激光器1、第一分光棱镜2、投影镜3、偏振分光平片4、粗糙表面5、第一光阑6、成像透镜7、第二分光棱镜8、第一反射镜9和压电陶瓷促动器10。

其中，激光器1用于产生激光束。

基于激光器1与第一分光棱镜2的相对位置关系，激光束照射在第一分光棱镜2上后，被第一分光棱镜2分为反射光和透射光。

基于第一分光棱镜2、第一反射镜9、第二分光棱镜8和成像元件11之间的相对位置关系，反射光先照射在第一反射镜9上，并被第一反射镜9反射后，照射在第二分光棱镜8上，被第二分光棱镜8分为反射部分和透射部分，其中透射部分射出分光棱镜后，照射在成像元件11上(其中，由第一分光棱镜2→第一反射镜9→第二分光棱镜8→成像元件11的光束为参考光)。

基于第一分光棱镜2、投影镜3、偏振分光平片4、待测光滑表面、粗糙表面5、第一光阑6、成像透镜7、第二分光棱镜8和成像元件11之间的相对位置关系，透射光经第一分光棱镜2射出后，穿过投影镜3照射在偏振分光平片4上，其中一部分被偏振分光平片4反射至待测光滑表面上，并被待测光滑表面完全反射至粗糙表面5上(即粗糙表面5可承接来自待测光滑表面反射的全部光线)，在粗糙表面5上发生漫反射，形成漫反射光，并产生散斑。

其中，部分漫反射光照射在待测光滑表面上(其中，粗糙表面5的布设位置不会对后继偏振分光平片4反射至待测光滑表面、待测光滑表面反射至偏振分光平片4的光路造成影响)，并被待测光滑表面反射至偏振分光平片4上。该部分漫反射光中的一部分透过偏振分光平片4并由偏振分光平片4射出，依次穿过第一光阑6和成像透镜7后照射在第二分光棱镜8上并被第二分光棱镜8反射至成像元件11上(其中，由第一分光棱镜2→投影镜3→偏振分光平片4→待测光滑表面→粗糙表面5→待测光滑表面→偏振分光平片4→第一光阑6→成像透镜7→第二分光棱镜8→成像元件11的光束为测量光)。

测量光和参考光在成像元件11内相互干涉，形成干涉图，从而用于后继相关测量。

为了满足后期高精度测量的需求，本申请中，压电陶瓷促动器10(后继简称为PZT)与第一反射镜9连接，用于带动第一反射镜9在垂直于其镜面的方向上做线性往复运动。

其次，为了形成测量体系，本申请中，投影镜3的焦点位置与第一光阑6中孔的中心位置关于偏振分光平片4对称设置(其中，本实施例中，第一光阑6中孔的轴线与偏振分光平片4的夹角为45°，二者间夹角也可为其它角度，满足光束传播需求便可)。

基于上述设置，结合附图2，本申请中，投影镜3焦点处射向偏振分光平片4的光，先被偏振分光平片4反射照射在待测光滑表面，然后被待测光滑表面反射至粗糙表面5，在此过程中形成光路A₁和A₂(图2中左侧内容所示)。

部分漫反射产生的光按照入射路径(待测光滑表面反射至粗糙表面5上的光路)原路返回并反向照射在待测光滑表面上，然后被待测光滑表面反射至偏振分光平片4上，其中一部分透过偏振分光平片4后射入第一光阑6中的孔内，在此过程中形成光路A₂₁和A₁₁(图2中右侧内容所示)。

结合前述投影镜3、偏振分光平片4及第一光阑6相对位置关系可得，光路A₁＝A₁₁，光路A₂＝A₂₁。

基于上述特点，下面将对本申请能够实现相关测量的原理进行介绍。

结合附图3，待测光滑表面在发生形变前，投影镜3焦点I处发出沿IF(F为待测光滑表面上任意一点)方向的光(光线方向的波矢量为)，在F点处发生反射后照射在粗糙表面5上(光线方向的波矢量为)，发生漫反射，形成漫反射光；部分漫反射光按入射光路原路返回至第一光阑6处(结合前述，等同于返回至投影镜3焦点I处，产生的光线方向与入射时光线方向相反，所得光线方向的波矢量依次为和)。

待测光滑表面在发生形变后，点F产生面外位移后移动至F′；则，投影镜3焦点I处发出沿IF′方向的光(光线方向的波矢量为)，在点F′处发生反射后照射在粗糙表面5上(光线方向的波矢量为)，发生漫反射；部分漫反射产生的光按入射光路原路返回至第一光阑6处(结合前述，等同于返回至投影镜3焦点I处，产生的光线方向与入射时光线方向相反，所得光线方向的波矢量依次为至)。

因待测光滑表面在发生形变前后产生的变形量极小，可令且

结合前述可得，本申请提供的测量系统中，照明光束(投影镜3焦点→偏振分光平片4→粗糙表面5)和成像光束(粗糙表面5→偏振分光平片4→第一光阑6)重合，使测量光被反射了两次。

则有：

δ为待测光滑表面中点F处变形导致的测量光束相位变化量，为点F处的变形灵敏度矢量，为点F处的变形矢量。

且

其中，为反射波的波矢量，为入射波的波矢量。

由于待测光滑表面只发生面外变形，所以平行于点F处镜面法线单位向量由于光滑表面遵循光的反射定理，可得：

则有：

而且K为的长度，为反射波方向上的单位矢量，λ为激光束的波长。

可得，对该式两侧同时消去K并点乘可以得到：

结合前述可得，

上式中，为待测光滑表面在点F处镜面法线方向上的面外变形d，由于待测光滑表面变形很小，所以IF与点F处镜面法线间的夹角α和IF′与点F′处镜面法线间的夹角α′可视为相同，即α≈α′，则

则有：

结合上式可得，本申请提出的测量系统相比于传统散斑干涉技术灵敏度提升了一倍。

在采用本申请提出的测量系统进行高精度测量时，使用时间相移相位提取法进行高精度测量，测量过程中需控制PZT产生周期运动，实现相移。

即：在待测光滑表面发生变形前，采集一张由测量光与参考光干涉得到的散斑干涉图，其强度表达式I(x,y)为：

其中，a(x,y)为测量光与参考光的强度和，b(x,y)为所得干涉图的对比度，为参考光与测量光的相位差；(x,y)表示待测光滑表面上的空间坐标。

当采用时间相移法提取相位时，通过PZT逐步运动，引入周期性相位得到多副散斑干涉图，组成方程组来求解相位信息，时间相移法发展至今已有多种方法，如三步相移法、四部相移法和五步相移法等。本申请中以最常见的四步相移法为例对相位计算原理进行介绍。

在四步时间相移算法中，PZT每次运动所引入的相位为π/2，以初始状态下得到的散斑干涉图为第一张散斑干涉图，PZT每运动一次记录一张干涉图，经过三次运动后得到四张散斑干涉图强度为：

I₁(x,y)为初始状态下所得，I₂(x,y)、I₃(x,y)和I₄(x,y)分别为每次相移运动后所得。

通过对上式进行组合运算可得变形前的相位信息

在待测光滑表面发生变形后，进行相同的图像信息采集和处理，即可得到变形后的相位信息将变形前后的相位进行相减，即可得到对应待测光滑表面变形的相位差；

时间相移法需要待测光滑表面在PZT连续运动采集散斑干涉图像的过程中保持不变，所以不适用于动态变化的待测光滑表面。

其中，在上述过程中，需令第一光阑6为直径较大结构，以保障足够的光通量。

而当采用本申请涉及的测量系统进行动态测量时(此时对应待测光滑表面产生连续变形需进行动态测量)，则采用空间载波相位提取法进行相关测量。

具体的：空间载波法可以从单张图片中提取相位信息，通过调节第一反射镜9的倾角，可使得参考光携带载波频率，得到的散斑干涉图像强度表达式为：

其中，f为第一反射镜9控制参考光偏转引入的载波频率，为了简单起见，假设第一反射镜9仅在X方向偏转，即仅引入X方向的载波频率，根据欧拉公式对上式展开可得：

假设对上式进行傅里叶变换，可得：

FI(f_x,f_y)＝FA(f_x,f_y)+FB(f_x+f,f_y)+FC(f_x-f,f_y)

式中C＝B^*，FI，FA，FB，FC分别为I、a、B、C的傅里叶变换。

由上式可得，散斑干涉图的频域分成了三部分。其中，FA(f_x,f_y)位于频域的低频部分，FB(f_x+f,f_y)和FC(f_x-f,f_y)均位于频域的高频部分，并关于频域中心对称。通过调节第一光阑6的大小控制FB和FC的截止频率(也可通过更换第一光阑进行调整控制)，通过调节第一反射镜9控制引入载波的频率大小，从而将三部分频谱完全分离开。设D(x,y)＝B(x,y)e^i2πfx，对FI采用合适的带通滤波器即可将FB(f_x+f,f_y)提取出来，进行傅里叶逆变换，即可得到D(x,y)，再由下式计算相位：

在待测光滑表面发生变形后，采集一副散斑干涉图并进行同样的数据处理，可以得到变形后的相位信息：

两式相减可得，待测光滑表面变形的相位差：

也即，本申请设计的测量系统，即可用于高精度测量，又可用于动态测量。

其次，本申请中无须设置高精度的参考光学元件，同时照明光路结构简单，无须进行繁琐的调节，且测量的干涉图像与被测镜面空间位置直接对应，从而有效解决了现有技术中进行光滑面变形测量时存在的技术问题，同时提高了测量精度。

为了便于根据需求设置第一光阑6的孔径，本实施例中，第一光阑6为可调光阑。

其次，为了便于调整及控制射入第一分光棱镜2的激光束，还设置有第二反射镜12；如图1，激光器1产生的激光束先照射在第二反射镜12上，被第二反射镜12反射后才照射至第一分光棱镜2上，从而通过调整第二反射镜12的角度，可调整激光束射入第一分光棱镜2的角度，从而便于实现光路的有效调节。

而为了保障射向第一分光棱镜2上的激光束的准直性，本实施例中，还在第二反射镜12与第一分光棱镜2之间设置有准直扩束镜13；即第二反射镜12反射的激光束先射入准直扩束镜13内，准直扩束镜13则将射入的光斑进行扩大的同时保持激光束的准直性。

而为了便于调整射入第一分光棱镜2的激光束的尺寸等，还在准直扩束镜13与第一分光棱镜2之间设置有第二光阑14，从而穿过第二光阑14的光束可被空间滤波，以使射入第一分光棱镜2上的光束对应参数达到所需。

为了降低杂波影响，本实施例中，还设有第一半波片15和第二半波片16。

其中，第一半波片15设于第一分光棱镜2与投影镜3之间，用于对由第一分光棱镜2射出并照向投影镜3的光束进行偏振态的调节。

而第二半波片16则设于第一分光棱镜2与第一反射镜9之间，用于对由第一分光棱镜2射出并照向第一反射镜9的光束进行偏振态的调节。

而为了对处于第二半波片16与第一反射镜9之间、第一反射镜9与第二分光棱镜8之间的光束进行准直态的调节，本实施例中，还设有第一准直镜17和第二准直镜18。

其中，第一准直镜17设于第二半波片16与第一反射镜9之间，用于对由第二半波片16射出并照向第一反射镜9的光束进行准直态调整。

而第二准直镜18则设于第一反射镜9与第二分光棱镜8之间，用于对由第一反射镜9射出并照向第二分光棱镜8的光束进行准直态调节。

其中，为了保障反射光的准直态，还令第一准直镜17至第二准直镜18之间光束的传播距离为二者的焦距之和，从而保障第二准直镜18的出射光为平行光；而当第二准直镜18的焦距为第一准直镜17的焦距的N倍时，第二准直镜18出射的平行光束直径为第一准直镜17入射平行光直径的N倍。

为了调整由第一准直镜9射出并照向第一反射镜9的光束的参数，还在第一准直镜17与第一反射镜9之间设置有第三光阑19，用于对第一准直镜17出射的光束进行空间滤波。

而为了调整由第二准直镜18出射并射入第二分光棱镜8的光束的相关参数，还设置有偏振片20和衰减片21。

其中，偏振片20设于第二准直镜18与第二分光棱镜8之间，而衰减片21则设于偏振片20与第二分光棱镜8之间。

偏振片20和衰减片21的设置，可调整射入成像元件11的参考光的光强等参数，最终使得参考光与测量光的光强接近。

本申请中，通过调节第一半波片15可以控制透射光的偏振方向，能够使得透射光完全变为S光被偏振分光平片4反射，从而有助于提高光的利用率。

而通过调节第二半波片16与偏振片20，一方面可以调节所得参考光与测量光的光强比，有助于提高成像信噪比；另一方面，可使得参考光与测量光处于同一偏振态，有助于提高干涉质量。

而第一光阑6孔径可调节的设置，使得系统可根据需要调节第一光阑6孔径的大小以限制所得散斑干涉图的频谱宽度等。

而通过控制第一反射镜9的倾角，则可以控制参考光引入的角度，从而与第一光阑6配合实现前述FA(f_x,f_y)、FB(f_x+f,f_y)和FC(f_x-f,f_y)的相互分离。

本申请涉及的系统中，根据光传播的可逆性原则，借助投影镜3的焦点和第一光阑6中孔的中心点位置关于偏振分光平片4对称的设置，实现了观测光束(粗糙表面→待测光滑表面→偏振分光平片→第一光阑)与照明光束(投影镜的焦点→偏振分光平片→待测光滑表面→粗糙表面)的完全同轴。

即由偏振分光平片4反射后照射向待测光滑表面的光线方向，与对光滑表面成像的光线方向重合。

综上所述，本申请涉及的基于散斑干涉的高灵敏度镜面变形测量系统及方法，相比于现有技术具有以下有益效果：

1、本申请基于相干光照射在待测光滑表面上发生镜面反射的原理，在待测光滑表面旁放置粗糙表面5，粗糙表面5承接由待测光滑表面反射来的相干光束，从而在粗糙表面5的表面发生漫反射产生散斑，产生的漫反射光再次被待测光滑表面反射至测量系统中形成测量光，与另外引入的参考光干涉，最终实现了待测光滑表面散斑干涉。

2、通过同轴照明光路设计，激光束经由测量系统出射后照射到待测光滑表面，经过粗糙表面5漫反射后又由待测光滑表面反射回测量系统，照明光路中投影镜3的焦点与第一光阑6中孔的中心处相对于偏振分光平片4对称的设置，使得照明光束与成像光束传播路径完全重合，测量光束按照相同的入射角度被待测光滑表面反射了两次，当待测光滑表面任意一点发生变形时，该点变形引起的光程差是变形量的4倍关系，相比于传统散斑干涉技术中测量光束仅被反射一次的设置，本发明的变形量灵敏度比传统散斑干涉提升一倍。

3、通过采用偏振片20、半波片和偏振分光平片4等偏振光学元件的组合，可提高系统光利用率，同时能够精细调节参考光与测量光的光强比，有助于提高后期成像的信噪比。

4、基于同轴照明光路，照明光路与测量光路重合，使得测量系统非常易于调节，仅要求待测光滑表面反射的透射光能够全部照射在粗糙平面上，待测光滑表面和粗糙表面5相对于测量系统的位置则可根据实际测量环境调整便可(粗糙表面5不影响视场光路便可)。

5、本发明通过设计光路走向，可有效规避光学元件表面反射带来的杂光串扰。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于散斑干涉的高灵敏度镜面变形测量系统，包括成像元件，其特征在于，还包括激光器；

第一分光棱镜，用于将激光器产生的激光束分为反射光和透射光；

所述透射光穿过投影镜并被偏振分光平片和待测光滑表面依次反射后照射在粗糙表面上，形成漫反射光；

部分所述漫反射光被待测光滑表面反射并依次穿过偏振分光平片、第一光阑及成像透镜后被第二分光棱镜反射，照射在成像元件上；

部分所述反射光经第一反射镜反射后穿过第二分光棱镜，照射在成像元件上；

所述投影镜的焦点位置与第一光阑中孔的中心位置关于所述偏振分光平片对称设置；

所述第一反射镜与压电陶瓷促动器垂直连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于散斑干涉的高灵敏度镜面变形测量系统，其特征在于，还包括第二反射镜，用于将所述激光束反射给第一分光棱镜。

3.根据权利要求2所述的一种基于散斑干涉的高灵敏度镜面变形测量系统，其特征在于，还包括准直扩束镜，设于第二反射镜与第一分光棱镜之间；

第二光阑，设于所述准直扩束镜与所述第一分光棱镜之间。

4.根据权利要求1所述的一种基于散斑干涉的高灵敏度镜面变形测量系统，其特征在于，还包括：

第一半波片，设于第一分光棱镜与投影镜之间；

第二半波片，设于第一分光棱镜与第一反射镜之间。

5.根据权利要求4所述的一种基于散斑干涉的高灵敏度镜面变形测量系统，其特征在于，还包括：

第一准直镜，设于第二半波片与第一反射镜之间；

第二准直镜，设于第一反射镜与第二分光棱镜之间；

所述第一准直镜和第二准直镜之间光束的传播距离为第一准直镜和第二准直镜的焦距之和。

6.根据权利要求5所述的一种基于散斑干涉的高灵敏度镜面变形测量系统，其特征在于，还包括第三光阑，设于第一准直镜与第一反射镜之间。

7.根据权利要求6所述的一种基于散斑干涉的高灵敏度镜面变形测量系统，其特征在于，还包括：

偏振片，设于所述第二分光棱镜与第二准直镜之间；

衰减片，设于所述偏振片与第二分光棱镜之间。

8.根据权利要求1所述的一种基于散斑干涉的高灵敏度镜面变形测量系统，其特征在于，所述第一光阑为可调光阑。

9.利用权利要求1-8任一所述的一种基于散斑干涉的高灵敏度镜面变形测量系统进行镜面变形高精度测量的方法，其特征在于，所述方法包括采用时间相移相位提取法，进行镜面变形高精度测量。

10.利用权利要求1-8任一所述的一种基于散斑干涉的高灵敏度镜面变形测量系统进行镜面变形动态测量的方法，其特征在于，所述方法包括采用空间载波相位提取法进行镜面变形动态测量。