CN102425998A - 光学元件抛光表面质量全参数检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学元件抛光表面质量全参数检测装置和检测方法。现有抛光表面质量参数检测不能真实反映被评价区域的表面质量。本发明采用的技术方案为：一种光学元件抛光表面质量全参数检测装置，包括由光路垂直的激光激发系统和宽带光源激发系统构成的光源激发系统、白光干涉系统、激光共焦检测系统、计算机和分别与计算机连接的CCD相机、针孔光电探测器及信号处理单元、光阑光电探测器及信号处理单元和三维扫描及控制单元；所述白光干涉系统设置在宽带光源激发系统和CCD相机之间；所述激光共焦检测系统设置在激光激发系统与针孔光电探测器及信号处理单元、光阑光电探测器及信号处理单元之间。本发明能真实有效地反映被评价区域的表面质量。

Description

光学元件抛光表面质量全参数检测装置和检测方法

技术领域

本发明属于光学元件抛光表面质量检测技术领域，具体涉及一种光学元件抛光表面质量全参数检测装置和检测方法。

背景技术

高精度光学元件的检测包括表面面形、表面粗糙度和亚表面损伤三个参数。其中表面粗糙度和亚表面损伤是全面描述表面质量的两个参数。针对光学元件抛光表面质量的全参数检测，目前基本解决了表面粗糙度的检测问题，针对表面粗糙度的检测方法主要有光学探针法、干涉显微镜法、扫描电子显微镜法、轮廓仪和散射光测量法等，比较成熟的是白光干涉轮廓仪；白光干涉轮廓仪包括光源激发系统、白光干涉系统、扫描工作台、CCD 摄像机和计算机。主要是利用垂直位移台完成垂直扫描过程。压电陶瓷驱动扫描工作台从而带动被测件,使其不同高度的表面到达零光程差位置, 产生干涉条纹,由CCD记录整个扫描过程中干涉条纹的变化状况,提取被测件的表面形貌。结合水平位移台,该系统可进行大面积的形貌测量。而对于亚表面损伤的检测，目前一般采用共焦激光扫描显微镜，共焦激光扫描显微镜是采用共轭焦点技术, 使点源、样品及点探测器处于彼此对应的共轭位置。为了便于像差的校正以及便于系统升级, 常采用准直光路。由激光器输出的激光束经透镜、第一针孔及扩束透镜后, 成为较均匀的准直光束, 经物镜后会聚于物体某一点, 该点反射光(或透射光、或受激辐射的荧光) 又经物镜后被分束镜反射到探测光路, 由会聚透镜将其聚焦于第二针孔, 被探测器接收,并将其输入计算机进行存储。通过二维扫描, 得到物体某一层面的二维断层图象, 再经轴向扫描, 得到大量断层图象, 经计算机图象重构, 合成三维立体图象。但是利用共焦激光扫描显微镜检测效果并不理想，原因是由于亚表面损伤掩盖在表面下，复杂又隐蔽，其检测非常困难。因此，目前抛光表面质量参数检测存在两个问题：1）只检测表面粗糙度；2）即使检测了亚表面损伤，由于和粗糙度测量不是在同一设备上进行，不能做到检测的表面粗糙度和亚表面损伤是元件上同一区域，因此不能真实反映被评价区域的表面质量。因此，如何全面有效评价光学元件抛光表面质量，成为高精度光学元件加工中必须解决的瓶颈和热点研究问题。

发明目的

本发明的目的是提供一种能针对同时共点检测表面粗糙度和亚表面损伤两个参数，实现全面有效评价光学元件抛光表面质量的光学元件抛光表面质量全参数检测装置和检测方法，以克服现有技术存在的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种光学元件抛光表面质量全参数检测装置，包括由光路垂直的激光激发系统和宽带光源16激发系统构成的光源激发系统、白光干涉系统、激光共焦检测系统、计算机和分别与计算机连接的CCD相机12、针孔光电探测器及信号处理单元13、光阑光电探测器及信号处理单元14和三维扫描及控制单元21；所述白光干涉系统设置在宽带光源16激发系统和CCD相机12之间；所述激光共焦检测系统设置在激光激发系统与针孔光电探测器及信号处理单元13、光阑光电探测器及信号处理单元14之间。

上述激光共焦检测系统包括分光棱镜一5、分光棱镜二6、偏振分光棱镜一7、偏振分光棱镜二8、1/4波片9、聚焦物镜10和聚焦物镜二11、所述针孔光电探测器及信号处理单元13、光阑光电探测器的位置分别位于聚焦物镜10和聚焦物镜二11的焦点上；所述白光干涉系统包括分光棱镜一5、分光棱镜二6、偏振分光棱镜一7、显微物镜一17、显微物镜二18、标准反光镜和成像物镜23；所述激光激发系统、分光棱镜一5、分光棱镜二6、偏振分光棱镜一7、显微物镜二18、标准反光镜依次设置在第一光轴上；所述显微物镜一17、偏振分光棱镜一7、偏振分光棱镜二8、1/4波片9、聚焦物镜10依次设置于垂直于第一光轴的第二光轴上；所述偏振分光棱镜二8和聚焦物镜二11依次处于垂直于第二光轴的第三光轴上；所述分光棱镜二6和成像物镜23依次设置于垂直于第一光轴的第4光轴上，所述CCD相机12位于成像物镜23的焦点位置；所述三维扫描及控制单元21和载物台22连接，所述载物台22位于显微物镜一17的焦点位置。

利用上述光学元件抛光表面质量全参数检测装置的测量方法，其操作步骤如下：

打开宽带光源16，关闭激光光源1，通过观察CCD成像，使显微物镜一17对焦到元件表面；向上移动被测光学元件到设定的高度，开始向下移动元件进行表面粗糙度的扫描测量，移动到设定的位置停止；

关闭宽带光源16并遮住标准反射镜19，打开激光光源1，继续向下移动元件到设定的高度，一个测量过程即可完成表面粗糙度和亚表面损伤两个参数的测量；

沿x方向或y方向移动到下一个测量点，重复上述操作，直到完成整个评估区域的测量。

相对于现有技术，本发明的优点是：

（1）能够准确检测光在亚表面损伤层内的散射和传输过程，能够解决亚表面损伤散射调制本质的关键科学问题。其特征在于检测的表面粗糙度和亚表面损伤是元件上同一位置，因此能真实有效地反映被评价区域的表面质量，建立表面粗糙度和亚表面损伤之间的数学模型，采用一个共光路的检测系统检测它们之间的规律。

（2）在粗糙度和亚表面损伤不变的情况下，研究光散射信号随着光源波长、光源相干性、温度、材料等的调制变化规律，建立抛光光学元件亚表面损伤的数学模型。基于光调制方法进行亚表面损伤非破坏、定量检测的关键科学问题。

（3）能够提高白光干涉条纹的对比度和检测灵敏度。

(4) 既有高的横向分辨力, 又有高的轴向分辨力, 同时能有效抑制杂散光, 具有高的对比度。

(5) 能通过对物体不同深度的逐层扫描, 获得物体大量断层图象, 既能对物体进行层析, 又能建构三维立体图象；

(6) 容易实现高倍率。

附图说明：

图1是本发明的结构原理图。

其中，1-激光光源，2-透镜，3-孔，4-扩束准直透镜，5-分光棱镜一，6-分光棱镜二，7-偏振分光棱镜一，8-偏振分光棱镜二，9-1/4波片，10-聚焦物镜，11-聚焦物镜二；12-CCD相机，13-针孔光电探测器及信号处理单元，14-光阑光电探测器及信号处理单元，15-照明物镜，16-宽带光源，17-显微物镜一，18-显微物镜二，19-标准反射镜，20-计算机，21-三维扫描及控制单元，22-载物台，23-成像物镜。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图说明对本发明做进一步说明。

一种光学元件抛光表面质量全参数检测装置，包括由光路垂直的激光激发系统和宽带光源16激发系统构成的光源激发系统、白光干涉系统、激光共焦检测系统、计算机和分别与计算机连接的CCD相机12、针孔光电探测器及信号处理单元13、光阑光电探测器及信号处理单元14和三维扫描及控制单元21；所述白光干涉系统设置在宽带光源16激发系统和CCD相机12之间；所述激光共焦检测系统设置在激光激发系统与针孔光电探测器及信号处理单元13、光阑光电探测器及信号处理单元14之间。所述激光共焦检测系统包括分光棱镜一5、分光棱镜二6、偏振分光棱镜一7、偏振分光棱镜二8、1/4波片9、聚焦物镜10和聚焦物镜二11，所述针孔光电探测器及信号处理单元13、光阑光电探测器的位置分别位于聚焦物镜10和聚焦物镜二11的焦点上；所述白光干涉系统包括分光棱镜一5、分光棱镜二6、偏振分光棱镜一7、显微物镜一17、显微物镜二18、标准反光镜和成像物镜23；所述激光激发系统、分光棱镜一5、分光棱镜二6、偏振分光棱镜一7、显微物镜二18、标准反光镜依次设置在第一光轴上；所述显微物镜一17、偏振分光棱镜一7、偏振分光棱镜二8、1/4波片9、聚焦物镜10依次设置于垂直于第一光轴的第二光轴上；所述偏振分光棱镜二8和聚焦物镜二11依次处于垂直于第二光轴的第三光轴上；所述分光棱镜二6和成像物镜23依次设置于垂直于第一光轴的第4光轴上，所述CCD相机12位于成像物镜23的焦点位置；所述三维扫描及控制单元21和载物台连接，所述载物台位于显微物镜一17的焦点位置。

白光干涉的干涉条纹光强值可用下式表示：

          （1）

式中：

为背景光强；

为干涉条纹的调制度；为光源的平均波长；

为光程差；

为初始相位。

改变光程差

，相应的光强值将发生变化。当

=0，即光程差为零，该点的光强值为最大。由CCD检测得到最大光强值所对应的零光程差所在的位置，则可得到被测得表面，如何找到最大光强值所对应的零光程是系统的关键问题。目前已经有很多算法被提出来定位零光程所在的位置，如相移法、包络线法和相移包络线法等。这些算法中需要保证压电陶瓷的扫描步距

或者。此系统中，压电陶瓷驱动工作台带动工件垂直运动实现光程差的变化，因此工作台的驱动过程是保证精确定位零光程所在位置的主要因素。

本发明可同时共点实现对亚表面损伤检测研究和用于表面粗糙度测量。测量时分两个阶段。操作步骤为：

打开宽带光源16，关闭激光光源1，通过观察CCD成像，使显微物镜一17对焦到元件表面；向上移动被测光学元件到设定的高度，开始向下移动元件进行表面粗糙度的扫描测量，移动到设定的位置停止；

关闭宽带光源16并遮住标准反射镜19，打开激光光源1，继续向下移动元件到设定的高度，一个测量过程即可完成表面粗糙度和亚表面损伤两个参数的测量；

沿x方向或y方向移动到下一个测量点，重复上述操作，直到完成整个评估区域的测量。

具体过程为：1）用于亚表面损伤检测研究。打开激光器（宽带光源16关闭），激光经过扩束准直系统并透过分光棱镜二6到达偏振分光棱镜一7。其中，反射的偏振光经显微物镜入射到被测光学元件，经亚表面损伤调制后，其偏振状态发生变化，返回的散射光再经显微物镜入射到偏振分光棱镜一7透过，经偏振分光棱镜二8透射、透过l/4波片和聚集物镜1到达针孔探测器1，其余的散射光经针孔探测器1反射，再经过透镜2和l/4波片，光的偏振态又发生了变化，所以入射到偏振分光棱镜二8的光会发生反射，反射光经聚集物镜2到达光阑探测器2。这时，参考反射镜被遮光板挡住（遮光板在偏振分光棱镜一7和显微物镜二18之间）。2）用于表面粗糙度测量。打开宽带光源16（激光器关闭），光经过分光棱镜一5反射进入系统，经扩束准直系统并透过分光棱镜BS2到达偏振分光棱镜一7。其中透射光经显微物镜二18到达参考反射镜，经反射镜反射的光作为参考光到达偏振分光棱镜一7透射；而经过PBS1反射的光，经过显微物镜到达被测光学元件，经光学元件表面反射的光作为物光再次经过显微物镜到达偏振分光棱镜一7。参考光和物光在偏振分光棱镜一7处重合发生干涉，干涉光经过偏振分光棱镜二8反射并经成像透镜进入CCD。移动参考反射镜或被测元件，就形成白光扫描干涉系统。虽然光经过偏振分光棱镜一7分成两束偏振方向不同的透射光和反射光，但是经过反射镜和物体表面反射并不改变偏振状态，所以可以原路返回。

Claims (3)

1.一种光学元件抛光表面质量全参数检测装置，其特征在于：包括由光路垂直的激光激发系统和宽带光源（16）激发系统构成的光源激发系统、白光干涉系统、激光共焦检测系统、计算机和分别与计算机连接的CCD相机（12）、针孔光电探测器及信号处理单元（13）、光阑光电探测器及信号处理单元（14）和三维扫描及控制单元（21）；所述白光干涉系统设置在宽带光源（16）激发系统和CCD相机（12）之间；所述激光共焦检测系统设置在激光激发系统与针孔光电探测器及信号处理单元（13）、光阑光电探测器及信号处理单元（14）之间。

2.如权利要求1所述的一种光学元件抛光表面质量全参数检测装置，其特征在于：所述激光共焦检测系统包括分光棱镜一（5）、分光棱镜二（6）、偏振分光棱镜一（7）、偏振分光棱镜二（8）、1/4波片（9）、聚焦物镜（10）和聚焦物镜二（11）、所述针孔光电探测器及信号处理单元（13）、光阑光电探测器的位置分别位于聚焦物镜（10）和聚焦物镜二（11）的焦点上；所述白光干涉系统包括分光棱镜一（5）、分光棱镜二（6）、偏振分光棱镜一（7）、显微物镜一（17）、显微物镜二（18）、标准反光镜和成像物镜（23）；所述激光激发系统、分光棱镜一（5）、分光棱镜二（6）、偏振分光棱镜一（7）、显微物镜二（18）、标准反光镜依次设置在第一光轴上；所述显微物镜一（17）、偏振分光棱镜一（7）、偏振分光棱镜二（8）、1/4波片（9）、聚焦物镜（10）依次设置于垂直于第一光轴的第二光轴上；所述偏振分光棱镜二（8）和聚焦物镜二（11）依次处于垂直于第二光轴的第三光轴上；所述分光棱镜二（6）和成像物镜（23）依次设置于垂直于第一光轴的第（4）光轴上，所述CCD相机（12）位于成像物镜（23）的焦点位置；所述三维扫描及控制单元（21）和载物台（22）连接，所述载物台（22）位于显微物镜一（17）的焦点位置。

3.利用如权利要求1或2所述光学元件抛光表面质量全参数检测装置的测量方法，其操作步骤如下：

打开宽带光源（16），关闭激光光源（1），通过观察CCD相机（12）成像，使显微物镜一（17）对焦到元件表面；向上移动被测光学元件到设定的高度，开始向下移动元件进行表面粗糙度的扫描测量，移动到设定的位置停止；

关闭宽带光源（16）并遮住标准反射镜（19），打开激光光源（1），继续向下移动元件到设定的高度，一个测量过程即可完成表面粗糙度和亚表面损伤两个参数的测量；

沿x方向或y方向移动到下一个测量点，重复上述操作，直到完成整个评估区域的测量。

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