CN102519976A

CN102519976A - 光学元件亚表面缺陷数字全息检测装置

Info

Publication number: CN102519976A
Application number: CN2011104408463A
Authority: CN
Inventors: 于瀛洁; 伍小燕; 涂桥; 王驰
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2012-06-27

Abstract

本发明涉及一种光学元件亚表面缺陷数字全息检测装置。该装置中光束分成一束测量光束和参考光束，实现测量光路斜入射被测物体以及对称接收反射光，反射光与参考光产生干涉，从干涉图样中获得来自于亚表面缺陷的散射光信息，抑制从表面直接反射的光以及系统中的杂散光，获得光学元件亚表面缺陷的散射光信息。该检测装置的特点包括：（1）光源为短相干光源，可以抑制系统中的杂散光；（2）装置中测量光路为斜入射与对称接收反射光，可以抑制光学元件表面的直接反射光，保证只接收来自亚表面缺陷的散射光，提高了信号的信噪比；（3）装置中还采用了光纤探针接收散射光信息，克服了高倍率下采用显微物镜对于接收亚表面缺陷部分的限制；（4）对于采集的图像，采用数字全息计算原理来分析和处理，从而得到亚表面缺陷深度的定量信息。

Description

光学元件亚表面缺陷数字全息检测装置

技术领域

本发明涉及一种光学元件亚表面缺陷数字全息检测装置。该发明采用短相干光源，通过斜入射和对称接收的方式，获得光学元件亚表面缺陷的散射光信息，并与参考光束发生干涉；再利用数字全息原理计算分析亚表面缺陷的形貌以及深度分布的量化信息。本发明装置主要用于实现光滑的光学元件亚表面缺陷的检测。

背景技术

光学元件亚表面缺陷是处于元件表面以下亚微米到微米级深度的树状复杂结构，主要分为划痕、裂纹和杂质等，延伸深度可达几十微米到几百微米。高精度、高效的无损检测是评估光学元件亚表面缺陷并用于改善加工工艺的一个重大课题，近年来得到了国内外学者的重视和研究。目前的检测方式包括：（1）基于酸蚀和共焦显微技术结合的检测方法，虽易于观察到缺陷的存在，但由于酸蚀速率以及表面粗糙度的不均匀性，只能用于各向同性同质材料，适用性差，而且酸蚀过程会给元件带来不可预知的破坏性；（2）基于量子荧光和共焦显微的检测技术结合的方法，虽精度较高，但需要与元件碾磨、抛光过程融合，结构复杂，检测效率低；（3）偏光无损检测方法，通过内应力判定亚表面微破裂，速度快，但光束需从工件侧面射入，实用性有限，且目前无法实现缺陷形貌的定量分析；（4）内反射的方法，目前仅适于厚度较薄工件的检测，缺陷量化信息较难获得。综上所述，需要一种能够对光学元件亚表面缺陷实现非破坏性、高精度、可获得缺陷分布量化信息及适于较厚工件。

本发明涉及一种光学元件亚表面缺陷检测方法和装置。本发明方法中，通过利用短相干光源，采用斜入射和对称接收的方式，获得光学元件亚表面缺陷的散射光信息，并构成数字全息记录系统，基于数字全息原理计算分析亚表面缺陷的形貌及深度分布的量化信息。该发明的特点：(1)所发明的装置可以抑制光学元件表面的反射光，保证只接收来自亚表面缺陷的散射光，提高了信号的信噪比； (2)在光路中采用了基于GRIN透镜的光纤探针接收散射光，克服了高倍率下采用显微物镜对于接收部分的限制；(3)装置中采用了短相干光源，可以抑制系统中的杂散光；（4）在信号处理上，采用数字全息算法，可以获得缺陷在深度方向形貌分布的定量信息。该发明装置提出采用光源斜入射和光纤探针接收散射光，并构成数字全息记录系统，从而实现亚表面缺陷检测的方法，动态性能好，并具有非破坏性和信息量化性，因此具有创新性。

发明内容

本发明装置的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种光学元件亚表面缺陷数字全息检测装置，要求具有动态性、非破坏性和信息的量化性。在这个装置中，核心的问题是获得来自于亚表面缺陷的散射光信息，抑制从表面直接反射的光以及系统中的杂散光。

为达到上述目的，本发明的构思是：

方案1：（一）短相干光源经光纤传播至分束器，由分束器将其分成两个光束，一束光作为参考光，一束光作测量光；其中参考光可通过光纤延迟线来调节参考光路的光程。（二）两部分光经过各自的扩束准直组件，被扩束为平行光。（三）两部分平行光分别由各自的起偏器控制得到通过某一偏振角的偏振光，再分别由透镜聚焦照射。（四）测量光路的光聚焦斜照射到表面光滑的光学元件上，通过置于对称位置的显微物镜接收亚表面反射光。（五）显微物镜对称接收得到的反射光与透镜聚焦过来的参考光同时射入分光镜，由光纤延迟线来调节两光路的光程差，使两相遇光在分光镜相遇时能够发生干涉。（六）干涉光经过检偏器后由CCD摄像机接收，再传递给PC，由数字全息系统对获得的图像进行再现，从而判断亚表面缺陷所处的位置和深度定量信息。

方案2：（一）短相干光源经光纤传播至分束器，由分束器将其分成两个光束，一束光作为参考光，一束光作测量光。（二）测量光经过扩束准直组件，被扩束为平行光。（三）平行光由起偏器来控制得到通过某一偏振角的偏振光，再由透镜聚焦照射。（四）光聚焦斜照射到表面光滑的光学元件上，通过置于对称位置的光纤探针接收亚表面反射光。（五）探针对称接收得到的反射光与参考光同时射入光束耦合器，通过光纤延迟线来调节两光路的光程差，使两相遇光相遇时能够发生干涉。（六）干涉光经过检偏器后由CCD摄像机接收，再传递给PC，由数字全息系统对获得的图像进行再现，从而判断亚表面缺陷所处的位置和深度定量信息。

根据上述发明构思，本发明采用如下的技术方案：

一种光学元件亚表面缺陷数字全息检测装置，由一个激光器、一个分束器、一个光纤延迟线、第一第二两个扩束准直组件、第一第二两个起偏器、第一第二两个透镜、一个显微物镜、一个分光镜、一个检偏器和一个CCD摄像机组成。具体实现过程的光路结构图见图3，其特征在于所述激光器发出的光束经过分束器分成两光束，一束为测量光束一束为参考光束，参考光束经过光纤延迟线，之后两光束通过各自光路的第一第二扩束准直组件、第一第二起偏器和第一第二透镜，然后测量光束照射到被测工件上被反射，反射光通过显微物镜后与测量光路的光分别以图3所示的角度通过分光镜，在分光镜处相遇发生干涉。在检偏器的作用下照射到CCD摄像机，得到干涉图样。一种光学元件亚表面缺陷数字全息检测装置由一个激光器、一个光束分束器、一个光纤延迟线、一个第一扩束准直组件、一个第一起偏器、第一第二两个透镜、一个光纤探针、一个光束耦合器、一个检偏器和一个CCD摄像机组成。具体实现过程的光路结构图见图4，其特征在于所述激光器发出的光束经过分束器分成两光束，一束作测量光束一束作参考光束，参考光束经过光纤延迟线，测量光束经过第一扩束准直组件、第一起偏器和第一透镜照射在被测工件上被反射，反射光经光纤探针检测，得到的反射光与测量光束一起经过光束耦合器，然后经透镜聚焦。在检偏器的作用下照射到CCD摄像机上，得到一定光强的干涉图样。

两方案获得的信息通过数据采集卡将数据传输至计算机后由数字全息技术再现光学元件亚表面缺陷图像信息。

上述的光学元件亚表面缺陷数字全息检测装置，两方案中的光源均为短相干光源，可以抑制系统中的杂散光。

上述的光学元件亚表面缺陷数字全息检测装置，两方案中的扩束准直组件的结构要求是，如图5所示，由一个显微物镜、一个针孔和一个透镜组成，并保证它们的光轴线重合，并且光轴线与被测表面所成角度为45度左右。

上述的光学元件亚表面缺陷数字全息检测装置，方案二中光纤探针的结构要求是，如图6所示，由一段光纤、一个光纤隔片、一段渐变折射率光纤和一个转向棱镜构成。光纤、光纤隔片、渐变折射率光纤所接收的光路在一条直线上并且保证与转向棱镜入射光于棱镜对称。

上述的光学元件亚表面缺陷数字全息检测装置，方案一中保证测量光路在通过第一扩束准直组件、第一起偏器和第一透镜的光路与参考光路在通过第二扩束准直组件、第二起偏器和第二透镜的光路相互平行并且保证斜45度角照射被测工件。将显微物镜、分光镜和检偏器安置在使其构成的光轴线与第二扩束准直组件、第二起偏器和第二透镜构成的光轴线关于被测工件表面对称的位置上。

上述的光学元件亚表面缺陷数字全息检测装置，方案二中保证测量光路在通过第一扩束准直组件、第一起偏器和第一透镜的光路斜45度角照射被测物体。将第一扩束准直组件、第一起偏器和第一透镜安置在使其构成的光轴线与光纤探针的入射光关于被测工件对称的位置上。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著的技术进步：本发明是光学元件亚表面缺陷数字全息检测装置，装置中通过利用短相干光源，采用斜入射和对称接收的方式，获得来自于亚表面缺陷的散射光信息，抑制从表面直接反射的光以及系统中的杂散光，获得光学元件亚表面缺陷的散射光信息，提高信号的信噪比；采用数字全息计算方法获得亚表面缺陷深度的量化信息，构成数字全息记录系统，实现亚表面缺陷的检测方法；该装置动态性能好，并具有非破坏性和信息量化性。

附图说明

图1是本发明方案1实施结构框图；

图2是本发明方案2实施结构框图；

图3是图1实施方案光路结构图；

图4是图2实施方案光路结构图；

图5是扩束准直组件结构图；

图6是光纤探针结构图。

具体实施方式

本发明的优先实施例详述如下：

实施例一：图1所示光学元件亚表面缺陷检测装置是本实施结构框图，由图1可知，本装置由一个激光器1、一个光束分束器2、一个光纤延迟线3、第一第二两个扩束准直组件4、4’、第一第二两个起偏器5、5’、第一第二两个透镜6、6’、一个显微物镜8、一个分光镜9、一个检偏器10和一个CCD摄像机11组成。

实施步骤参见图3，激光器1发出的光束经过分束器2分成两光束，一束为测量光束一束为参考光束，参考光束经过光纤延迟线3，之后两光束分别通过各自光路的第一第二扩束准直组件4、4’、第一第二起偏器5、5’和第一第二透镜6、6’，然后测量光束照射到被测工件7上被反射，反射光通过显微物镜8后与测量光路的光以图3所示的角度通过分光镜9，在分光镜9处相遇发生干涉。两干涉光在检偏器10的作用下照射到CCD摄像机11，得到一定光强的干涉图样。

实施例二：图2所示光学元件亚表面缺陷检测装置是本实施结构框图，由图2可知，本置由一个激光器1、一个光束分束器2、一个光纤延迟线3、第一扩束准直组件4、第一起偏器5、第一第二两个透镜6、6’、一个光纤探针13、一个光束耦合器14、一个检偏器10和一个CCD摄像机11组成。

实施步骤参见图4：激光器1发出的光束经过分束器2分成两光束，一束作测量光束一束作参考光束，参考光束经过光纤延迟线3，测量光束经过第一扩束准直组件4、第一起偏器5和第一透镜6后照射在被测工件7上，经工件7反射，反射光经光纤探针13检测，得到的反射光与测量光束一起经过光束耦合器14，然后经第二透镜6’聚焦，两汇集光在检偏器10的作用下照射到CCD摄像机11上，由摄像机得到一定光强的干涉图样。

如图1、2所示，激光器发出的光源通过分束器分成两路光路，一路参考光，一路测量光，两路光分别经过各自的光路，其中测量光路中，测量光照射到被测物体表面后反射，两路光路最终汇集并被CCD摄像机采集。

如图3所示，装置中保证测量光路与参考光路在通过第二扩束准直组件4’、第二起偏器5’和第二透镜6’的光路相互平行并且保证斜45度角照射被测物体上。将显微物镜8、分光镜9和检偏器10安置在使其构成的光轴线与第二扩束准直组件4’、第二起偏器5’和第二透镜6’构成的光轴线关于被测元件表面对称的位置上。

如图4所示，装置中保证测量光路在通过第一扩束准直组件4、第一起偏器5和第一透镜6的光路斜45度角照射被测工件上。使第一扩束准直组件4、第一起偏器5和第一透镜6的光轴与光纤探针所接收的光线关于被测工件表面对称。

如图5所示，装置中扩束准直组件由一个显微物镜15、一个针孔16和一个透镜17构成。各组件安装的位置如图5所示，它们的光轴线要求在一条直线上，并使针孔16到显微物镜15的距离为显微物镜15的焦距，针孔16到透镜17的距离为透镜17的焦距。

如图6所示，装置中光纤探针13由一段光纤18、一个光纤隔片19、一段渐变折射率光纤20和一个转向棱镜21构成。各组件安装位置如图6所示。光从转向棱镜21的一个直角边入射，经转向棱镜21的斜边反射，之后保证光经渐变折射率光纤20、光纤隔片19、光纤18后能够从光纤探针13射出。

Claims

1.一种光学元件亚表面缺陷数字全息检测装置，由一个激光器（1）、一个光束分束器（2）、一个光纤延迟线（3）、第一第二两个扩束准直组件（4、4′）、第一第二两个起偏器（5、5′）、第一第二两个透镜（6、6′）、一个显微物镜（8）、一个分光镜（9）、一个检偏器（10）和一个CCD摄像机（11）组成，其特征在于所述激光器（1）发出的光束经过分束器（2）分成两光束，一束为测量光束，一束为参考光束，参考光束经过光纤延迟线（3）后，两光束通过各自光路的第一第二扩束准直组件（4、4′）、第一第二起偏器（5、5′）和第一第二透镜（6、6′），然后测量光束照射到被测工件（7）上，经被测工件（7）反射，反射光通过显微物镜（8）后与参考光路的光在通过分光镜（9）处相遇并发生干涉，两干涉光经过检偏器（10）后照射到CCD摄像机（11）上，得到干涉图样。

2.一种光学元件亚表面缺陷数字全息检测装置，由一个激光器（1）、一个光束分束器（2）、一个光纤延迟线（3）、一个第一扩束准直组件（4）、一个第一起偏器（5）、第一第二两个透镜（6、6′）、一个光纤探针（13）、一个光束耦合器（14）、一个检偏器（10）和一个CCD摄像机（11）组成，其特征在于所述，激光器（1）发出的光束经过分束器（2）分成两光束，一束作测量光束一束作参考光束，参考光束经过光纤延迟线（3），测量光束经过第一扩束准直组件（4）、第一起偏器（5）和第一透镜（6）后照射在被测工件（7）上，经被测工件（7）反射，后利用光纤探针（13）来检测反射光，检测到的反射光与测量光束一起先后通过光束耦合器（14）、第二透镜（6′）、检偏器（10），之后照射CCD摄像机（11），得到干涉图样。

3.根据权利要求1或2所述的光学元件亚表面缺陷数字全息检测装置，其特征在于所述第一扩束准直组件（4）和第二扩束准直组件（4′）的结构是，由一个显微物镜（15）、一个针孔（16）和一个透镜（17）组成，保证它们的光轴线重合，并且光轴线与水平面的夹角为45度左右。

4.根据权利要求2所述的光学元件亚表面缺陷数字全息检测装置，其特征在于所述的光纤探针（13）的机构是，由一段光纤（18）、一段光纤隔片（19）、一段渐变折射率光纤（20）、一个转向棱镜（21）组成，光从转向棱镜（21）的一个直角边入射，经转向棱镜（21）的斜边反射，之后保证光经渐变折射率光纤（20）、光纤隔片（19）、光纤（18）之后能够从光纤探针（13）射出。

5.根据权利要求1所述的光学元件亚表面缺陷数字全息检测装置，其特征在于应保证测量光路与参考光路在分别通过第一第二两个扩束准直组件（4、4’）、第一第二两个起偏器（5、5’）和第一第二两个透镜（6、6’）的光路相互平行并且保证测量光路以斜45度角照射到被测工件上；将显微物镜（8）、分光镜（9）和检偏器（10）安置在使其光轴与第二扩束准直组件（4’）、第二起偏器（5’）和第二透镜（6’）所构成的光轴关于被测工件（7）表面对称的位置上，使显微物镜（8）能接收到亚表面发射光。

6.根据权利要求2所述的光学元件亚表面缺陷数字全息检测装置，其特征在于应保证测量光路在通过第一扩束准直组件（4）、第一起偏器（5）和第一透镜（6）后的光路是以斜45度角照射被测工件（7）。

7.根据权利要求1或2所述的光学元件亚表面缺陷数字全息检测装置，其特征在于所述激光器（1）发出的光均为短相干光源，这可以抑制系统中的杂散光。