CN103759675A - 一种用于光学元件非球面微结构的同步检测方法 - Google Patents

Abstract

一种用于光学元件非球面微结构的同步检测方法，包括从一激光器出射一束激光并且经过一第一光阑后分成两束，其中一束入射到聚焦镜上后入射到积分球内的待测物体的表面上，所述积分球上安装有光电接收设备接收其散射光，并且在该入射到待测物体的光束的反射方向设置反射光接收器，其中反射的一束光经光吸收装置吸收并且进行光电转换后进入计算机作为参考光束，利用上述设备测得待测物体的散射辐射Rd，以及反射辐射Rs，然后计算得出基于尖锐压头印压的亚表面裂纹深度SSD和基于微小球形压头印压的裂纹深度SSD’。该方法不但所要求的设备结构简单、检测速度快，检测准确，可以达到纳米量级的表面微结构的检测，成本较低、对表面无损害、测量精度较高。

Description

一种用于光学元件非球面微结构的同步检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测方法，特别是涉及一种用于光学元件非球面微结构的同步检测方法。

背景技术

光滑表面的缺陷检测，目前已有多种方法，比较常用的是基于machine vision的光学检测方法。这种方法的特点是可同时检测并确定缺陷的种类、尺寸等参数，但缺点是检测速度慢、对微小缺陷灵敏度降低，通常检测和分析时间在几十秒到几分钟，这种速度无法满足在线快速检测的需要，要达到在十秒钟内完成一片晶面的检测，即使采用更快的硬件和软件技术，也无法达到检测速度的要求。其实被测表面上大部分是没有需要检测的缺陷的，即使有，数量也很少，而基于Machine Vision的检测方法必须对整个表面进行无差别的检测，因而，大部分时间是浪费在对无缺陷表面进行检测上。

另一个方法是采用激光扫描和散射检测的方法。激光扫描和散射检测技术可以在很短时间对光滑表面进行检测并确定缺陷的具体位置，一般检测缺陷的数量级可达到微米级别，如果需要测量更小的缺陷，则会增加检测的时间。

总积分测量技术已经在超光滑光学和非光学表面、镀膜表面的检测中开始使用，主要用来检测它们的光学损耗、微观结构、表面粗糙度、缺陷和污点。但是现有的总积分测量技术仍然没有用于光学元件超光滑表面的检测上，而且其测量精度也不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于超光滑表面的光学元件非球面微结构的检测方法，特别是提供一种用于测量基于尖锐压头印压的亚表面裂纹深度和基于微小球形压头印压的裂纹深度的检测方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于光学元件非球面微结构的同步检测方法，包括从一激光器出射一束激光并且经过一第一光阑，以及将经过第一光阑后的光束分成两束，其中一束入射到聚焦镜上后通过一第二光阑后入射到积分球内的待测物体的表面上，所述积分球上安装有光电接收设备接收其散射光，并且在该入射到待测物体的光束的反射方向设置反射光接收器，并且该反射光接收器将接收转换后的信号传入计算机，其中反射的一束光经光吸收装置吸收并且进行光电转换后进入计算机作为参考光束，其特征在于：利用上述设备测得待测物体的散射辐射Rd，以及反射辐射Rs，通过公式（1）

$\mathrm{TIS}=\frac{R_d}{R_t}=\frac{R_d}{R_d+R_s}\≈{(4\mathrm{\π\σ}{\cos \mathrm{\θ}}_0/\mathrm{\λ})}^2---\left(1\right)$

计算得出表面粗糙度SR=s²，根据公式（5）以及公式（8）分别计算出，基于尖锐压头印压的亚表面裂纹深度SSD和基于微小球形压头印压的裂纹深度SSD’

$\mathrm{SSD}=3.08{\left(\mathrm{\κ}{\mathrm{\α}}_K\right)}^{2/3}\frac{1}{\sin {\mathrm{\Ψ}}^{2/3}}\frac{H^{2m}}{E^{2m-2/3}{K}_C^{2/3}}{\mathrm{SR}}^{4/3}---\left(5\right)$

${\mathrm{SSD}}^{\′}=1.39{\left(\mathrm{\κ\β}\right)}^{2/3}\frac{E^{1/3-4m/3}{H}^{1/3+4m/3}}{K_c^{2/3}}{\mathrm{SR}}^{4/3}---\left(8\right)$

上述公式中，θ₀为光入射到待测物体表面的入射角，λ为入射光波长，σ为样品的均方根粗糙度，TIS为总积分散射，β为与材料特性和压头形状无关的无量纲常数，β的取值为0.096，P为压痕压制载荷，ψ为压头锐度角，E为材料弹性模量，H为材料硬度，Kc为材料断裂韧性，m为一元量纲常数，m的取值为1/3，κ为压痕应力场弹性组元对中位裂纹深度的修正系数，取值介于1/3与1/2之间，

与现有技术相比，本发明的优点在于该方法不但所要求的设备结构简单、检测速度快，而且检测准确。该方法还可以用于测量光学元件其他的微表面结构。该方法可以达到纳米量级的表面微结构的检测，成本较低、对表面无损害、测量精度较高，还有助于散射技术与扫描力显微镜的完美结合。

附图说明

图1为本发明的检测方法所用设备的示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明的检测方法所用的检测设备，如图1所示，包括激光器1，在光路上位于激光器1的出射方向上的第一光阑2，以及在光路上位于第一光阑2后方的分光镜21，该分光镜21将经过第一光阑2后的光分成两束，其中透射的一束光入射到聚焦镜5，然后在聚焦镜5后又通过一第二光阑2’后入射到积分球13内的待测物体14的表面上。

经过分光镜21反射的光束经过一光电池3吸收后经过信号转换装置4后直接进入计算机7内作为参考信号。在积分球的表面上开设一开口放入光电倍增管9接收其散射光然后将信号输入至锁相放大器6，锁相放大器6将接收到的信号传入计算机7内以作测量计算用。

入射到积分球13内的待测物体14表面上的反射方向设有一反射光接收器8，该反射光吸收器8吸收反射光并转换成电信号输入至计算机7内。该反射光接收器8固定于一摇臂仪12摇臂的外侧端，而待测物体14位于摇臂仪12的内侧端，该反射光接收器8探测器可以以0.01度的角度分辨率绕待测物体14进行360度旋转，计算机7通过一控制电路10控制该摇臂仪的动作，该待测物体14的后方设有透射光吸收装置12。该反射光接收器8可以是一光电倍增管或者光电二极管等光电转换器件。

总积分散射定义为薄膜表面散射(漫反射)光和表面反射光(镜向反射和漫反射之和)二者之比。图1中的激光器光源选用输出功率为10mW的He-Ne激光器，波长632.8nm，P偏振。选用较大的激光输出功率是为了增强信号，提高系统的灵敏度，而采用P偏振光是为了建立散射模型的需要。

当一束单色平行光投射到粗糙表面时，它的反射光可分为两部分，一部分是镜面反射光，一部分是漫反射光或散射光，而两部分的总和称为总反射光或半球反射光。如果设R_t为总反射辐射,R_d为散射辐射即光电倍增管9所接收到的信号,R_s镜面反射辐射即反射光接收器8所接收到的信号,θ₀为光入射到待测物体表面的入射角,σ为样品的均方根粗糙度，则基底表面的总积分散射TIS可表示为：

$\mathrm{TIS}=\frac{R_d}{R_t}=\frac{R_d}{R_d+R_s}\≈{(4\mathrm{\π\σ}{\cos \mathrm{\θ}}_0/\mathrm{\λ})}^2---\left(1\right)$

由上式（1）可得到

$\mathrm{\σ}=(\mathrm{\λ}/4\mathrm{\π}{\cos \mathrm{\θ}}_0)\sqrt{\mathrm{TIS}}---\left(2\right)$

根据压痕断裂力学理论和理想塑性材料孔洞扩张的理论分别获得基于尖锐压头印压的中位裂纹和侧向裂纹深度的理论计算公式如下：

C为中位裂纹深度，P为压痕压制载荷，ψ为压头锐度角，E为材料弹性模量，H为材料硬度，K_C为材料断裂韧性，m为一元量纲常数，m的取值为1/3,，κ为压痕应力场弹性组元对中位裂纹深度的修正系数取值介于1/3与1/2之间，a_K是一个系数， $a_K=0.027+0.090(m-\frac{1}{3}).$

$C={\left({\mathrm{\κ\α}}_K\right)}^{2/3}{\left(\frac{E}{H}\right)}^{(1-m)2/3}{\left(\cot \mathrm{\Ψ}\right)}^{4/9}{\left(\frac{P}{K_C}\right)}^{2/3}---\left(3\right)$

b为侧向裂纹深度

$b=0.43{\left(\sin \mathrm{\Ψ}\right)}^{1/2}{\left(\cot \mathrm{\Ψ}\right)}^{1/3}{\left(\frac{E}{H}\right)}^m{\left(\frac{P}{H}\right)}^{1/2}---\left(4\right)$

而基于尖锐压头压印的亚表面裂纹深度SSD为可认为是中位裂纹深度C，测量得出的表面粗糙度SR=σ²为侧向裂纹深度b，由（3）、（4）式，消除P则得出

$\mathrm{SSD}=3.08{\left(\mathrm{\κ}{\mathrm{\α}}_K\right)}^{2/3}\frac{1}{\sin {\mathrm{\Ψ}}^{2/3}}\frac{H^{2m}}{E^{2m-2/3}{K}_C^{2/3}}{\mathrm{SR}}^{4/3}---\left(5\right)$

其中，ψ为压头锐度角，E为材料弹性模量，H为材料硬度，Kc为材料断裂韧性，m为一元量纲常数，m的取值为1/3，κ为压痕应力场弹性组元对中位裂纹深度的修正系数，取值介于1/3至1/2之间。

而基于微小球形压头印压的裂纹深度的测量如下所述：

以球形压头在脆性材料表面印压产生的裂纹系统为研究对象，亚表面裂纹深度SSD’为锥形裂纹深度即为中位裂纹深度C，表面粗糙度SR为静态侧向裂纹深度b，获得基于球形压头印压的亚表面裂纹深度与表面粗糙度比值关系的线性模型:

$C={\left[{\left(\frac{1}{4\mathrm{\π}}\right)}^{2/3}\left(\mathrm{\κ\β}\right){\left(\frac{E}{H^{5/3}{K}_r^2}\right)}^{1/2}{\left(\frac{P}{R}\right)}^{2/3}\right]}^{2/3}---\left(6\right)$

$b={\left(\frac{3}{{8\mathrm{\π}}^2}\right)}^{1/3}{\left(\frac{E}{H}\right)}^m{\left(\frac{P}{H}\right)}^{2/3}{\left(\frac{1}{R}\right)}^{1/3}---\left(7\right)$

由式子（1）（2），消掉P,得到

${\mathrm{SSD}}^{\′}=1.39{\left(\mathrm{\κ\β}\right)}^{2/3}\frac{E^{1/3-4m/3}{H}^{1/3+4m/3}}{K_c^{2/3}}{\mathrm{SR}}^{4/3}---\left(8\right)$

式中，β为与材料特性和压头形状无关的无量纲常数,β的取值为0.096，P为压痕压制载荷，E为材料弹性模量，H为材料硬度，Kc为材料断裂韧性，m为一元量纲常数，m的取值为1/3,κ为压痕应力场弹性组元对中尉裂纹深度的修正系数，取值介于1/3与1/2之间。

因此，可以通过上述装置测得光学元件的表面粗糙度，进而测得光学元件表面的基于尖锐压头印压的亚表面裂纹深度和基于微小球形压头印压的裂纹深度。该方法不但所要求的设备结构简单、检测速度快，而且检测准确。该方法还可以用于测量光学元件其他的微表面结构。该方法可以达到纳米量级的表面微结构的检测，成本较低、对表面无损害、测量精度较高，还有助于散射技术与扫描力显微镜的完美结合。

尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于光学元件非球面微结构的同步检测方法，包括从一激光器出射一束激光并且经过一第一光阑（2），以及将经过第一光阑（2）后的光束分成两束，其中一束入射到聚焦镜（5）上后通过一第二光阑（2’）后入射到积分球（13）内的待测物体（14）的表面上，所述积分球（13）上安装有光电接收设备接收其散射光，并且在该入射到待测物体（14）的光束的反射方向设置反射光接收器（8），并且该反射光接收器（8）将接收转换后的信号传入计算机（7），其中反射的一束光经光吸收装置吸收并且进行光电转换后进入计算机（7）作为参考光束，其特征在于：利用上述设备测得待测物体的散射辐射Rd，以及反射辐射Rs，通过公式（1）

$\mathrm{TIS}=\frac{R_d}{R_t}=\frac{R_d}{R_d+R_s}\≈{(4\mathrm{\π\σ}{\cos \mathrm{\θ}}_0/\mathrm{\λ})}^2---\left(1\right)$

计算得出表面粗糙度SR=s²，根据公式（5）以及公式（8）分别计算出，基于尖锐压头印压的亚表面裂纹深度SSD和基于微小球形压头印压的裂纹深度SSD’

$\mathrm{SSD}=3.08{\left(\mathrm{\κ}{\mathrm{\α}}_K\right)}^{2/3}\frac{1}{\sin {\mathrm{\Ψ}}^{2/3}}\frac{H^{2m}}{E^{2m-2/3}{K}_C^{2/3}}{\mathrm{SR}}^{4/3}---\left(5\right)$

${\mathrm{SSD}}^{\′}=1.39{\left(\mathrm{\κ\β}\right)}^{2/3}\frac{E^{1/3-4m/3}{H}^{1/3+4m/3}}{K_c^{2/3}}{\mathrm{SR}}^{4/3}---\left(8\right)$

上述公式中，θ₀为光入射到待测物体表面的入射角，λ为入射光波长，σ为样品的均方根粗糙度，TIS为总积分散射，β为与材料特性和压头形状无关的无量纲常数,β的取值为0.096，P为压痕压制载荷，ψ为压头锐度角，E为材料弹性模量，H为材料硬度，Kc为材料断裂韧性，m为一元量纲常数，m的取值为1/3，κ为压痕应力场弹性组元对中位裂纹深度的修正系数，取值介于1/3与1/2之间，

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