CN104062233B - 精密表面缺陷散射三维显微成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密表面缺陷散射三维显微成像装置。本发明包括光源、光束准直系统、光栅、移相压电陶瓷、移相驱动器、电动旋转台、伺服电机驱动器、投影物镜、偏振分光镜、显微物镜、Z向扫描压电陶瓷、Z向扫描驱动器、待测样品、成像透镜、探测器和计算机；光栅置于电动旋转台中心，移相压电陶瓷通过移相驱动器与计算机相连接，电动旋转台通过伺服电机驱动器与计算机相连接，Z向扫描压电陶瓷通过Z向扫描驱动器与计算机相连接；光源、光束准直系统、光栅、投影物镜、偏振分光镜、显微物镜以及待测样品在条纹投影照明光路中顺序排列。本发明解决了普通显微镜无法获取疵病深度的问题，实现了对精密表面缺陷的暗场三维显微成像。

Description

精密表面缺陷散射三维显微成像装置

技术领域

本发明属于精密元件表面疵病检测技术领域，特别涉及一种精密表面缺陷散射三维显微成像装置。

背景技术

在精密元件表面质量的评价中，有三个主要的参数：面形、粗糙度和表面疵病。精密元件的表面面形、粗糙度等相关的关键技术指标可以利用当今非常成熟的数字化干涉仪和轮廓仪来进行检测并得以控制：通过光干涉获取光程差可以得到宏观口径内的面形三维图；而粗糙度的干涉检测只需获取局部的统计信息，并获取微观三维形貌。表面疵病是指在元件加工各个环节产生的形状尺寸各异的划痕、麻点等微观量缺陷，其影响光学元件的美观和功能。在光学的工业生产中，例如眼镜、手机屏幕、相机镜头等，由于表面疵病影响产品的美观、使用和质量，需要进行疵病检测。在高功率激光器中，表面疵病缺陷的长度、宽度和深度等几何结构的空间三维结构参数对光学元件抗强激光的损伤阈值起着非常重要的作用，是提高大功率激光器高通量输出的瓶颈。大量研究表明，表面疵病对经过元件的强激光光束造成不同程度的散射或衍射，引起透镜的非线性调制或发热，是导致光学元件抗损伤能力下降的重要因素之一，随着光学元件上高通量的激光辐射次数的增多，光学元件的损伤会急剧增加，最终将彻底破裂。并且由于疵病的散射作用，将使通过光学元件的激光光束耗去大量的能量，直接影响到整个系统的成败。故而，必须对光学元件表面缺陷进行严格控制。

对表面疵病进行控制，首要任务就是对口径内的各孤立缺陷(长度可能是几mm～几十mm、宽度和深度一般是几μm～几十μm)实现定量、定位检测。而普通显微镜仅可以获取物体的二维图像，即疵病的长度和宽度，对于深度信息则无法获取，为此可以考虑将能够实现微观轮廓三维成像的结构光照明显微镜技术引入到精密表面的缺陷检测中。

传统的结构光照明显微镜利用光栅生成结构光照明被测样品，通过显微物镜和成像透镜组成的显微成像系统将对焦平面的光强信息成像到探测器像面上，再利用对结构光相位的三步移相以及相应的数字图像处理算法获得被测样品对焦平面上的断层信息，获取不同对焦平面的断层信息后最终可以得到被测样品的三维轮廓。目前结构光照明显微镜主要用于对微小生物体的荧光检测以及粗糙表面的微观轮廓检测，而在精密光滑表面的检测中，探测器所接收到来自缺陷处的光线主要是散射光，而来自光滑表面的光线主要是反射光。由于光滑表面的反射率较高导致背景亮度过高，而作为缺陷检测信息重要来源的散射光强度又没有相应的增加，所以传统结构光照明显微镜用于精密光滑表面缺陷检测的信背比和信噪比也会相应地降低很多。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种精密表面缺陷散射三维显微成像装置。

精密表面缺陷散射三维显微成像装置包括光源、光束准直系统、光栅、移相压电陶瓷、移相驱动器、电动旋转台、伺服电机驱动器、投影物镜、偏振分光镜、显微物镜、Z向扫描压电陶瓷、Z向扫描驱动器、待测样品、成像透镜、探测器和计算机；其中，光栅置于内部安装有压电陶瓷的电动旋转台中心，移相压电陶瓷通过移相驱动器与计算机相连接，电动旋转台通过伺服电机驱动器与计算机相连接，Z向扫描压电陶瓷通过Z向扫描驱动器与计算机相连接；光源、光束准直系统、光栅、投影物镜、偏振分光镜、显微物镜以及待测样品在条纹投影照明光路中顺序排列；待测样品、显微物镜、偏振分光镜、成像透镜和探测器在显微成像光路中顺序排列。

所述偏振分光镜的消光比T_p:T_s＞1000:1；

其中，T_p为p光透射穿过偏振分光镜时的透过率，T_s为s光透射穿过偏振分光镜时的透过率。同时s光入射到偏振分光镜中心界面时的反射率R_s＞99.5％。

所述光源为窄带光谱LED或激光器，其出射的光束经过光束准直系统转变为宽口径平行光垂直入射到光栅上。

所述光栅为振幅型正弦光栅，其栅距d具体如下：

$d=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}$

其中NA为显微物镜的数值孔径，λ为光源的出射光波长。

光栅位于投影物镜的物方焦平面，待测样品位于显微物镜的物方焦平面，探测器位于成像透镜的像方焦平面。

所述的移相压电陶瓷能够通过移相驱动器调节其上所加载的电压，从而改变光栅的相位采集三幅移相图像进行处理，实现单一光栅旋转角度的精密表面缺陷散射快速三维显微成像检测；也能够通过伺服电机驱动器多次改变电动旋转台的旋转角度，同时移相驱动器控制移相压电陶瓷对光栅移相获得对应角度的三幅移相图像，利用傅里叶频谱分析和处理实现多光栅旋转角度的精密表面缺陷散射超分辨三维显微成像检测。

本发明有益效果如下：

本发明解决了普通显微镜无法获取疵病深度的问题，同时在结构光照明显微镜微观轮廓检测的基础上，利用偏振分光镜将精密表面的反射光线滤除，只保留相应对焦平面所激发的散射光线，解决了采用传统结构光显微镜对光滑表面检测时背景反射光过强的问题，提高了结构光照明显微镜用于精密表面缺陷三维微观轮廓检测的信背比和信噪比，实现了对精密表面缺陷的暗场三维显微成像。另外在实际测量过程中，可以选择采用单一光栅旋转角度的快速成像模式或者多光栅旋转角度的超分辨成像模式，适应于不同的检测速度和检测精度需求。

附图说明

图1是精密表面缺陷散射三维显微成像装置结构示意图；

图2是本发明工作在快速成像检测模式下的流程图；

图3是本发明工作在超分辨成像模式下的流程图；

具体实施方式

如图1所示，精密表面缺陷散射三维显微成像装置，包括光源S1、光束准直系统S2、光栅S3、移相压电陶瓷S4、移相驱动器S5、电动旋转台S6、伺服电机驱动器S7、投影物镜S8、偏振分光镜S9、显微物镜S10、Z向扫描压电陶瓷S11、Z向扫描驱动器S12、待测样品S13、成像透镜S14、探测器S15和计算机S16；其中，光栅S3置于内部安装有压电陶瓷S4的电动旋转台S6中心，移相压电陶瓷S4通过移相驱动器S5与计算机S16相连接，电动旋转台S6通过伺服电机驱动器S7与计算机S16相连接，Z向扫描压电陶瓷S11通过Z向扫描驱动器S12与计算机S16相连接；光源S1、光束准直系统S2、光栅S3、投影物镜S8、偏振分光镜S9、显微物镜S10以及待测样品S13在条纹投影照明光路中顺序排列；待测样品S13、显微物镜S10、偏振分光镜S9、成像透镜S14和探测器S15在显微成像光路中顺序排列。

所述偏振分光镜S9的消光比T_p:T_s＞1000:1；

其中T_p为p光透射穿过偏振分光镜S9时的透过率，T_s为s光透射穿过偏振分光镜S9时的透过率。同时s光入射到偏振分光镜S9中心界面时的反射率R_s＞99.5％。

所述光源S1为窄带光谱LED或激光器，其出射的光束经过光束准直系统S2转变为宽口径平行光垂直入射到光栅S3上。

所述光栅S3为振幅型正弦光栅，其栅距d具体如下：

$d=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}$

其中NA为显微物镜S10的数值孔径，λ为光源S1的出射光波长。

光栅S3位于投影物镜S8的物方焦平面，待测样品S13位于显微物镜S10的物方焦平面，探测器S15位于成像透镜S14的像方焦平面。

所述的移相压电陶瓷S4能够通过移相驱动器S5调节其上所加载的电压，从而改变光栅S3的相位采集三幅移相图像进行处理，实现单一光栅旋转角度的精密表面缺陷散射快速三维显微成像检测；也能够通过伺服电机驱动器S7多次改变电动旋转台S6的旋转角度，同时移相驱动器S5控制移相压电陶瓷S4对光栅S3移相获得对应角度的三幅移相图像，利用傅里叶频谱分析和处理实现多光栅旋转角度的精密表面缺陷散射超分辨三维显微成像检测。

实施例1：

本发明应用于对检测速度有一定要求并且不需要超分辨的精密表面缺陷散射快速三维显微成像检测方法实例描述如下。

图1是精密表面缺陷散射三维显微成像装置光路与结构示意图。实施例的待测样品为尺寸60mm×60mm的熔石英光学元件，利用本发明所述装置，采用中心波长为655nm的红色LED照明，选取显微物镜的数值孔径NA为0.75。如图2所示，首先由Z向扫描压电陶瓷驱动显微物镜对焦在轴向位移为z_i的第i个断层平面上，接下来利用移相驱动器控制移相压电陶瓷使得光栅条纹沿X方向进行至少三步移相，同时在计算机上采集得到对应相位的多幅显微图像，通过后续的解调算法重构出待测样品上第i个断层平面的散射系数分布信息β⁽ⁱ⁾(x,y)。对于三步移相而言，在初始相位、相移的相位和相移的相位采集的三幅显微图像可以表示为则对应焦面的散射系数分布β⁽ⁱ⁾(x,y)可通过如下的计算公式得到，

${\mathrm{\β}}^{\left(i\right)}(x,y)=\frac{2\sqrt{2}}{3}\sqrt{{(I_1^{\left(i\right)}-I_2^{\left(i\right)})}^2+{(I_2^{\left(i\right)}-I_3^{\left(i\right)})}^2+{(I_1^{\left(i\right)}-I_3^{\left(i\right)})}^2}---\left(1\right)$

利用三维重构算法将各个断层平面的散射系数分布整合在一起就可以得到精密表面缺陷的三维微观轮廓模型，通过对该模型的分析计算可以进一步得到缺陷的宽度、深度等信息。

实施例2：

本发明应用于精密表面缺陷散射超分辨三维显微成像检测方法实例描述如下。

图1是精密表面缺陷散射超分辨三维显微成像装置光路与结构示意图。实施例的待测样品为尺寸45mm×45mm的熔石英光学元件，采用工作波长为405nm的激光器照明，选取显微物镜的数值孔径NA为0.9。利用所述精密表面缺陷散射三维显微成像装置进行超分辨三维显微成像检测的方法包括如下步骤，如图3所示：

(1)由Z向扫描压电陶瓷驱动显微物镜对焦在轴向位移为z_i的第i个断层平面上；

(2)通过伺服电机驱动器驱动电动旋转台将光栅旋转至第k个角度 ${\mathrm{\α}}_k^{\left(i\right)};$

(3)移相驱动器控制移相压电陶瓷改变光栅的相位至0、分别在探测器上采集三幅图像；

(4)利用傅里叶分析对每幅图像进行处理，提取第i个对焦平面上光栅旋转角度为时的散射系数分布高频分量

(5)将第i个对焦平面上获得的所有光栅旋转角度的散射系数分布高频分量进行叠加，获得第i个对焦平面上的增强频谱

(6)对增强频谱做傅里叶逆变换得到第i个对焦平面上横向分辨率增强的散射系数分布图β⁽ⁱ⁾(x,y)；

(7)利用三维重构算法将各个对焦平面的散射系数分布整合在一起得到超分辨的精密表面缺陷三维微观轮廓模型。

Claims (1)

1.精密表面缺陷散射三维显微成像装置，其特征在于包括光源、光束准直系统、光栅、移相压电陶瓷、移相驱动器、电动旋转台、伺服电机驱动器、投影物镜、偏振分光镜、显微物镜、Z向扫描压电陶瓷、Z向扫描驱动器、待测样品、成像透镜、探测器和计算机；其中，光栅置于内部安装有压电陶瓷的电动旋转台中心，移相压电陶瓷通过移相驱动器与计算机相连接，电动旋转台通过伺服电机驱动器与计算机相连接，Z向扫描压电陶瓷通过Z向扫描驱动器与计算机相连接；光源、光束准直系统、光栅、投影物镜、偏振分光镜、显微物镜以及待测样品在条纹投影照明光路中顺序排列；待测样品、显微物镜、偏振分光镜、成像透镜和探测器在显微成像光路中顺序排列；

所述偏振分光镜的消光比T_p:T_s＞1000:1；其中，T_p为p光透射穿过偏振分光镜时的透过率，T_s为s光透射穿过偏振分光镜时的透过率；同时s光入射到偏振分光镜中心界面时的反射率R_s＞99.5％；

所述光源为窄带光谱LED或激光器，其出射的光束经过光束准直系统转变为宽口径平行光垂直入射到光栅上；所述光栅位于投影物镜的物方焦平面，待测样品位于显微物镜的物方焦平面，探测器位于成像透镜的像方焦平面；光栅为振幅型正弦光栅，其栅距d具体如下：

$d=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}$

其中NA为显微物镜的数值孔径，λ为光源的出射光波长；所述的移相压电陶瓷通过移相驱动器调节其上所加载的电压，从而改变光栅的相位采集三幅移相图像进行处理，实现单一光栅旋转角度的精密表面缺陷散射快速三维显微成像检测；

所述的移相压电陶瓷通过伺服电机驱动器多次改变电动旋转台的旋转角度，同时移相驱动器控制移相压电陶瓷对光栅移相获得对应角度的三幅移相图像，利用傅里叶频谱分析和处理实现多光栅旋转角度的精密表面缺陷散射超分辨三维显微成像检测。