CN105092585B - 基于全内反射及光学相干层析的亚表面测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全内反射及光学相干层析的亚表面测量装置及方法。该装置包括依次设置的光源系统、待测台和显微分析系统，其中光源系统包括顺次设置的激光器、偏振片、诺马斯基棱镜、准直透镜、第一反射镜和第二反射镜，待测台包括直角棱镜、折射率液和待测件，显微分析系统包括高倍物镜、第三反射镜、诺马斯基干涉仪成像系统、第四反射镜、第五反射镜和光学相干层析系统，多维精密电控调整系统包括支撑台、显微系统支架、三维微位移部件、驱动电机和计算机。所述诺马斯基干涉仪显微成像系统和光学相干层析系统均置于显微系统支架上，分别进行全内反射粗定位过程和光学相干层析过程，即将两者相结合对元件检测，检测速度快、可靠性强、精度高。

Description

基于全内反射及光学相干层析的亚表面测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光学元件亚表面损伤测量技术领域，特别是一种基于全反射及光学相干层析的亚表面测量装置及方法。

背景技术

光学元件在切削及研磨加工阶段由于接触应力的存在，会在元件表面以下产生杂质、划痕、微裂纹等缺陷现象。我国目前对亚表面损伤的测量手段主要有破坏性和非破坏性测量技术，较常用是破坏性测量方法，传统的破坏性测量方法有：化学蚀刻法、截面显微法、角度抛光法、磁流变抛光斑点法等。化学蚀刻法操作简便、成本低、直观性强，但是复试过程不容易控制、易受外界因素影响，因此精度不高；截面显微法测量亚表面损伤，其样品制备简单，容易实现，但精度和灵敏度都不高；角度抛光法可用于微米级损伤的测量，样品制作简单、容易实现，但缺点在于角度抛光时会产生附加亚表面损伤，而且只能对特定区域进行测量，另外斜面角度α的准确测量比较困难；磁流变抛光斑点法具有比角度抛光法更好的损伤深度放大作用，因此更适合于研磨抛光阶段低亚表面损伤的精确测量。破坏性方法除了对元件有损伤外，还存在耗时和对经验的依赖性等缺点。非破坏性测量方法有：焦激光扫描显微法、全内反射法、光学相干层析法等，焦激光扫描显微法的纵向分辨率极高，但探测范围太小；全内反射法是基于强度检测的方法，比较直观，但是只能用于定性观察，不能准确的测量亚表面损伤深度和损伤分布；光学相干层析法的核心是迈克尔逊干涉仪，由于光学表面亚表面损伤产生的散射光很微弱，为干涉图采集和处理带来了很多困难。此外，目前对于光学元件亚表面损伤的检测主要是对小口径的定性测量，对大口径光学元件的检测存在局限，且检测精度不稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量精度高、便于亚表面损伤凸显和观察的基于全反射及光学相干层析的亚表面测量装置及方法，且能够定量测量光学元件不同深度层的损伤数目和密度。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于全反射及光学相干层析的亚表面测量装置，包括沿光路方向依次设置的光源系统、待测台和显微分析系统，该显微分析系统固定于多维精密电控调整系统，其中光源系统包括沿光路方向顺次设置的激光器、偏振片、诺马斯基棱镜、准直透镜、第一反射镜和第二反射镜，待测台包括直角棱镜、折射率液和待测件，显微分析系统包括高倍物镜、第三反射镜、诺马斯基干涉仪成像系统、第四反射镜、第五反射镜和光学相干层析系统，多维精密电控调整系统包括支撑台、显微系统支架、三维微位移部件、驱动电机和计算机；

所述待测台中待测件置于直角棱镜的斜面上，待测件的下表面和直角棱镜的斜面贴合且二者之间涂有折射率液；多维精密电控调整系统中的支撑台位于待测件的下方作为待测件的支撑平台；显微系统支架支撑起显微分析系统，且显微系统支架固定于三维微位移部件上；计算机的位移控制输出端通过驱动电机接入三维微位移部件；显微分析系统中高倍物镜上方设置能够旋转的第四反射镜，第四反射镜的同一水平面两侧分别设置第三反射镜和第五反射镜，第三反射镜上方设置诺马斯基干涉仪成像系统，第五反射镜的上方设置光学相干层析系统；诺马斯基干涉仪成像系统和光学相干层析系统的信号输出端均接入计算机；

首先进行全内反射粗定位，光源系统的激光器发出的光经过偏振片后变为线偏振光，线偏振光经过诺马斯基棱镜后分为o光和e光两束偏振光，该两束偏振光经准直透镜后转换为两束平行光，该两束平行光依次通过第一反射镜和第二反射镜调整角度后入射至直角棱镜的一个直角面，然后通过折射率液透射到待测件，多维精密电控调整系统中驱动电机驱动三维微位移部件从而实现光束对待测件的三维扫描；没有损伤时，光束将在待测件上表面发生全内反射并从棱镜另一直角边射出；有损伤时，两束平行光被待测件的损伤散射，使小部分光束从样品上表面出射；该载有待测件损伤信息的散射光束经过高倍物镜后，调整第四反射镜的角度使散射光束通过第三反射镜进入诺马斯基干涉仪成像系统，得到包含损伤信息的干涉图像并传输到计算机中进行图像处理分析，最后输出待测件的损伤位置；全内反射粗定位结束后，关闭激光器并开启光学相干层析系统，调整第四反射镜的角度使反射光通过第五反射镜进入光学相干层析系统，根据待测件的损伤位置信息将光学相干层析系统移至损伤区域进行扫描，得到随波长分布的干涉信号并输入计算机中进行图像处理得到待测件损伤位置的二维断层图像。

一种基于全反射及光学相干层析的亚表面测量方法，包括以下步骤：

步骤1，将待测件放置在支撑台上，待测件的下表面和直角棱镜的平面贴合且二者之间涂有折射率液，由激光器产生一束激光光束，经过第一偏振片后变为线偏振光，线偏振光经过诺马斯基棱镜后分为o光和e光两束振动方向互相垂直的偏振光，该两束偏振光经准直透镜后转换为两束平行光，该两束平行光依次通过第一反射镜和第二反射镜调整入射角度从而改变光路；

步骤2，通过第一反射镜和第二反射镜调整光源的入射角度，光束入射至直角棱镜的一个直角面，然后通过折射率液透射到待测件；没有损伤时，光束将在待测件上表面发生全内反射并从棱镜另一直角边射出；有损伤时，两束平行光被待测件的损伤散射，使小部分光束从样品上表面出射；

步骤3，该载有待测件损伤信息的散射光束经过高倍物镜后，调整第四反射镜的角度使散射光束通过第三反射镜进入诺马斯基干涉仪成像系统，得到包含损伤信息的干涉图像并传输到计算机中进行图像处理分析，最后输出待测件的损伤位置；多维精密电控调整系统中驱动电机驱动三维微位移部件从而实现对待测件的三维扫描；

步骤4，全内反射粗定位结束后，关闭激光器并开启光学相干层析系统，调整第四反射镜的角度使反射光通过第五反射镜进入光学相干层析系统；根据待测件的损伤位置信息将光学相干层析系统移至损伤区域进行扫描，得到随波长分布的干涉信号并输入计算机中进行图像处理得到待测件损伤位置的二维断层图像。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)利用准直物镜控制入射光束的口径；(2)利用多维精密电控调整平台，使检测系统能够对大口径待测件进行三维扫描；(3)检测装置加入诺马斯基干涉仪，增强图像的立体感，提高装置的测量精度；(4)将全内反射粗定位系统与光学相干层析系统相结合，提高了检测速度、测量精度以及可靠性，便于亚表面损伤凸显和观察以及不同深度层的损伤数目和密度的定量化测量

附图说明

图1是本发明基于全反射及光学相干层析的亚表面测量装置的结构示意图。

图2是诺马斯基干涉仪的结构示意图。

图3是本发明中全内反射粗定位过程装置图。

图4是光学相干层析系统的结构框图。

图5是多维精密电控调整系统中三维微位移部件的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

结合图1，本发明基于全反射及光学相干层析的亚表面测量装置，包括沿光路方向依次设置的光源系统、待测台和显微分析系统，该显微分析系统固定于多维精密电控调整系统，其中光源系统包括沿光路方向顺次设置的激光器1、偏振片2、诺马斯基棱镜3、准直透镜4、第一反射镜5和第二反射镜6，待测台包括直角棱镜7、折射率液9和待测件10，显微分析系统包括高倍物镜11、第三反射镜12、诺马斯基干涉仪成像系统13、第四反射镜14、第五反射镜15和光学相干层析系统16，多维精密电控调整系统包括支撑台8、显微系统支架20、三维微位移部件17、电机驱动19和计算机18；

所述待测台中待测件10置于直角棱镜7的斜面上，待测件10的下表面和直角棱镜7的斜面贴合且二者之间涂有折射率液9；多维精密电控调整系统中的支撑台8位于待测件10的下方作为待测件10的支撑平台；显微系统支架20支撑起显微分析系统，且显微系统支架20固定于三维微位移部件17上；计算机18的位移控制输出端通过电机驱动19接入三维微位移部件17；显微分析系统中高倍物镜11上方设置能够旋转的第四反射镜14，第四反射镜14的同一水平面两侧分别设置第三反射镜12和第五反射镜15，第三反射镜12上方设置诺马斯基干涉仪成像系统13，第五反射镜15的上方设置光学相干层析系统16；诺马斯基干涉仪成像系统13和光学相干层析系统16的信号输出端均接入计算机18；

首先进行全内反射粗定位，光源系统的激光器1发出的光经过偏振片2后变为线偏振光，线偏振光经过诺马斯基棱镜3后分为o光和e光两束偏振光，该两束偏振光经准直透镜4后转换为两束平行光，该两束平行光依次通过第一反射镜5和第二反射镜6调整角度后入射至直角棱镜7的一个直角面，然后通过折射率液9透射到待测件10，多维精密电控调整系统中电机驱动19驱动三维微位移部件17从而实现光束对待测件10的三维扫描；没有损伤时，光束将在待测件10上表面发生全内反射并从棱镜另一直角边射出；有损伤时，两束平行光被待测件10的损伤散射，使小部分光束从样品上表面出射；该载有待测件10损伤信息的散射光束经过高倍物镜11后，调整第四反射镜14的角度使散射光束通过第三反射镜12进入诺马斯基干涉仪成像系统13，得到包含损伤信息的干涉图像并传输到计算机18中进行图像处理分析，最后输出待测件10的损伤位置；全内反射粗定位结束后，关闭激光器1并开启光学相干层析系统16，调整第四反射镜14的角度使反射光通过第五反射镜15进入光学相干层析系统16，根据待测件10的损伤位置信息将光学相干层析系统16移至损伤区域进行扫描，得到随波长分布的干涉信号并输入计算机18中进行图像处理得到待测件10损伤位置的二维断层图像。

结合图1～2可知，所述激光器1、偏振片2、诺马斯基棱镜3、准直透镜4、第一反射镜5、第二反射镜6，直角棱镜7、折射率液9、待测件10、高倍物镜11、第三反射镜12、第四反射镜14和诺马斯基干涉仪成像系统13组成了诺马斯基干涉仪系统，第四反射镜14旋转以调整光路方向。所述光源系统中激光器1、偏振片2、诺马斯基棱镜3、准直透镜4用于控制光束宽度，顺次共光轴设置，第一反射镜5和第二反射镜6用于调整光路方向。所述直角棱镜7、折射率液9和待测件10三者的折射率相同。

所述多维精密电控调整系统包括支撑台8、显微系统支架20和三维微位移部件17，该系统实现对待测件10的三维扫描；所述诺马斯基干涉仪显微成像系统13和光学相干层析系统16两种显微系统都置于显微系统支架20上，分别进行全内反射粗定位过程和光学相干层析过程，即将两者相结合对元件检测，本发明基于全反射及光学相干层析的亚表面测量方法，包括以下步骤：

步骤1，结合图3，首先进行全内反射粗定位，将待测件10放置在支撑台8上，待测件10的下表面和直角棱镜7的平面贴合且二者之间涂有折射率液9；由激光器1产生一束激光光束，经过第一偏振片2后变为线偏振光，线偏振光经过诺马斯基棱镜3后分为o光和e光两束振动方向互相垂直的偏振光，该两束偏振光经准直透镜4后转换为两束平行光，该两束平行光依次通过第一反射镜5和第二反射镜6调整入射角度从而改变光路；

步骤2，通过第一反射镜5和第二反射镜6调整光源的入射角度，光束入射至直角棱镜7的一个直角面，然后通过折射率液9透射到待测件10；没有损伤时，光束将在待测件10上表面发生全内反射并从棱镜另一直角边射出；有损伤时，两束平行光被待测件10的损伤散射，使小部分光束从样品上表面出射；且当不断调整第一反射镜5和第二反射镜6能够获得光源以不同角度入射时亚表面损伤的信息；

步骤3，该载有待测件10损伤信息的散射光束经过高倍物镜11后，调整第四反射镜14的角度使散射光束通过第三反射镜12进入诺马斯基干涉仪成像系统13，得到包含损伤信息的干涉图像并传输到计算机18中进行图像处理分析，最后输出待测件10的损伤位置；多维精密电控调整系统中电机驱动19驱动三维微位移部件17从而实现对待测件10的三维扫描；

步骤4，全内反射粗定位结束后，关闭激光器1并开启光学相干层析系统16，调整第四反射镜14的角度使反射光通过第五反射镜15进入光学相干层析系统16；根据待测件10的损伤位置信息将光学相干层析系统16移至损伤区域进行扫描，如图4所示，由短相干光源出射的光波经光纤耦合器分光后，分别到达参考臂和样品臂，各自经过反射或散射回到探测臂形成干涉，在CCD上形成随波长分布的干涉信号；该一维干涉信号输入计算机18中进行图像处理，将其由波长空间变换到波数空间，再做一次逆傅里叶变换即可得到待测件10某一横向位置处的深度方向的信息，为了获得二维图像，在样品臂中加入扫描振镜实现对样品的横向扫描，一次横向扫描完成，即可得到待测件10损伤位置的二维断层图像。

实施例1

本实施例结合附图对多维精密电控调整系统的结构进行详细说明。

结合图5，本发明装置的多维精密电控调整系统中三维微位移部件17为两条平行支架和横梁形成的单杠结构，且横梁能够沿着两条平行支架上下移动；该两条平行支架设于支撑台8上，显微系统支架20设置于横梁上，令x轴平行于横梁、y轴平行于支撑台8平面、z轴平行于两条平行支架；支撑台8上设有平行于y轴方向的轨道，两条平行支架沿着该y轴方向轨道移动；横梁上设有轨道，显微系统支架20沿着横梁即x轴方向轨道移动；并且显微系统支架20能够随横梁沿着两条平行支架上下移动即z轴方向移动；

所述计算机18向驱动电机19发送控制信号，显微系统支架20和三维微位移部件17通过驱动电机19对待测件10进行三维扫描：首先显微系统支架20沿着三维微位移部件17的横梁即x轴方向轨道移动，一行扫描完毕后，显微系统支架20的两条平行支架沿着支撑台8上y轴方向轨道步进一位，显微系统支架20再次沿着x轴扫描，随着对待测件10的逐层检测显微系统支架20沿z轴方向移动以调整纵向深度，依次逐步完成对待测件10的三维扫描。

综上，本发明装置通过准直透镜4调整入射光束口径，即可以调整入射光束的能量；多维精密电控调整系统中支撑台8位于待测件10的下方，显微系统支架20上控制着准直物镜11、诺马斯基干涉仪显微成像系统13和光学相干层析系统16，便于对待测件10进行三维扫描；将全内反射粗定位过程与光学相干层析系统相结合，检测速度快、可靠性强、精度高。

Claims (6)

1.一种基于全内反射及光学相干层析的亚表面测量装置，其特征在于，包括沿光路方向依次设置的光源系统、待测台和显微分析系统，该显微分析系统固定于多维精密电控调整系统，其中光源系统包括沿光路方向顺次设置的激光器(1)、偏振片(2)、诺马斯基棱镜(3)、准直透镜(4)、第一反射镜(5)和第二反射镜(6)，待测台包括直角棱镜(7)、折射率液(9)和待测件(10)，显微分析系统包括高倍物镜(11)、第三反射镜(12)、诺马斯基干涉仪成像系统(13)、第四反射镜(14)、第五反射镜(15)和光学相干层析系统(16)，多维精密电控调整系统包括支撑台(8)、显微系统支架(20)、三维微位移部件(17)、驱动电机(19)和计算机(18)；

所述待测台中待测件(10)置于直角棱镜(7)的斜面上，待测件(10)的下表面和直角棱镜(7)的斜面贴合且二者之间涂有折射率液(9)；多维精密电控调整系统中的支撑台(8)位于待测件(10)的下方作为待测件(10)的支撑平台；显微系统支架(20)支撑起显微分析系统，且显微系统支架(20)固定于三维微位移部件(17)上；计算机(18)的位移控制输出端通过驱动电机(19)接入三维微位移部件(17)；显微分析系统中高倍物镜(11)上方设置能够旋转的第四反射镜(14)，第四反射镜(14)的同一水平面两侧分别设置第三反射镜(12)和第五反射镜(15)，第三反射镜(12)上方设置诺马斯基干涉仪成像系统(13)，第五反射镜(15)的上方设置光学相干层析系统(16)；诺马斯基干涉仪成像系统(13)和光学相干层析系统(16)的信号输出端均接入计算机(18)；

首先进行全内反射粗定位，光源系统的激光器(1)发出的光经过偏振片(2)后变为线偏振光，线偏振光经过诺马斯基棱镜(3)后分为o光和e光两束偏振光，该两束偏振光经准直透镜(4)后转换为两束平行光，该两束平行光依次通过第一反射镜(5)和第二反射镜(6)调整角度后入射至直角棱镜(7)的一个直角面，然后通过折射率液(9)透射到待测件(10)，多维精密电控调整系统中驱动电机(19)驱动三维微位移部件(17)从而实现光束对待测件(10)的三维扫描；没有损伤时，光束将在待测件(10)上表面发生全内反射并从棱镜另一直角边射出；有损伤时，两束平行光被待测件(10)的损伤散射，使小部分光束从样品上表面出射；该载有待测件(10)损伤信息的散射光束经过高倍物镜(11)后，调整第四反射镜(14)的角度使散射光束通过第三反射镜(12)进入诺马斯基干涉仪成像系统(13)，得到包含损伤信息的干涉图像并传输到计算机(18)中进行图像处理分析，最后输出待测件(10)的损伤位置；全内反射粗定位结束后，关闭激光器(1)并开启光学相干层析系统(16)，调整第四反射镜(14)的角度使反射光通过第五反射镜(15)进入光学相干层析系统(16)，根据待测件(10)的损伤位置信息，通过三维微位移部件(17)的移动将光学相干层析系统(16)移至损伤区域进行扫描，得到随波长分布的干涉信号并输入计算机(18)中进行图像处理得到待测件(10)损伤位置的二维断层图像。

2.根据权利要求1所述的基于全内反射及光学相干层析的亚表面测量装置，其特征在于，所述激光器(1)、偏振片(2)、诺马斯基棱镜(3)、准直透镜(4)、第一反射镜(5)、第二反射镜(6)，直角棱镜(7)、折射率液(9)、待测件(10)、高倍物镜(11)、第三反射镜(12)、第四反射镜(14)和诺马斯基干涉仪成像系统(13)组成了诺马斯基干涉仪系统，第四反射镜(14)旋转以调整光路方向。

3.根据权利要求1所述的基于全内反射及光学相干层析的亚表面测量装置，其特征在于，所述光源系统中激光器(1)、偏振片(2)、诺马斯基棱镜(3)、准直透镜(4)用于控制光束宽度，顺次共光轴设置，第一反射镜(5)和第二反射镜(6)用于调整光路方向。

4.根据权利要求1所述的基于全内反射及光学相干层析的亚表面测量装置，其特征在于，所述直角棱镜(7)、折射率液(9)和待测件(10)三者的折射率相同。

5.根据权利要求1所述的基于全内反射及光学相干层析的亚表面测量装置，其特征在于，所述多维精密电控调整系统中三维微位移部件(17)为两条平行支架和横梁形成的单杠结构，且横梁能够沿着两条平行支架上下移动；该两条平行支架设于支撑台(8)上，显微系统支架(20)设置于横梁上，令x轴平行于横梁、y轴平行于支撑台(8)平面、z轴平行于两条平行支架；支撑台(8)上设有平行于y轴方向的轨道，两条平行支架沿着该y轴方向轨道移动；横梁上设有轨道，显微系统支架(20)沿着横梁即x轴方向轨道移动；并且显微系统支架(20)能够随横梁沿着两条平行支架上下移动即z轴方向移动；

所述计算机(18)向驱动电机(19)发送控制信号，显微系统支架(20)和三维微位移部件(17)通过驱动电机(19)对待测件(10)进行三维扫描：首先显微系统支架(20)沿着三维微位移部件(17)的横梁即x轴方向轨道移动，一行扫描完毕后，显微系统支架(20)的两条平行支架沿着支撑台(8)上y轴方向轨道步进一位，显微系统支架(20)再次沿着x轴扫描，随着对待测件(10)的逐层检测显微系统支架(20)沿z轴方向移动以调整纵向深度，依次逐步完成对待测件(10)的三维扫描。

6.一种基于全内反射及光学相干层析的亚表面测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将待测件(10)放置在支撑台(8)上，待测件(10)的下表面和直角棱镜(7)的平面贴合且二者之间涂有折射率液(9)，由激光器(1)产生一束激光光束，经过第一偏振片(2)后变为线偏振光，线偏振光经过诺马斯基棱镜(3)后分为o光和e光两束振动方向互相垂直的偏振光，该两束偏振光经准直透镜(4)后转换为两束平行光，该两束平行光依次通过第一反射镜(5)和第二反射镜(6)调整入射角度从而改变光路；

步骤2，通过第一反射镜(5)和第二反射镜(6)调整光源的入射角度，光束入射至直角棱镜(7)的一个直角面，然后通过折射率液(9)透射到待测件(10)；没有损伤时，光束将在待测件(10)上表面发生全内反射并从棱镜另一直角边射出；有损伤时，两束平行光被待测件(10)的损伤散射，使小部分光束从样品上表面出射；

步骤3，该载有待测件(10)损伤信息的散射光束经过高倍物镜(11)后，调整第四反射镜(14)的角度使散射光束通过第三反射镜(12)进入诺马斯基干涉仪成像系统(13)，得到包含损伤信息的干涉图像并传输到计算机(18)中进行图像处理分析，最后输出待测件(10)的损伤位置；多维精密电控调整系统中驱动电机(19)驱动三维微位移部件(17)从而实现对待测件(10)的三维扫描；

步骤4，全内反射粗定位结束后，关闭激光器(1)并开启光学相干层析系统(16)，调整第四反射镜(14)的角度使反射光通过第五反射镜(15)进入光学相干层析系统(16)；根据待测件(10)的损伤位置信息将光学相干层析系统(16)移至损伤区域进行扫描，得到随波长分布的干涉信号并输入计算机(18)中进行图像处理得到待测件(10)损伤位置的二维断层图像。