CN105510347A - 基于光热检测和光学显微的光学材料缺陷实时成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于光热检测和光学显微的光学材料缺陷实时成像装置，包括用于放置样品的样品台，还包括光热检测系统和光学显微系统，所述光热检测系统包括泵浦光源、泵浦光聚焦装置、探测光源、探测光第一聚焦装置和探测装置，所述光学显微系统包括光学照明光源、光学照明光分束装置、光学照明光反射装置、泵浦光聚焦装置、成像透镜和成像装置。本发明将光热检测技术和光学显微技术结合在一起，有效地弥补了单一模式检测的不足，实现了双模态、多参数、易定位的检测，有利于拓宽光热检测技术和光学显微技术的应用；同时，本发明中光热检测系统和光学显微系统利用同一聚焦装置，减少了器件数量，缩小了装置的体积，降低了成本。

Description

基于光热检测和光学显微的光学材料缺陷实时成像装置
技术领域
本发明涉及光学材料缺陷检测技术领域，具体是一种基于光热检测和光学显微的光学材料缺陷实时成像装置。
背景技术
光学材料如薄膜样品或晶体材料的缺陷检测有很多种方法，光学显微技术、散射成像技术、光热检测技术等都可以实现光学材料的缺陷检测。光热检测技术是测量弱吸收的一种有效手段，具有灵敏度高、非接触式、不受样品表面或内部散射光的影响等优点。但是，传统的光热检测装置主要是靠人眼选择检测区域，更细微的标志无法分辨，因此，很有必要在光热检测装置中加一双“眼睛”，便于观察样品上需要检测的区域。光学显微技术，利用光学原理把人眼所不能分辨的微小物体放大成像，以供人们提取微细结构信息，观测样品的光学缺陷，但是，只能观测样品表面缺陷，无法观测样品内部缺陷。光热检测技术主要用于检测样品的吸收缺陷，包括表面和亚表面缺陷，是一种有效的缺陷检测技术。因此，有必要将光热检测和光学显微技术结合在一起，设计一种双模态的光学材料缺陷实时成像装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光热检测和光学显微的光学材料缺陷实时成像装置，解决目前光热检测技术无法观测样品检测区域、光学显微技术无法检测样品内部缺陷的问题。
本发明的技术方案为：
一种基于光热检测和光学显微的光学材料缺陷实时成像装置，包括用于放置样品的样品台以及分别与样品光路连接的泵浦光源、探测光源、光学照明光源和探测装置；
所述泵浦光源与样品之间设有泵浦光聚焦装置，所述探测光源与样品之间设有探测光第一聚焦装置，所述样品位于泵浦光聚焦装置和探测光第一聚焦装置的焦平面处；
所述光学照明光源与样品之间依次设有光学照明光分束装置和光学照明光反射装置，所述光学照明光反射装置设置在泵浦光源与泵浦光聚焦装置之间；
所述泵浦光源，用于输出泵浦光束，所述泵浦光束经过光学照明光反射装置透射后，再经过泵浦光聚焦装置聚焦在样品上；
所述探测光源，用于输出探测光束，所述探测光束经过探测光第一聚焦装置聚焦在样品上，且所述探测光束的聚焦光斑与泵浦光束的聚焦光斑重合；
所述光学照明光源，用于输出光学照明光束，所述光学照明光束依次经过光学照明光分束装置反射、光学照明光反射装置反射后，再经过泵浦光聚焦装置聚焦在样品上，且所述光学照明光束的聚焦光斑与泵浦光束和探测光束的聚焦光斑重合；从样品反射的光学照明光束依次经过泵浦光聚焦装置收集、光学照明光反射装置反射、光学照明光分束装置透射后，再经过成像透镜聚焦在成像装置上；
所述探测装置，用于接收从样品出射的探测光束，并对接收的探测光束传播特性的变化进行检测。
所述的基于光热检测和光学显微的光学材料缺陷实时成像装置，所述泵浦光源与光学照明光反射装置之间依次设有泵浦光斩波装置和泵浦光扩束装置。
所述的基于光热检测和光学显微的光学材料缺陷实时成像装置，所述探测光源与探测光第一聚焦装置之间设有探测光扩束装置，所述探测光第一聚焦装置与样品之间设有入射探测光偏转装置。
所述的基于光热检测和光学显微的光学材料缺陷实时成像装置，所述探测装置与样品之间设有出射探测光偏转装置。
所述的基于光热检测和光学显微的光学材料缺陷实时成像装置，所述探测装置包括依次设置的探测光第二聚焦装置、空间滤波装置、滤光装置和光电探测装置。
所述的基于光热检测和光学显微的光学材料缺陷实时成像装置，所述样品台配有调节装置，所述调节装置用于调节样品台的位置。
本发明的有益效果为：
由上述技术方案可知，本发明将光热检测技术和光学显微技术结合在一起，避免了传统的光热检测无法定位样品检测区域、光学显微无法识别材料内部缺陷的缺点，有效地弥补了单一模式检测的不足，实现了双模态、多参数、易定位的检测，有利于拓宽光热检测技术和光学显微技术的应用；同时，本发明中光热检测和光学显微利用同一聚焦装置，减少了器件数量，缩小了装置的体积，降低了成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明所述的探测装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。
如图1所示，一种基于光热检测和光学显微的光学材料缺陷实时成像装置，包括泵浦光源1、泵浦光斩波装置2、泵浦光扩束装置3、光学照明光反射装置4、泵浦光聚焦装置5、样品台6、探测光源7、探测光扩束装置8、探测光第一聚焦装置9、入射探测光偏转装置10、反射探测光偏转装置11、透射探测光偏转装置12、光学照明光源13、光学照明光分束装置14、成像透镜15、成像装置16和探测装置17。
其中，泵浦光源1、泵浦光斩波装置2、泵浦光扩束装置3、泵浦光聚焦装置5、探测光源7、探测光扩束装置8、探测光第一聚焦装置9、入射探测光偏转装置10、反射探测光偏转装置11、透射探测光偏转装置12和探测装置17等构成光热检测系统；光学照明光源13、光学照明光分束装置14、光学照明光反射装置4、泵浦光聚焦装置5、成像透镜15和成像装置16等构成光学显微系统。
样品台6用于放置样品，样品位于样品台6上泵浦光聚焦装置和探测光第一聚焦装置的焦平面处。
泵浦光源1依次通过泵浦光斩波装置2、泵浦光扩束装置3、光学照明光反射装置4和泵浦光聚焦装置5与样品光路连接。探测光源7依次通过探测光扩束装置8、探测光第一聚焦装置9和入射探测光偏转装置10与样品光路连接。光学照明光源13依次通过光学照明光分束装置14、光学照明光反射装置4和泵浦光聚焦装置5与样品光路连接。
样品依次通过泵浦光聚焦装置5、光学照明光反射装置4和光学照明光分束装置14和成像透镜15与成像装置16光路连接。样品通过反射探测光偏转装置11或透射探测光偏转装置12与探测装置17光路连接。如图2所示，探测装置17包括依次设置的探测光第二聚焦装置171、空间滤波装置172、滤光装置173和光电探测装置174。
本发明的各模块按次序依次连接在一起。泵浦光斩波装置2位于泵浦光扩束装置3前方，目的在于所有的泵浦光能量均通过泵浦光斩波装置2斩波。光学照明光反射装置4对泵浦光波段具有较高的透过率，对其它可见光波段具有较高的反射率。泵浦光聚焦装置5、探测光第一聚焦装置9、探测光第二聚焦装置171可选用聚焦透镜。光学照明光源13可选用LED照明光源，便于微型化，缩小整个装置的体积。成像装置16可选用CCD。样品台6配有调节装置可以检测一定尺寸范围内的样品。
本发明的工作原理：
泵浦光源1输出的泵浦光束依次经过泵浦光斩波装置2斩波、泵浦光扩束装置3扩束后，透过光学照明光反射装置4，再经过泵浦光聚焦装置5聚焦在样品上。探测光源2输出的探测光束依次经过探测光扩束装置8扩束、探测光第一聚焦装置9聚焦、入射探测光偏转装置10偏转后，与泵浦光束的聚焦光斑重合聚焦在样品上。光学照明光源13输出的光学照明光束依次经过光学照明光分束装置14反射、光学照明光反射装置4反射、泵浦光聚焦装置5聚焦后，与泵浦光束的聚焦光斑和探测光束的聚焦光斑重合聚焦在样品上。
从样品反射的光学照明光束依次经过泵浦光聚焦装置5收集、光学照明光反射装置4反射后，透过光学照明光分束装置14，再经过成像透镜15聚焦在成像装置16上。通过成像装置16可以观测探测光束的聚焦光斑的位置，便于选择待检测区域。本发明成像的基本原理是将泵浦光聚焦装置5同时作为光学显微系统的物镜，样品检测区域位于泵浦光聚焦装置5前焦点的位置，成前无限远虚像，然后再通过成像透镜15，让该无限远虚像聚焦在成像装置16（目镜或者CDD）上。
从样品反射或透射的探测光的变化由探测装置17接收，依次经过探测光第二聚焦装置171聚焦、空间滤波装置172滤波、滤光装置173滤光，最终由光电探测装置174（光电探测器）进行检测。设置空间滤波装置172的目的是使光电探测装置174仅接收由于样品热形变产生的探测光束传播特性的变化。滤光装置173的作用在于滤掉除探测光以外的杂散光和其它波长的光。光电探测装置174接收的信号再经过弱信号检测装置（锁相放大器）传输给计算机，经过信号分析和处理即可得到样品的光热吸收特性。
利用光热检测技术进行样品特性检测和分析的作为常见的方法是利用一束振幅经过调制的泵浦光束照射样品，样品由于热吸收产生热形变，同时利用一束探测光束经过样品热形变区域，探测光束传播特性的变化反映泵浦光引起的样品的热形变。
本发明中由于样品热形变产生的探测光束传播特性的变化可以是透射的探测光束传播特性的变化、反射的探测光束传播特性的变化，也可以是透射-反射的探测光束传播特性的变化，因此，本发明的探测光束传播特性的变化部分具体的检测装置可以是透射模式、反射模式或者透射-反射模式。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于光热检测和光学显微的光学材料缺陷实时成像装置，其特征在于：包括用于放置样品的样品台以及分别与样品光路连接的泵浦光源、探测光源、光学照明光源和探测装置；
所述泵浦光源与样品之间设有泵浦光聚焦装置，所述探测光源与样品之间设有探测光第一聚焦装置，所述样品位于泵浦光聚焦装置和探测光第一聚焦装置的焦平面处；
所述光学照明光源与样品之间依次设有光学照明光分束装置和光学照明光反射装置，所述光学照明光反射装置设置在泵浦光源与泵浦光聚焦装置之间；
所述泵浦光源，用于输出泵浦光束，所述泵浦光束经过光学照明光反射装置透射后，再经过泵浦光聚焦装置聚焦在样品上；
所述探测光源，用于输出探测光束，所述探测光束经过探测光第一聚焦装置聚焦在样品上，且所述探测光束的聚焦光斑与泵浦光束的聚焦光斑重合；
所述光学照明光源，用于输出光学照明光束，所述光学照明光束依次经过光学照明光分束装置反射、光学照明光反射装置反射后，再经过泵浦光聚焦装置聚焦在样品上，且所述光学照明光束的聚焦光斑与泵浦光束和探测光束的聚焦光斑重合；从样品反射的光学照明光束依次经过泵浦光聚焦装置收集、光学照明光反射装置反射、光学照明光分束装置透射后，再经过成像透镜聚焦在成像装置上；
所述探测装置，用于接收从样品出射的探测光束，并对接收的探测光束传播特性的变化进行检测。
2.根据权利要求1所述的基于光热检测和光学显微的光学材料缺陷实时成像装置，其特征在于：所述泵浦光源与光学照明光反射装置之间依次设有泵浦光斩波装置和泵浦光扩束装置。
3.根据权利要求1所述的基于光热检测和光学显微的光学材料缺陷实时成像装置，其特征在于：所述探测光源与探测光第一聚焦装置之间设有探测光扩束装置，所述探测光第一聚焦装置与样品之间设有入射探测光偏转装置。
4.根据权利要求1所述的基于光热检测和光学显微的光学材料缺陷实时成像装置，其特征在于：所述探测装置与样品之间设有出射探测光偏转装置。
5.根据权利要求1或4所述的基于光热检测和光学显微的光学材料缺陷实时成像装置，其特征在于：所述探测装置包括依次设置的探测光第二聚焦装置、空间滤波装置、滤光装置和光电探测装置。
6.根据权利要求1所述的基于光热检测和光学显微的光学材料缺陷实时成像装置，其特征在于：所述样品台配有调节装置，所述调节装置用于调节样品台的位置。
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