CN106645173A - 一种检测表面缺陷的散射光高效收集装置及收集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种检测表面缺陷的散射光高效收集装置及收集方法，收集装置包括抛物线散射光收集器，所述抛物线散射光收集器具有抛物线焦点F1，待测缺陷位于抛物线焦点F1处，待测缺陷的散射光经过抛物线散射光收集器内表面和位于抛物线散射光收集器中心的第一透镜准直后平行射出，射出的光经过设置在抛物线散射光收集器上方的第一透镜聚焦进入散射光探测器并被探测，散射光探测器设置在第二透镜光射出方向的焦点处。将经过散射光收集器的缺陷点的散射光全部收集到散射光探测器中，具有更高的收集效率、系统信噪比和检测灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及激光散射表面缺陷检测技术领域，特别是一种针对超光滑表面微小缺陷散射光的高效收集装置及方法，可以显著提高激光点扫描和激光线扫描时缺陷散射光的收集效率和系统信噪比。
背景技术
超光滑表面元器件在微光机电系统、激光聚变系统、激光器谐振腔、探测器芯片、大规模集成电路基片和半导体制造等为主的光电子产业领域都有广泛的应用。以激光聚变系统为例，光学元件表面的微小缺陷（如划痕和麻点）一方面会由于散射降低激光的能量利用率，另一方面会造成激光能量的沉积，通过热吸收效应造成激光损伤和破坏，极大限制了核心元器件的激光损伤阈值，降低了系统的性能。因此，对超光滑表面微小缺陷的定量检测是需要迫切解决的问题。
目前国内外超光滑表面微小缺陷检测方法主要包括：目视法、显微成像法、激光散射测量法。目视法主要通过人工观察，具有主观性、无法量化、分辨率低、检测结果不可靠的缺点。显微成像法（参考文献CN1563957A）通过暗场光源照明和显微光学CCD成像系统结合对被测表面进行成像和拼接，实现了量化检测，但是检测速度慢，后续数字化处理时间长。激光散射测量法由于其高灵敏度被广泛用于半导体检测中，该方法通过光收集器将被测表面产生的散射激光收集到探测器中。根据瑞利散射理论，探测器距离缺陷点越近，散射光强越大，即探测器相对于缺陷点的散射截面越大。因此，尽可能增加探测器相对于缺陷点的散射截面是提高检测灵敏度的一种有效手段。参考文献CN201220019507.8采用了一种积分球的散射光收集装置，积分球内表面涂有高反射率的漫反射材料，缺陷点产生的各个方向的散射光通过积分球的开口进入积分球进行多次漫反射达到均匀化，其中一部分散射光最终被设置在积分球一侧的散射光电探测器接收。该方法通过积分球将缺陷点产生的散射光尽可能多地收集起来，间接增加了探测器相对于缺陷点的散射截面，但是积分球中只有一部分光能进入散射光探测器。进入散射光探测器的光强与进入积分球中的总光强比值等于散射光探测器面积与积分球内表面有效面积的比值，通常这个比值在10-3的量级，因此散射光收集效率有限。
发明内容
为克服以上缺陷，本发明公开了一种高效的散射光收集装置及收集方法，该方法基于抛物线基本原理，可极大提高散射光收集效率和系统信噪比。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
一种检测表面缺陷的散射光高效收集装置，包括抛物线散射光收集器，所述抛物线散射光收集器具有抛物线焦点F1，待测缺陷位于抛物线焦点F1处，待测缺陷的散射光经过抛物线散射光收集器内表面和位于抛物线散射光收集器中心的第一透镜准直后平行射出，射出的光经过设置在抛物线散射光收集器上方的第一透镜聚焦进入散射光探测器并被探测，散射光探测器设置在第二透镜光射出方向的焦点处。
进一步地，第一透镜光射入方向的焦点位置与抛物线焦点F1重合。
进一步地，所述待测缺陷为点缺陷，所述抛物线散射光收集器为抛物线圆面面散射光收集器1，以及与抛物线圆面面散射光收集器1对应的第一圆面透镜2、第二圆面透镜3和点形散射光探测器4。
进一步地，所述待测缺陷为线缺陷，所述抛物线散射光收集器为抛物线柱面散射光收集器5以及与抛物线柱面散射光收集器5对应的第一柱面透镜6、第二柱面透镜7和线阵散射光探测器8。
进一步地，所述第一透镜和第二透镜均为凸透镜。
进一步地，所述抛物线散射光收集器具体为其内部轮廓具有抛物线形截面的中心旋转对称的结构，材料为玻璃材质或者金属材质，内部镀有高反膜材料。
进一步地，所述散射光探测器为高灵敏度的光电二极管或者光电倍增管。
进一步地，所述抛物线散射光收集器与第二透镜口径相等，同时抛物线散射光收集器的口径大于第一透镜的口径。
进一步地，抛物线焦点F1与第一透镜工作距离等于第一透镜的焦距，散射光探测器与第二透镜的工作距离等于第二透镜的焦距。
一种检测表面缺陷的散射光高效收集方法，采用所述的散射光高效收集装置，其特征在于所述散射光高效收集方法包括以下步骤，
（1）激光照射在位于抛物线焦点F1处的待测缺陷上，得到散射光；
（2）散射光经过抛物线散射光收集器内表面和位于抛物线散射光收集器中心的第一透镜准直后平行射出；
（3）射出的光经过设置在抛物线散射光收集器上方的第二透镜聚焦进入散射光探测器并被探测。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明公开了一种高效的散射光收集装置及收集方法，该方法基于抛物线基本原理，可极大提高散射光收集效率和系统信噪比，通过将抛物线的特性应用于光学原理上，得到适用于激光点扫描和激光线扫描缺陷检测方法的散射光收集器设计方法。将经过散射光收集器的缺陷点或线散射光全部收集到散射光探测器中，与传统的积分球收集方式相比，具有更高的收集效率、系统信噪比和检测灵敏度。本发明实现了超光滑表面微小缺陷的定量检测，待检测的表面缺陷点的大小从微米至纳米级均可以被检查出来。
附图说明
图1是本发明中抛物线定义和抛物线切线与法线性质示意图；
图2是本发明中用于激光点扫描的抛物线散射光收集器原理示意图；
图3是本发明中用于激光线扫描的抛物线柱状散射光收集器原理示意图。
具体实施方式
下述实施例是对于本发明内容的进一步说明以作为对本发明技术内容的阐释，但本发明的实质内容并不仅限于下述实施例所述，本领域的普通技术人员可以且应当知晓任何基于本发明实质精神的简单变化或替换均应属于本发明所要求的保护范围。
本发明公开了一种高效的散射光收集方法及装置，该方法基于抛物线基本原理，可极大提高散射光收集效率和系统信噪比。
如图1所示，根据抛物线定义：平面内到定点F1与定直线CD距离相等的点Q的轨迹叫做抛物线。其中定点F1叫抛物线的焦点。定直线CD叫抛物线的准线。焦点F1到椭圆上任意点Q的线段叫点Q的焦半径。过焦点F1并与准线CD垂直的直线叫做抛物线的轴。再根据抛物线切线和法线的性质：经过抛物线上一点Q作一条直线平行于抛物线的轴，则经过点Q的法线平分这条直线和这一点的焦半径的夹角。根据以上定义和性质，假设抛物线焦点F1为一理想点光源，从点光源F1发出的任意方向的光束交抛物线于Q点，则从Q点经抛物线反射的光束必平行于抛物线的轴。根据上述推论，将图1中抛物线的实线部分轮廓作为光束收集器内反射表面，将焦点F1作为点光源，则点光源发出的各个方向的光束经过光束收集器反射，均可以平行出射。
检测表面缺陷的散射光高效收集装置，包括抛物线散射光收集器，所述抛物线散射光收集器具有抛物线焦点F1，待测缺陷位于抛物线焦点F1处，待测缺陷的散射光经过抛物线散射光收集器内表面和位于抛物线散射光收集器中心的第一透镜准直后平行射出，射出的光经过设置在抛物线散射光收集器上方的第一透镜聚焦进入散射光探测器并被探测，散射光探测器设置在第二透镜光射出方向的焦点处，第一透镜光射入方向的焦点位置与抛物线焦点F1重合，第一透镜和第二透镜均为凸透镜。所述抛物线散射光收集器具体为其内部轮廓具有抛物线形截面的中心旋转对称的结构，材料为玻璃材质或者金属材质，内部镀有高反膜材料。所述散射光探测器为高灵敏度的光电二极管或者光电倍增管。所述抛物线散射光收集器与第二透镜口径相等，同时抛物线散射光收集器的口径大于第一透镜的口径。抛物线焦点F1与第一透镜工作距离等于第一透镜的焦距，散射光探测器与第二透镜的工作距离等于第二透镜的焦距，第一透镜与第二透镜的工作距离任意。
当待测缺陷为点缺陷时，所述抛物线散射光收集器为抛物线圆面面散射光收集器（1），以及与抛物线圆面面散射光收集器（1）对应的第一圆面透镜（2）、第二圆面透镜（3）和点形散射光探测器（4）。
根据图1表达的原理，结合图2所示，对于激光点扫描的表面点缺陷检测方法，将表面缺陷点的散射光看成是理想点光源发出的光束。该点光源位于抛物线圆面面散射光收集器（1）的焦点F1处，则与被测表面法线夹角较大的表面缺陷点的散射光经过抛物线圆面面散射光收集器（1）内表面反射后均平行出射。而与被测表面法线夹角较小的表面缺陷点的散射光则通过设置在抛物线圆面面散射光收集器（1）中心的第一圆面透镜（2）平行出射，其中点F1是该透镜的焦点。在抛物线圆面面散射光收集器（1）正上方设置第二透镜，将所有平行出射的散射光聚焦于第二透镜的焦点处。在第二圆面透镜（3）的焦点处设置点形散射光探测器（4），则所有经过抛物线圆面面散射光收集器（1）平行出射的散射光均被点形散射光探测器（4）收集。
当待测缺陷为线缺陷时，所述抛物线散射光收集器为抛物线柱面散射光收集器（5）以及与抛物线柱面散射光收集器（5）对应的第一柱面透镜（6）、第二柱面透镜（7）和线阵散射光探测器（8）。
根据图1表达的原理，结合图3所示，对于激光线扫描的表面缺陷检测方法，将表面缺陷点的散射光看成是理想线光源发出的光束。抛物线柱面散射光收集器（5）为一柱状结构，抛物线柱面散射光收集器（5）的横截面为图1所示的部分抛物线轮廓。该抛物线轮廓的焦点F1设置于激光聚焦线所在的直线上。在抛物线柱面散射光收集器（5）中心设置第一柱面透镜（6）。激光聚焦线所在的直线上若有缺陷，则与被测样品表面法线夹角较大的缺陷点散射光可以通过抛物线柱面散射光收集器（5）的抛物线轮廓反射后平行出射，而与被测样品表面法线夹角较小的缺陷点散射光可以通过位于抛物线柱面散射光收集器（5）中心的第一柱面透镜（6）平行出射。在抛物线柱面散射光收集器（5）正上方设置第二柱面透镜（7），将所有平行出射的散射光聚焦于第二柱面透镜（7）的焦线处。第二柱面透镜（7）的焦线处设置线阵散射光探测器（8），则所有经过抛物线柱面散射光收集器（5）平行出射的散射光均被线阵散射光探测器（8）收集。
本发明中散射光探测器为实现光电转换的器件，实现该功能的装置包括但不限于光电二极管、电荷耦合元件、光电倍增管。
本发明中线阵散射光探测器为实现光电转换的器件，实现该功能的装置包括但不限于光电二极管阵列、电荷耦合元件阵列、光电倍增管阵列。
本发明的优点是通过将抛物线的特性应用于光学原理上，得到适用于激光点扫描和激光线扫描缺陷检测方法的散射光收集器设计方法。将经过散射光收集器的缺陷点散射光全部收集到散射光探测器中，与传统的积分球收集方式相比，具有更高的收集效率、系统信噪比和检测灵敏度。
Claims (10)
1.一种检测表面缺陷的散射光高效收集装置，其特征在于，包括抛物线散射光收集器，所述抛物线散射光收集器具有抛物线焦点F1，待测缺陷位于抛物线焦点F1处，待测缺陷的散射光经过抛物线散射光收集器内表面和位于抛物线散射光收集器中心的第一透镜准直后平行射出，射出的光经过设置在抛物线散射光收集器上方的第一透镜聚焦进入散射光探测器并被探测，散射光探测器设置在第二透镜光射出方向的焦点处。
2.根据权利要求1所述的一种检测表面缺陷的散射光高效收集装置，其特征在于，第一透镜光射入方向的焦点位置与抛物线焦点F1重合。
3.根据权利要求1或2所述的一种检测表面缺陷的散射光高效收集装置，其特征在于，所述待测缺陷为点缺陷，所述抛物线散射光收集器为抛物线圆面面散射光收集器（1），以及与抛物线圆面面散射光收集器（1）对应的第一圆面透镜（2）、第二圆面透镜（3）和点形散射光探测器（4）。
4.根据权利要求1或2所述的一种检测表面缺陷的散射光高效收集装置，其特征在于，所述待测缺陷为线缺陷，所述抛物线散射光收集器为抛物线柱面散射光收集器（5）以及与抛物线柱面散射光收集器（5）对应的第一柱面透镜（6）、第二柱面透镜（7）和线阵散射光探测器（8）。
5.根据权利要求1所述的一种检测表面缺陷的散射光高效收集装置，其特征在于，所述第一透镜和第二透镜均为凸透镜。
6.根据权利要求1所述的一种检测表面缺陷的散射光高效收集装置，其特征在于，所述抛物线散射光收集器具体为其内部轮廓具有抛物线形截面的中心旋转对称的结构，材料为玻璃材质或者金属材质，内部镀有高反膜材料。
7.根据权利要求1所述的一种检测表面缺陷的散射光高效收集装置，其特征在于，所述散射光探测器为高灵敏度的光电二极管或者光电倍增管。
8.根据权利要求1所述的一种检测表面缺陷的散射光高效收集装置，其特征在于，所述抛物线散射光收集器与第二透镜口径相等，同时抛物线散射光收集器的口径大于第一透镜的口径。
9.根据权利要求1所述的一种检测表面缺陷的散射光高效收集装置，其特征在于，抛物线焦点F1与第一透镜工作距离等于第一透镜的焦距，散射光探测器与第二透镜的工作距离等于第二透镜的焦距。
10.一种检测表面缺陷的散射光高效收集方法，采用权利要求1-9任一项所述的散射光高效收集装置，其特征在于所述散射光高效收集方法包括以下步骤，
（1）激光照射在位于抛物线焦点F1处的待测缺陷上，得到散射光；
（2）散射光经过抛物线散射光收集器内表面和位于抛物线散射光收集器中心的第一透镜准直后平行射出；
（3）射出的光经过设置在抛物线散射光收集器上方的第二透镜聚焦进入散射光探测器并被探测。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170510 |