CN106770128A - 快速三维探测光学元件亚表面缺陷的检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速三维探测光学元件亚表面缺陷的检测装置及检测方法，装置包括水平的样品台和计算机，所述样品台连接高精度三维电动移动平台和压电陶瓷z向平移台，并能分别由二者驱动其运动，所述样品台内设有光学元件的样品；样品台下方设有激光器、图像采集单元，上方设有一共聚焦成像系统。本发明利用一束连续强激光辐照光学元件，元件亚表面缺陷容易受激光激发产生荧光，用高倍率荧光显微成像系统可实现荧光缺陷的二维扫描，获得元件亚表面缺陷的二维分布情况；定位荧光缺陷的位置，利用荧光共聚焦成像系统进行深度扫描，获得光学元件亚表面缺陷的深度分布情况，从而可以实现熔石英元件亚表面缺陷的快速三维测试。

Description

快速三维探测光学元件亚表面缺陷的检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测装置及方法，尤其涉及一种快速三维探测光学元件亚表面缺陷的检测装置及检测方法。

背景技术

为了获得最大输出，大型高功率/高能量激光装置都在接近于光学元件损伤阈值的通量下运行，因此光学元件损伤性能尤其重要，是决定这类激光装置输出能力的关键。目前高通量下光学元件的损伤问题大部分都可归结于光学元件亚表面各类缺陷，光学材料经过切割、研磨、抛光等过程加工成光学元件，尽管表面看起来近乎完美无瑕，粗糙度在1nm以下，但其表面和亚表面层不可避免存在亚表面微裂纹和杂质污染等微观缺陷。这些缺陷深度在几微米到数百微米，当激光辐照时会吸收激光能量导致局部材料高温进而引发损伤。研究表明利用氢氟酸刻蚀处理可以有效去除亚表层缺陷，从而大幅度提高光学元件的抗损伤性能，但氢氟酸深度刻蚀会影响光学元件面形、表面疵病及引发再次污染。因此精确有效的测量光学元件亚表层缺陷的三维分布情况是非常必要的，一方面可有利于优化研磨抛光工艺获得高效率加工工艺，另一方面可为酸刻蚀处理提供刻蚀深度等参数，为获得低缺陷高阈值光学元件提供技术支持。

有关光学元件亚表面缺陷的测试有很多，可以分为两大类：有损检测和无损检测。常用的有损检测技术有截面显微法、角度抛光法、逐层抛光刻蚀法、击坑显微法、磁流变抛光法、恒定化学刻蚀速率法等。这些方法都是通过物流或化学的方法将不同深度的缺陷暴露在外面，结合光学显微镜、扫描电镜、原子力显微镜等技术获取缺陷信息，这些方法尽管在加工行业普遍采用，但具有效率很低、有破坏性、信息也不全面等缺点。无损检测技术主要包括共聚焦荧光扫描显微技术、全内反射检测技术、光学相干层析技术、激光散射技术等。但共聚焦荧光扫描显微技术速度非常慢，很难实现光学元件亚表层缺陷的三维成像；光学相干层析技术精度太低，难以满足光学元件亚表面缺陷微观尺寸的要求；其它的方法也难以实现光学元件亚表面缺陷的三维成像。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，特别适用于大口径光学元件，能够快速完成光学元件亚表面微观缺陷的三维检测的一种快速三维探测光学元件亚表面缺陷的检测装置及检测方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种快速三维探测光学元件亚表面缺陷的检测装置，包括水平的样品台和计算机，所述样品台连接高精度三维电动移动平台和压电陶瓷z向平移台，并能分别由二者驱动其运动，所述样品台内设有光学元件的样品；

样品背面设有激光器和图像采集单元，正面设有共聚焦成像系统，激光经激光器发出后，依次经光束控制系统、高反射镜单元后投射在样品正面；

所述图像采集单元包括依次连接的CCD、高通滤波器和成像镜头，所述成像镜头正对样品上激光的投射处，用于采集激光投射在样品上激发的荧光图像，经高通滤波器滤波后成像到CCD；

所述共聚焦成像系统也正对样品上激光的投射处，用于采集样品表面经激光照射后产生的具有深度信息的荧光信号；

所述图像采集单元、共聚焦成像系统、高精度三维电动移动平台和压电陶瓷z向平移台均与计算机连接，所述计算机获取图像采集单元的图像信号，以及共聚焦成像系统采集的带深度信息的荧光信号进行处理，并控制高精度三维电动移动平台和压电陶瓷z向平移台运动。

作为优选：光路经高反射镜单元后投射在样品表面后的反射方向上，设有一用于吸收残余激光的残余激光收集器，所述高反射镜单元由数个高反射镜构成。

作为优选：所述共聚焦成像系统包括依次设置的光电倍增管、高通滤波器、带小孔的挡板和聚焦透镜组，且聚焦透镜组朝向样品。

作为优选：所述成像镜头上设有照明光源。

作为优选：所述激光器为发出的激光光源为单波长355nm连续激光，所述高通滤波器为360nm高通滤波器。

一种快速三维探测光学元件亚表面缺陷的检测装置的检测方法，包括以下步骤，

（1）在样品上找出一个能激发出荧光的标记点，标记点所在的面为正面；

（2）在照明光源下，安装样品，固定样品台，调节图像采集单元和共聚焦成像系统，使图像采集单元和共聚焦成像系统均能清晰成像到标记点处；

（3）关闭照明光源，开启激光器，调整高反射镜单元，使激光器产生的激光投射到标记点处激发出荧光，再调整激光器的输出功率，使激发的荧光能被CCD清晰探测到；

（4）设置样品台运动方向，在图像采集单元和共聚焦成像系统焦点连线的方向为Z方向，与Z方向垂直的方向为XY方向，调节样品台沿XY方向移动，对不同位置连续成像，由计算机获取图像并对图像进行拼接，得到荧光缺陷在XY二维方向上的分布区域；

（5）将荧光缺陷的区域划分为数个测试点，一一在测试点处定位，调节调节样品台沿Z方向移动，通过共聚焦成像系统采集样品表面经激光照射后产生的具有深度信息的荧光信号；

（6）计算机从具有深度信息的荧光信号中提取出深度信息，并与荧光缺陷的分布区域对应结合，获得光学元件亚表面缺陷的三维图像。

本发明中，激光器产生的激发光源为单波长355nm连续激光，实际上可根据材料缺陷特性选择其它波长，激光器的输出功率为100mW，利用光束控制系统、高反射镜单元控制光束到样品测试位置的面积和入射角度，并可根据测试样品信号的强弱控制测试位置的激发激光功率。

元件亚表面缺陷容易受激光激发产生荧光，当照射到缺陷位置时，产生荧光，由图像采集单元中的高倍率成像镜头成像到高灵敏度低噪声CCD，为了去除激发源散射光的影响，中间加入360nm（与激发光源波长匹配，刚好能去除激发激光为佳）高通滤波器。调节样品台XY方向位置，对不同位置连续成像，通过图像拼接实现大面积的二维测试。通过大面积的二维测试，我们可以得到二维方向上，荧光缺陷的分布区域，如此快速找出缺陷在二维方向上的分布。

再将荧光缺陷的区域划分为数个测试点，通过调节样品台XY方向位置，在测试点一一的定位，通过样品台的Z方向运动和共聚焦成像系统的采集，获得不同测试点处，带有深度信息的荧光信号。

本发明采用共聚焦成像系统实现Z方向上荧光信号的采集，是因为共聚焦成像系统中，聚焦透镜组由两块透镜组成，两块透镜的焦点分别在共聚焦成像系统的测试位置处和挡板的小孔处。共聚焦系统的作用，只有缺陷刚好位于测试位置处时，荧光信号才能通过小孔被光电倍增管探测到，而缺陷在测试位置之外时，荧光经过共聚焦系统会聚集在小孔之外，从而被挡板挡住不能被光电倍增管探测到。

例如：参见图2，图2为精抛光光学元件亚表层微缺陷特征图，光学元件表面为沉积层，非常光滑，沉积层以下为有一定厚度的破碎层，破碎层中有三处不同深度的微裂纹。从左到右深度依次为最深、最浅、中间。

当探测点位于最左边微裂纹时，共聚焦成像系统就能检测到荧光信号，且在整个微裂纹的深度范围内，均能检测到荧光信号，但是一旦超过微裂纹在该探测点的深度，则无法检测到荧光信号，所以这个临界深度，就是我们需要的该探测点的深度信息，通过调整样品台沿Z轴运动被获取到。

探测结束后，水平二维移动样品台至下一个探测点，此处假设从最左边微裂纹向中间的微裂纹方向移动，在移动过程中，两个微裂纹间的光滑区域是无法激发荧光信号的。当测试点移动到中间微裂纹处后，共聚焦成像系统再次检测到荧光信号，并再次调整样品台沿Z轴运动至该点处微裂纹的临界深度，获得此测试点的深度信息。依此类推，我们可以获得整个二维荧光缺陷的区域内的深度信息。

而此时Z轴的运动数据，就包含了缺陷的深度信息，小孔的作用是去除离焦位置的荧光信号以获得精准的深度信息，360nm高通滤波器的作用是去除散射激光，最后具有一定深度信息的荧光信号由高灵敏度光电倍增管探测。

样品台的运动，由高精度三维电动移动平台和压电陶瓷z向平移台共同驱动，压电陶瓷Z向平移台控制系统可实现十纳米量级的步长，通过该系统进行Z向调节，结合图像处理系统，可获得百纳米量级精度、数十微米深度的荧光缺陷分布情况。

最终利用图像处理软件重构功能，将所测试的光学元件亚表面缺陷表层信息和深度信息结合在一起，即可获得光学元件亚表面缺陷的三维图像。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明为一种无损测试装置和测试方法，先通过快速的二维测试获得光学元件亚表面缺陷的二维信息，在此基础上确定光学元件亚表面缺陷位置，针对该位置进行深度扫描测试，获得光学元件亚表面缺陷的深度信息，利用图像处理分析的方法将二者结合，从而获得光学元件亚表面缺陷的三维成像。其探测精度将远高于光学相干层析技术的精度，其探测速度将远远高于相同精度下常规共聚焦荧光显微技术的速度。

本发明可快速、高分辨无损探测光学元件亚表面缺陷的三维信息，为低缺陷高激光损伤阈值光学元件制造工艺优化奠定检测技术基础。本发明不仅仅可用于光学元件的亚表面缺陷检测，还可用于其它透明元件抛光加工引起的亚表层缺陷检测。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为精抛光光学元件亚表层微缺陷特征图。

图中：1、激光器；2、光束控制系统；3、高反射镜单元；4、样品；5、残余激光收集器；6、成像镜头；7、高通滤波器；8、CCD；9、聚焦透镜组；10、挡板；11、照明光源；12、光电倍增管；13、三维电动移动平台；14、压电陶瓷z向平移台；15、计算机；16、杂质；17、微裂纹。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1，一种快速三维探测光学元件亚表面缺陷的检测装置，包括水平的样品4台和计算机15，所述样品4台连接高精度三维电动移动平台13和压电陶瓷z向平移台14，并能分别由二者驱动其运动，所述样品4台内设有光学元件的样品4；

样品4背面设有激光器1和图像采集单元，正面设有共聚焦成像系统，激光经激光器1发出后，依次经光束控制系统2、高反射镜单元3后投射在样品4正面；

所述图像采集单元包括依次连接的CCD8、高通滤波器7和成像镜头6，所述成像镜头6正对样品4上激光的投射处，用于采集激光投射在样品4上激发的荧光图像，经高通滤波器7滤波后成像到CCD8；

所述共聚焦成像系统也正对样品4上激光的投射处，用于采集样品4表面经激光照射后产生的具有深度信息的荧光信号；

所述图像采集单元、共聚焦成像系统、高精度三维电动移动平台13和压电陶瓷z向平移台14均与计算机15连接，所述计算机15获取图像采集单元的图像信号，以及共聚焦成像系统采集的带深度信息的荧光信号进行处理，并控制高精度三维电动移动平台13和压电陶瓷z向平移台14运动。

本实施例中，光路经高反射镜单元3后投射在样品4表面后的反射方向上，设有一用于吸收残余激光的残余激光收集器5，所述高反射镜单元3由数个高反射镜构成，所述共聚焦成像系统包括依次设置的光电倍增管12、高通滤波器7、带小孔的挡板10和聚焦透镜组9，且聚焦透镜组9朝向样品4，所述成像镜头6上设有照明光源11，所述激光器1为发出的激光光源为单波长355nm连续激光，所述高通滤波器7为360nm高通滤波器7。

其中，光束控制系统2主要用于控制激发激光光束在样品4位置的大小和强度，以测试不同荧光强度的样品4，荧光信号较强的样品4，可选用较弱的光较大的尺寸。需要检测的光学元件的样品4结构图参见图2，样品4表面分为沉积层和破碎层，破碎层中有很多微裂纹17，沉积层和破碎层均含有杂质16。

一种快速三维探测光学元件亚表面缺陷的检测装置的检测方法，包括以下步骤，

（1）在样品4上找出一个能激发出荧光的标记点，标记点所在的面为正面；

（2）在照明光源11下，安装样品4，固定样品4台，调节图像采集单元和共聚焦成像系统，使图像采集单元和共聚焦成像系统均能清晰成像到标记点处；

（3）关闭照明光源11，开启激光器1，调整高反射镜单元3，使激光器1产生的激光投射到标记点处激发出荧光，再调整激光器1的输出功率，使激发的荧光能被CCD8清晰探测到；

（4）设置样品4台运动方向，在图像采集单元和共聚焦成像系统焦点连线的方向为Z方向，与Z方向垂直的方向为XY方向，调节样品4台沿XY方向移动，对不同位置连续成像，由计算机15获取图像并对图像进行拼接，得到荧光缺陷在XY二维方向上的分布区域；

（5）将荧光缺陷的区域划分为数个测试点，一一在测试点处定位，调节调节样品4台沿Z方向移动，通过共聚焦成像系统采集样品4表面经激光照射后产生的具有深度信息的荧光信号；例如，此处荧光缺陷对应一微裂纹17，共聚焦成像系统在整个微裂纹17的深度范围内，都能检测到荧光信号，但是一旦超过微裂纹17在该探测点的深度，则无法检测到荧光信号；

（6）计算机15从具有深度信息的荧光信号中提取出深度信息，并与荧光缺陷的分布区域对应结合，获得光学元件亚表面缺陷的三维图像，提取深度信息是，刚好无法探测到荧光信号的那个临界深度，就是我们需要的该探测点的深度信息。

本发明中，激光器1产生的激发光源为单波长355nm连续激光，实际上可根据材料缺陷特性选择其它波长，激光器1的输出功率为100mW，利用光束控制系统2、高反射镜单元3控制光束到样品4测试位置的面积和入射角度，并可根据测试样品4信号的强弱控制测试位置的激发激光功率。

本发明的优势在于：二维信息的获取通过面扫描的方式，深度信息的获取通过点扫描的方式，点、面结合得到三维数据，且数据精确，检测速度快。

Claims (6)

1.一种快速三维探测光学元件亚表面缺陷的检测装置，其特征在于：包括水平的样品台和计算机，所述样品台连接高精度三维电动移动平台和压电陶瓷z向平移台，并能分别由二者驱动其运动，所述样品台内设有光学元件的样品；

样品背面设有激光器和图像采集单元，正面设有共聚焦成像系统，激光经激光器发出后，依次经光束控制系统、高反射镜单元后投射在样品正面；

所述图像采集单元包括依次连接的CCD、高通滤波器和成像镜头，所述成像镜头正对样品上激光的投射处，用于采集激光投射在样品上激发的荧光图像，经高通滤波器滤波后成像到CCD；

所述共聚焦成像系统也正对样品上激光的投射处，用于采集样品表面经激光照射后产生的具有深度信息的荧光信号；

所述图像采集单元、共聚焦成像系统、高精度三维电动移动平台和压电陶瓷z向平移台均与计算机连接，所述计算机获取图像采集单元的图像信号，以及共聚焦成像系统采集的带深度信息的荧光信号进行处理，并控制高精度三维电动移动平台和压电陶瓷z向平移台运动。

2.根据权利要求1所述的快速三维探测光学元件亚表面缺陷的检测装置，其特征在于：光路经高反射镜单元后投射在样品表面后的反射方向上，设有一用于吸收残余激光的残余激光收集器，所述高反射镜单元由数个高反射镜构成。

3.根据权利要求1所述的快速三维探测光学元件亚表面缺陷的检测装置，其特征在于：所述共聚焦成像系统包括依次设置的光电倍增管、高通滤波器、带小孔的挡板和聚焦透镜组，且聚焦透镜组朝向样品。

4.根据权利要求1所述的快速三维探测光学元件亚表面缺陷的检测装置，其特征在于：所述成像镜头上设有照明光源。

5.根据权利要求1所述的快速三维探测光学元件亚表面缺陷的检测装置，其特征在于：所述激光器为发出的激光光源为单波长355nm连续激光，所述高通滤波器为360nm高通滤波器。

6.根据权利要求1所述的快速三维探测光学元件亚表面缺陷的检测装置的检测方法，其特征在于：包括以下步骤，

（1）在样品上找出一个能激发出荧光的标记点，标记点所在的面为正面；

（2）在照明光源下，安装样品，固定样品台，调节图像采集单元和共聚焦成像系统，使图像采集单元和共聚焦成像系统均能清晰成像到标记点处；

（3）关闭照明光源，开启激光器，调整高反射镜单元，使激光器产生的激光投射到标记点处激发出荧光，再调整激光器的输出功率，使激发的荧光能被CCD清晰探测到；

（4）设置样品台运动方向，在图像采集单元和共聚焦成像系统焦点连线的方向为Z方向，与Z方向垂直的方向为XY方向，调节样品台沿XY方向移动，对不同位置连续成像，由计算机获取图像并对图像进行拼接，得到荧光缺陷在XY二维方向上的分布区域；

（5）将荧光缺陷的区域划分为数个测试点，一一在测试点处定位，调节调节样品台沿Z方向移动，通过共聚焦成像系统采集样品表面经激光照射后产生的具有深度信息的荧光信号；

（6）计算机从具有深度信息的荧光信号中提取出深度信息，并与荧光缺陷的分布区域对应结合，获得光学元件亚表面缺陷的三维图像。