CN108802056B - 光学元件位相型缺陷测量装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种光学元件位相型缺陷测量装置及检测方法。该装置包括：光源，沿光源的光束传播方向依次放置样品台、显微放大系统、分光系统和探测系统。本发明具有装置简单、成本低、操作方便等优点，可测量光学元件位相型缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件，特别是一种光学元件位相型缺陷测量装置及检测方法。
背景技术
在光学元件中位相型缺陷是常见的缺陷之一，其振幅透过率均匀，仅对光束相位进行调制，会导致光束会聚，在大功率激光作用下光学元件易损伤，影响激光系统的输出能力及性能的进一步提升。因此开展光学元件位相型缺陷的检测技术研究，准确评价光学元件是否存在位相型缺陷，指导相关制造加工工艺的改进，提升光学元件抗激光损伤性能是很必要的。
基于双点干涉法的位相型缺陷检测技术(参见在先技术1，戚子文、刘炳国、张仲海等，双点干涉法位相型缺陷检测中的解相算法比较，中国光学，9(4)，2016)主要采用两个单模光纤分别提供参考光和测试光。不放置光学元件时，两光束发生双缝干涉，形成等间距条纹；当放置待测光学元件时，参考光通过不含位相型缺陷的部分，测试光通过存在位相型缺陷的部分，根据干涉条纹的变化获得缺陷引入的相位分布。该方法主要基于传统干涉测量原理，难以实现较小尺度位相型缺陷的高分辨测量，抗干扰能力差。
基于优化改进横向剪切干涉和数字全息的缺陷检测技术(参见在先技术2，[Kwang-Beom Seo and Seung-Ho Shin,Optical modified lateral shearinginterferometer for submicro-defects measurement of transparent objects,56(27),2017)主要采用平行平板和显微成像系统，由于前后表面反射光束都携带缺陷信息，通过优化系统参数控制平行平板前后表面反射光的局部重叠区域大小，使局部重叠区域内一束反射光作为参考光，另外一束反射光作为测试光，实现亚微米级深度的缺陷检测。该方法的纵向测量范围较低，难以测量较深的缺陷，并且反射式光路的调节难度较大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提出一种光学元件位相型缺陷测量装置及检测方法，根据测量得到的差分相位信息，计算得到光学元件中位相型缺陷的尺寸信息及导致的相位误差。
本发明的技术解决方案如下，
一种光学元件位相型缺陷测量装置，其特点在于包括激光光源，沿该激光光源光束的传播方向依次是样品台、显微放大系统、分光系统和探测系统；
所述的激光光源提供准平行光；
所述的样品台供待测光学元件置放及其位置及角度调节，使所述的待测光学元件处于所述的显微放大系统的物方视场上；
所述的显微放大系统用于放大待测光学元件的测试区域；
所述的分光系统包括光栅，所述的光栅置于光栅位移控制台上并处于所述的显微放大系统和探测器之间；
所述的探测系统包括探测器，所述的探测器置于探测器位移控制台上并处于所述的分光系统后方。
所述的显微放大系统是由放大倍率不同的物镜和目镜组成，圆形光源照明时，其物方分辨率Ro由激光光源的波长λ和物镜的数值孔径NA按下式确定，
Ro＝0.61λ/NA。
所述的光栅的周期为T，光栅与探测器之间的距离为z，横向平移量S由下列公式确定：
S＝λz/T。
所述的光栅是振幅光栅、相位光栅、振幅光栅与相位光栅的组合结构，或其他光栅。
所述的探测器是照相机、CCD、CMOS图像传感器、PEEM、或二维光电探测器阵列。
利用上述光学元件位相型缺陷测量装置对光学元件位相型缺陷的检测方法，其特点在于该方法包含下列步骤：
①将待测光学元件放置在所述的样品台上；
②使用样品台调节所述的待测光学元件的位置及角度，使待测光学元件经过显微放大系统后在探测器上得到清晰的像；
③使用样品台沿垂直光束传播方向移开所述的待测光学元件，使用分光系统位移控制台将分光系统移入测试光路，并沿光束传播方向移动分光系统，将光栅与探测器之间的间距调整为预先设定量，获得干涉图I0，根据测量装置的测试视场尺寸及待测光学元件的尺寸确定测试区域的总数量M，令第i个测试区域记为si，其中i＝1、2、3、...、M；
④通过样品台移动待测光学元件，使激光光源的光束经过待测光学元件的第1个测试区域s1，使用所述的探测器记录测试区域s1的干涉图I1；
⑤重复步骤④，通过样品台移动待测光学元件，使激光光源的光束经过待测光学元件的第i个测试区域si，使用探测器记录该测试区域si的干涉图Ii，直到完成整个待测光学元件的测试，共得到M+1个测试区域的干涉图I0、I1、I2、...、IM；
⑥使用现有的傅里叶变换法处理每个测试区域的干涉图I0、I1、I2、...、IM，分别获得每个干涉图中的差分相位信息，并且从I1、I2、...、IM干涉图获得的差分相位信息中消除干涉图I0对应的差分相位信息，从而消除激光光源、显微放大系统、分光系统和探测系统等引入的差分相位信息，得到待测光学元件每个测试区域在x和y方向的差分相位信息
⑦使用高通滤波处理测试区域的差分相位信息分别获得第i个测试区域中第j个差分相位信息突变的初始坐标(Xij0、Yij0)和截止坐标(Xij1、Yij1)，其中j＝1、2、3、...、N，N表示每个测试区域内差分相位信息突变的总个数，计算得到每个位相型缺陷尺寸(dxij，dyij)，其中dxij＝(Xij1-Xij0)、dyi＝(Yij1-Yij0)；
⑧使用现有的差分Zernike多项式拟合法，根据差分相位信息重建，获得每个测试区域的相位信息/>根据差分相位信息突变的初始坐标(Xij0、Yij0)和截止坐标(Xij1、Yij1)，从相位信息/>中得到每个位相型缺陷导致的相位误差/>
与在先技术相比，本发明具有以下优点，
1.与在先技术[1]相比，本发明具有抗环境干扰、横向分辨率高等优点，可实现光学元件位相型缺陷的横向高空间分辨测量。
2.与在先技术[2]相比，本发明具有装置简单、成本低、纵向测量范围大等优点，可实现位相型缺陷的纵向高空间分辨测量。
附图说明
图1是本发明光学元件位相型缺陷测量装置的光路示意图；
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明光学元件位相型缺陷测量装置的光路示意图，由图可见，本发明光学元件位相型缺陷测量装置，包括激光光源1，沿该激光光源1光束的传播方向依次是样品台2、显微放大系统3、分光系统4和探测系统5；
所述的激光光源1提供准平行光；
所述的样品台2供待测光学元件6置放及其位置及角度调节，使所述的待测光学元件6处于所述的显微放大系统3的物方视场上；
所述的显微放大系统3用于放大待测光学元件6的测试区域；
所述的分光系统4包括光栅401，所述的光栅401置于光栅位移控制台402上并处于所述的显微放大系统3和探测器5之间；
所述的探测系统5包括探测器501，所述的探测器501置于探测器位移控制台502上并处于所述的分光系统4的后方。
所述的显微放大系统3是由放大倍率不同的物镜和目镜组成，圆形光源照明时，其物方分辨率Ro由激光光源1的波长λ和物镜的数值孔径NA按下式确定，
Ro＝0.61λ/NA。
所述的光栅401的周期为T，光栅401与探测器501之间的距离为z，横向平移量S由下列公式确定：
S＝λz/T。
实施例
所述的激光光源1提供准平行光，波长λ为632.8nm。
所述的光栅401是振幅光栅与相位光栅的组合结构，光栅周期为90μm。
所述的探测器501是CCD，用于记录干涉图，像素尺寸为2.2μm×2.2μm，位移控制台502用于控制探测器501的移动。
圆形光源照明，其物方分辨率Ro(R＝2.97μm)由激光光源的波长λ(λ＝632.8nm)和物镜的数值孔径NA(NA＝0.13)按下式确定，
Ro＝0.61λ/NA；
横向平移量S(S＝7.03μm)由光栅周期T(T＝90μm)和光栅与探测器之间的距离为z(z＝1mm)按下列公式确定：
S＝λz/T。
利用上述光学元件位相型缺陷测量装置对光学元件位相型缺陷的检测方法，包含下列步骤：
①将待测光学元件6放置在所述的样品台2上；
②使用样品台2调节所述的待测光学元件6的位置及角度，使待测光学元件6经过显微放大系统3后在探测器501上得到清晰的像；
③使用样品台2沿垂直光束传播方向移开所述的待测光学元件6，使用分光系统位移控制台402将分光系统4移入测试光路，并沿光束传播方向移动分光系统4，将光栅401与探测器501之间的间距调整为1mm，获得干涉图I0，根据测量装置的测试视场尺寸及待测光学元件6的尺寸确定测试区域的总数量M(M＝1)，记为s1；
④控制样品台2移动待测光学元件6的测试区域，使激光光源1的光束经过测试区域s1，使用探测器501记录测试区域s1的干涉图I1；
⑤使用现有的傅里叶变换法处理干涉图I0、I1，分别获得每个干涉图中的差分相位信息，并且将从I1中获得的差分相位信息中消除干涉图I0对应的差分相位信息，从而消除激光光源1、显微放大系统3、分光系统4和探测系统5等引入的差分相位信息，得到待测光学元件6测试区域在x和y方向的差分相位信息
⑥使用高通滤波处理测试区域的差分相位信息获得第1个测试区域中第j个差分相位信息突变的初始坐标(X1j0、Y1j0)和截止坐标(X1j1、Y1j1)，其中j＝1、2、3，分别计算得到每个位相型缺陷尺寸(dx1j，dy1j)，其中dx1j＝(X1j1-X1j0)、dy1j＝(Y1j1-Y1j0)；
⑦使用现有的差分Zernike多项式拟合法根据差分相位信息重建，获得测试区域的相位信息/>根据差分相位信息突变的初始坐标(X1j0、Y1j0)和截止坐标(X1j1、Y1j1)，从相位信息/>中得到每个位相型缺陷导致的相位误差/>
⑧根据步骤⑥和⑦得到位相型缺陷的尺寸信息及导致的相位误差。
实验表明，本发明提高了光学元件位相型缺陷检测的横向分辨率及纵向测量范围，获得位相型缺陷的尺寸信息及导致的相位误差，消除了系统误差，提高了检测精度。
Claims (4)
1.一种光学元件位相型缺陷测量装置，其特征在于包括激光光源(1)，沿该激光光源(1)光束的传播方向依次是样品台(2)、显微放大系统(3)、分光系统(4)和探测系统(5)；
所述的激光光源(1)提供准平行光；
所述的样品台(2)供待测光学元件(6)置放及其位置及角度调节，使所述的待测光学元件(6)处于所述的显微放大系统(3)的物方视场上；
所述的显微放大系统(3)用于放大待测光学元件(6)的测试区域；
所述的分光系统(4)包括光栅(401)，所述的光栅(401)置于光栅位移控制台(402)上并处于所述的显微放大系统(3)和探测系统(5)之间；
所述的探测系统(5)包括探测器(501)，所述的探测器(501)置于探测器位移控制台(502)上并处于所述的分光系统(4)后方；
所述的显微放大系统(3)是由放大倍率不同的物镜和目镜组成，圆形光源照明时，其物方分辨率Ro由激光光源(1)的波长λ和物镜的数值孔径NA按下式确定，Ro＝0.61λ/NA；
所述的光栅(401)的周期为T，光栅(401)与探测器(501)之间的距离为z，横向平移量S由下列公式确定：
S＝λz/T。
2.根据权利要求1所述的光学元件位相型缺陷测量装置，其特征在于所述的光栅(401)是振幅光栅、相位光栅、振幅光栅与相位光栅的组合结构，或其他光栅。
3.根据权利要求1所述的光学元件位相型缺陷测量装置，其特征在于所述的探测器(501)是照相机、CCD、CMOS图像传感器、PEEM、或二维光电探测器阵列。
4.利用权利要求1所述的光学元件位相型缺陷测量装置对光学元件位相型缺陷的检测方法，其特征在于该方法包含下列步骤：
①将待测光学元件(6)放置在所述的样品台(2)上；
②使用样品台(2)调节所述的待测光学元件(6)的位置及角度，使待测光学元件(6)经过显微放大系统(3)后在探测器(501)上得到清晰的像；
③使用样品台(2)沿垂直光束传播方向移开所述的待测光学元件(6)，使用分光系统位移控制台(402)将分光系统(4)移入测试光路，并沿光束传播方向移动分光系统(4)，将光栅(401)与探测器(501)之间的间距调整为预先设定量，获得干涉图I0，根据测量装置的测试视场尺寸及待测光学元件(6)的尺寸确定测试区域的总数量M，令第i个测试区域记为si，其中i＝1、2、3、…、M；
④通过控制样品台(2)移动待测光学元件(6)，使激光光源(1)的光束经过第1个测试区域s1，使用所述的探测器(501)记录第1个测试区域s1的干涉图I1；
⑤重复步骤④，通过控制样品台(2)移动待测光学元件(6)，使激光光源(1)的光束经过待测光学元件(6)的第i个测试区域si，使用探测器(501)记录该测试区域si的干涉图Ii，直到完成整个待测光学元件的测试，得到M+1个测试区域的干涉图I0、I1、I2、…、IM；
⑥使用现有的傅里叶变换法处理每个测试区域的干涉图I0、I1、I2、…、IM，分别获得每个干涉图中的差分相位信息，并且从I1、I2、…、IM干涉图获得的差分相位信息中消除干涉图I0对应的差分相位信息，从而消除激光光源(1)、显微放大系统(3)、分光系统(4)和探测系统(5)等引入的差分相位信息，得到待测光学元件(6)每个测试区域在x和y方向的差分相位信息
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