CN109211934A - 基于干涉显微的微球面缺陷检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于干涉显微的微球面缺陷检测装置及其检测方法，利用两个一致的显微物镜搭建改进的偏振型Linnik干涉显微系统，首次将凹球面反射镜作为标准参考镜，采用短相干激光器结合迈克尔逊干涉结构产生一对相位延迟的正交偏振光作为光源，通过匹配偏振型Linnik干涉仪干涉腔的相位差，补偿参考光与测试光之间的位相延迟，利用PZT空域移相采集四幅移相量依次相差的干涉图，通过移相算法求解得到表面缺陷的信息。本发明提出的装置成像质量好，条纹对比度高，且系统简单可靠，适用于不同直径的微球检测。

Description

基于干涉显微的微球面缺陷检测装置及其检测方法

技术领域

本发明属于表面缺陷检测领域，具体涉及一种基于干涉显微的微球面缺陷检测装置及其检测方法。

背景技术

微小球面作为最常用的元器件形态之一，被应用于航天、军事、工业、医疗等诸多领域，微小球面的表面面型精度对其性能有着至关重要的影响。尤其在惯性约束核聚变中的点火靶丸，其表面孤立缺陷的高度、横向宽度以及数量都受到严格限制。

传统技术对微小球面进行检测采用的原子力显微镜及共聚焦显微镜等手段，具有纵向测量精度高等优点，但其单次测量范围非常小，横向分辨率由扫描轨迹的疏密程度决定，检测效率也较低，检测精度受扫描机构运动误差影响严重，而且轨迹间的孤立缺陷点容易被遗漏。数字全息显微技术记录含有被观测物体波前信息的全息图，再通过计算机对所记录的全息图进行数值重建来得到被测物体的相位和振幅(光强)信息，进而完成数字三维重构，但其采用非共光路系统，光学元件多，质量难以保证，系统误差大，容易受环境振动干扰，样品的形貌信息获取需要采用无镜成像衍射反演技术，需将CCD靶面的振幅、相位分布映射成像到样品表面，计算复杂；相移衍射干涉技术利用单模光纤或小孔产生标准球面波作参考光进行干涉，但其并不直接对微球成像，待测微球尺寸变化时容易带来较大的系统误差。传统的干涉显微镜使用平面参考镜，对微球测量时有效视场较小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于干涉显微的微球面缺陷检测装置及其检测方法，能够避免特殊光学元件的使用，提高干涉对比度，保证不同直径样品测量时的成像质量。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于干涉显微的微球面缺陷检测装置，包括短相干激光器、半波片、直角棱镜、第一偏振分光棱镜、第一角锥棱镜、PZT移相器、第二角锥棱镜、延迟平移台、光纤耦合器、单模保偏光纤、光纤法兰、分光棱镜、对点毛玻璃、平移台、补偿镜、第二偏振分光棱镜、第一λ/4波片、第一显微物镜、第二λ/4波片、第二显微物镜、参考镜、偏振片、管镜和CCD相机。

直角棱镜的反射面与第一偏振分光棱镜的分光面平行，第一角锥棱镜设置于PZT移相器的运动端面上，第二角锥棱镜设置于延迟平移台上，光纤法兰、分光棱镜、对点毛玻璃设置在平移台上。

短相干激光器的出射激光经半波片垂直入射至直角棱镜，直角棱镜的反射面将其转向后入射至第一偏振分光棱镜，并与第一偏振分光棱镜的分光面呈45°角入射，在第一偏振分光棱镜的分光面分成偏振方向相互垂直的参考光与测量光，第一偏振分光棱镜的透射光作为参考光入射至第一角锥棱镜，经第一角锥棱镜反射的光再经第一偏振分光棱镜透射后入射至光纤耦合器；第一偏振分光棱镜的反射光作为测量光入射至第二角锥棱镜，经第二角锥棱镜反射后，再与第一偏振分光棱镜的分光面呈45°角入射至第一偏振分光棱镜，经第一偏振分光棱镜反射后入射至光纤耦合器。

偏振方向相互正交的测量光与参考光经光纤耦合器耦合入单模保偏光纤，通过光纤法兰出射，经过分光棱镜与补偿镜后入射至第二偏振分光棱镜，并与第二偏振分光棱镜的分光面呈45°角入射，测量光在第二偏振分光棱镜的分光面反射后依次经过第一λ/4波片、第一显微物镜到达被测微球表面，经被测微球反射后再经过第一显微物镜、第一λ/4波片到达第二偏振分光棱镜，其中一部分测量光经第二偏振分光棱镜的分光面反射后再经过补偿镜入射至分光棱镜，并与分光棱镜的分光面呈45°入射，经分光棱镜的分光面反射后汇聚在对点毛玻璃前表面，另一部分测量光透过第二偏振分光棱镜后依次经过偏振片、管镜到达CCD相机靶面，参考光透过第二偏振分光棱镜后依次经过第二λ/4波片、第二显微物镜到达参考镜表面，经参考镜反射后再经过第二显微物镜、第二λ/4波片到达第二偏振分光棱镜，其中一部分测量光透过第二偏振分光棱镜后经过补偿镜入射至分光棱镜，并与分光棱镜分光面呈45°入射，经分光棱镜的分光面反射后汇聚在对点毛玻璃前表面，另一部分测量光经过第二偏振分光棱镜的分光面反射后依次经过偏振片、管镜到达CCD相机靶面，并与测量光发生干涉。

一种基于干涉显微的微球面缺陷检测装置的检测方法，方法步骤如下：

步骤一、短相干激光器出射的线偏振光束经半波片调整偏振方向后，经直角棱镜反射，在第一偏振分光棱镜的分光面分成偏振方向相互垂直的参考光与测量光；

步骤二、依次调整待测微球、参考镜、平移台的位置；

步骤三、对延迟平移台进行调整使得参考光与测量光的相位延迟正好补偿参考臂与待测臂的光程差，使得测量光与参考光可以在CCD相机表面形成稳定的干涉图；

步骤四、对PZT移相器进行移动，CCD相机采集多帧干涉图进行解算，实现待测微球的单个子孔径表面缺陷检测。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)使用球面参考镜，有效视场较大，提高检测效率；(2)点源光路与成像光路分离，点源可移动，成像光路保持不变(CCD不需要移动)，点源移动不影响成像质量，保障了仪器在所有测量中具有相同的成像质量；(3)点源移动对参考光路和测试光路的波像差影响相同，误差互相抵消，有利于降低仪器的系统误差；(4)由于点源和成像光路分离，因此显微物镜的补偿镜可放置于成像光路外，降低了物镜的设计难度，保证更好的成像质量；(5)干涉光束能量有效利用，提高干涉对比度；(6)设置对点光路，粗调时容易做到点源和微球中心共轭；

附图说明

图1为本发明基于干涉显微的微球面缺陷检测装置的光路图。

图2为待测微球安装位置示意图。

图3为参考镜安装位置示意图。

图4为实施例中所测得微球表面三维形貌图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，一种基于干涉显微的微球面缺陷检测装置，它包括短相干激光器1、半波片2、直角棱镜3、第一偏振分光棱镜4、第一角锥棱镜5、PZT移相器6、第二角锥棱镜7、延迟平移台8、光纤耦合器9、单模保偏光纤10、光纤法兰11、分光棱镜12、对点毛玻璃13、平移台14、补偿镜15、第二偏振分光棱镜16、第一λ/4波片17、第一显微物镜18、待测微球19、第二λ/4波片20、第二显微物镜21、参考镜22、偏振片23、管镜24、CCD相机25。

直角棱镜3的反射面与第一偏振分光棱镜4的分光面平行，第一角锥棱镜5设置于PZT移相器6的运动端面上，第二角锥棱镜7设置于延迟平移台8上，光纤法兰11、分光棱镜12、对点毛玻璃13设置在平移台14上；

短相干激光器1的出射激光经半波片2垂直入射至直角棱镜3，直角棱镜3的反射面将其转向后入射至第一偏振分光棱镜4，并与第一偏振分光棱镜4的分光面呈45°角入射，在第一偏振分光棱镜4的分光面分成偏振方向相互垂直的参考光与测量光，第一偏振分光棱镜4的透射光作为参考光入射至第一角锥棱镜5，经第一角锥棱镜5反射的光再经第一偏振分光棱镜4透射后入射至光纤耦合器9；第一偏振分光棱镜4的反射光作为测量光入射至第二角锥棱镜7，经第二角锥棱镜7反射后，再与第一偏振分光棱镜4的分光面呈45°角入射至第一偏振分光棱镜4，经第一偏振分光棱镜4反射后入射至光纤耦合器9；

偏振方向相互正交的测量光与参考光经光纤耦合器9耦合入单模保偏光纤10，通过光纤法兰11出射，经过分光棱镜12与补偿镜15后入射至第二偏振分光棱镜16，并与第二偏振分光棱镜16的分光面呈45°角入射，测量光在第二偏振分光棱镜16的分光面反射后依次经过第一λ/4波片17、第一显微物镜18到达被测微球19表面，经被测微球19反射后再经过第一显微物镜18、第一λ/4波片17到达第二偏振分光棱镜16，其中一部分测量光经第二偏振分光棱镜16的分光面反射后再经过补偿镜15入射至分光棱镜12，并与分光棱镜12的分光面呈45°入射，经分光棱镜12的分光面反射后汇聚在对点毛玻璃13前表面，另一部分测量光透过第二偏振分光棱镜16后依次经过偏振片23、管镜24到达CCD相机25靶面，参考光透过第二偏振分光棱镜16后依次经过第二λ/4波片20、第二显微物镜21到达参考镜22表面，经参考镜22反射后再经过第二显微物镜21、第二λ/4波片20到达第二偏振分光棱镜16，其中一部分测量光透过第二偏振分光棱镜16后经过补偿镜15入射至分光棱镜12，并与分光棱镜12分光面呈45°入射，经分光棱镜12的分光面反射后汇聚在对点毛玻璃13前表面，另一部分测量光经过第二偏振分光棱镜16的分光面反射后依次经过偏振片23、管镜24到达CCD相机25靶面，并与测量光发生干涉。

所述对点毛玻璃13与光纤法兰11关于分光棱镜12的分光面共轭。

所述第一显微物镜18与第二显微物镜21、第一λ/4波片17与第二λ/4波片20分别关于第二偏振分光棱镜16的分光面共轭，从第一显微物镜18与第二显微物镜21出射的波前差异不超过λ/10。

所述补偿镜15使得从第一显微物镜18与第二显微物镜21出射的波前质量优于λ/2。

所述第一显微物镜18与第二显微物镜21为无限远矫正，管镜24焦距为200mm，CCD相机25靶面放置于管镜24后焦面处。

所述偏振片23偏振方向与水平方向成45°夹角，第一λ/4波片17与第二λ/4波片20快轴与水平方向成40°夹角。

结合图1，一种基于权利要求所述基于干涉显微的微球面缺陷检测装置的检测方法，方法步骤如下：

步骤一、短相干激光器1出射的线偏振光束经半波片2调整偏振方向后，经直角棱镜3反射，在第一偏振分光棱镜4的分光面分成偏振方向相互垂直的两束参考光与测量光。

步骤二、依次调整待测微球19、参考镜22、平移台14的位置。

步骤三、对延迟平移台8进行调整使得参考光与测量光的相位延迟正好补偿参考臂与测试臂的光程差，使得测量光与参考光可以在CCD相机25表面形成稳定的干涉图。

其中，参考臂是指由参考光经过的第一偏振分光棱镜4、第一角锥棱镜5、光纤耦合器9、单模保偏光纤10、光纤法兰11、分光棱镜12、补偿镜15、第二偏振分光棱镜16、第二λ/4波片20、第二显微物镜21、参考镜22、偏振片23、管镜24和CCD相机25组成的光路。

测试臂是指由测量光经过的第一偏振分光棱镜4、第二角锥棱镜7、光纤耦合器9、单模保偏光纤10、光纤法兰11、分光棱镜12、补偿镜15、第二偏振分光棱镜16、第一λ/4波片17、第一显微物镜18、参考镜22、偏振片23、管镜24和CCD相机25组成的光路。

步骤四、对PZT移相器6进行移动，CCD相机25采集多帧干涉图进行解算，实现待测微球19的表面缺陷检测；

结合图2和图3，上述步骤一中短相干激光器1中心波长为632.8nm，相干长度为100μm。上述步骤二中待测微球19曲率半径为Rt，第一显微物镜18与第二显微物镜21的工作距离为WD，参考镜22曲率半径为Rr，待测微球19顶点距第一显微物镜18后表面WD以在CCD相机25靶面上成像，调整平移台14使第一显微物镜18与第二显微物镜21出射的焦点位于球心位置，距第一显微物镜18与第二显微物镜21后表面WD+Rt，参考镜22球面顶点距第二显微物镜21后表面WD+Rt+Rr，使得对点毛玻璃13中心出现清晰且重合的两个光点。上述步骤四中PZT移相器6每次移动距离为79.1nm，采集四幅干涉图，并计算待测微球22表面高度信息：

其中H为待测微球22表面高度，I₁、I₂、I₃、I₄为四幅干涉图强度，λ为短相干激光器1中心波长。

图4为用本方法恢复的微球表面三维形貌分布，其中明显可见孤立缺陷，缺陷的大小、高度、形貌、位置均可得到。

综上所述，本发明通过搭建改进的Linnik型短相干偏振干涉系统，使用球面反射镜作为参考镜，实现对微球表面的缺陷检测。与传统微球表面缺陷检测方法相比提高了检测效率以及检测准确度，检测结果更为直观。

Claims (10)

1.一种基于干涉显微的微球面缺陷检测装置，其特征在于：包括短相干激光器(1)、半波片(2)、直角棱镜(3)、第一偏振分光棱镜(4)、第一角锥棱镜(5)、PZT移相器(6)、第二角锥棱镜(7)、延迟平移台(8)、光纤耦合器(9)、单模保偏光纤(10)、光纤法兰(11)、分光棱镜(12)、对点毛玻璃(13)、平移台(14)、补偿镜(15)、第二偏振分光棱镜(16)、第一λ/4波片(17)、第一显微物镜(18)、第二λ/4波片(20)、第二显微物镜(21)、参考镜(22)、偏振片(23)、管镜(24)和CCD相机(25)；

直角棱镜(3)的反射面与第一偏振分光棱镜(4)的分光面平行，第一角锥棱镜(5)设置于PZT移相器(6)的运动端面上，第二角锥棱镜(7)设置于延迟平移台(8)上，光纤法兰(11)、分光棱镜(12)、对点毛玻璃(13)设置在平移台(14)上；

短相干激光器(1)的出射激光经半波片(2)垂直入射至直角棱镜(3)，直角棱镜(3)的反射面将其转向后入射至第一偏振分光棱镜(4)，并与第一偏振分光棱镜(4)的分光面呈45°角入射，在第一偏振分光棱镜(4)的分光面分成偏振方向相互垂直的参考光与测量光，第一偏振分光棱镜(4)的透射光作为参考光入射至第一角锥棱镜(5)，经第一角锥棱镜(5)反射的光再经第一偏振分光棱镜(4)透射后入射至光纤耦合器(9)；第一偏振分光棱镜(4)的反射光作为测量光入射至第二角锥棱镜(7)，经第二角锥棱镜(7)反射后，再与第一偏振分光棱镜(4)的分光面呈45°角入射至第一偏振分光棱镜(4)，经第一偏振分光棱镜(4)反射后入射至光纤耦合器(9)；

偏振方向相互正交的测量光与参考光经光纤耦合器(9)耦合入单模保偏光纤(10)，通过光纤法兰(11)出射，经过分光棱镜(12)与补偿镜(15)后入射至第二偏振分光棱镜(16)，并与第二偏振分光棱镜(16)的分光面呈45°角入射，测量光在第二偏振分光棱镜(16)的分光面反射后依次经过第一λ/4波片(17)、第一显微物镜(18)到达被测微球(19)表面，经被测微球(19)反射后再经过第一显微物镜(18)、第一λ/4波片(17)到达第二偏振分光棱镜(16)，其中一部分测量光经第二偏振分光棱镜(16)的分光面反射后再经过补偿镜(15)入射至分光棱镜(12)，并与分光棱镜(12)的分光面呈45°入射，经分光棱镜(12)的分光面反射后汇聚在对点毛玻璃(13)前表面，另一部分测量光透过第二偏振分光棱镜(16)后依次经过偏振片(23)、管镜(24)到达CCD相机(25)靶面，参考光透过第二偏振分光棱镜(16)后依次经过第二λ/4波片(20)、第二显微物镜(21)到达参考镜(22)表面，经参考镜(22)反射后再经过第二显微物镜(21)、第二λ/4波片(20)到达第二偏振分光棱镜(16)，其中一部分测量光透过第二偏振分光棱镜(16)后经过补偿镜(15)入射至分光棱镜(12)，并与分光棱镜(12)分光面呈45°入射，经分光棱镜(12)的分光面反射后汇聚在对点毛玻璃(13)前表面，另一部分测量光经过第二偏振分光棱镜(16)的分光面反射后依次经过偏振片(23)、管镜(24)到达CCD相机(25)靶面，并与测量光发生干涉。

2.根据权利要求1所述的基于干涉显微的微球面缺陷检测装置，其特征在于：所述对点毛玻璃(13)与光纤法兰(11)关于分光棱镜(12)的分光面共轭。

3.根据权利要求1所述的基于干涉显微的微球面缺陷检测装置，其特征在于：所述第一显微物镜(18)与第二显微物镜(21)、第一λ/4波片(17)与第二λ/4波片(20)分别关于第二偏振分光棱镜(16)的分光面共轭，从第一显微物镜(18)与第二显微物镜(21)出射的波前差异不超过λ/10。

4.根据权利要求1所述的基于干涉显微的微球面缺陷检测装置，其特征在于：所述补偿镜(15)使得从第一显微物镜(18)与第二显微物镜(21)出射的波前质量优于λ/2；补偿镜(15)采用凸透镜。

5.根据权利要求1所述的基于干涉显微的微球面缺陷检测装置，其特征在于：所述第一显微物镜(18)与第二显微物镜(21)为无限远矫正，管镜(24)焦距为200mm，CCD相机(25)靶面放置于管镜(24)后焦面处。

6.根据权利要求1所述的基于干涉显微的微球面缺陷检测装置，其特征在于：所述偏振片(23)偏振方向与水平方向呈45°夹角，第一λ/4波片(17)与第二λ/4波片(20)快轴与水平方向呈40°夹角。

7.一种基于上述权利要求1-6中任意一项所述的基于干涉显微的微球面缺陷检测装置的检测方法，其特征在于，方法步骤如下：

步骤一、短相干激光器(1)出射的线偏振光束经半波片(2)调整偏振方向后，经直角棱镜(3)反射，在第一偏振分光棱镜(4)的分光面分成偏振方向相互垂直的参考光与测量光；

步骤二、依次调整待测微球(19)、参考镜(22)、平移台(14)的位置；

步骤三、对延迟平移台(8)进行调整使得参考光与测量光的相位延迟正好补偿参考臂与待测臂的光程差，使得测量光与参考光可以在CCD相机(25)表面形成稳定的干涉图；

步骤四、对PZT移相器(6)进行移动，CCD相机(25)采集多帧干涉图进行解算，实现待测微球(19)的单个子孔径表面缺陷检测。

8.根据权利要求7所述基于干涉显微的微球面缺陷检测装置的检测方法，其特征在于：步骤一中短相干激光器(1)中心波长为632.8nm，相干长度为100μm。

9.根据权利要求7所述基于干涉显微的微球面缺陷检测装置的检测方法，其特征在于：步骤二中待测微球(19)曲率半径为Rt，第一显微物镜(18)与第二显微物镜(21)的工作距离为WD，参考镜(22)曲率半径为Rr，待测微球(19)顶点距第一显微物镜(18)后表面WD以在CCD相机(25)靶面上成像，调整平移台(14)使第一显微物镜(18)与第二显微物镜(21)出射的焦点位于球心位置，距第一显微物镜(18)与第二显微物镜(21)后表面WD+Rt，参考镜(22)球面顶点距第二显微物镜(21)后表面WD+Rt+Rr，使得对点毛玻璃(13)中心出现清晰且重合的两个光点。

10.根据权利要求7所述基于干涉显微的微球面缺陷检测装置的检测方法，其特征在于：步骤四中PZT移相器(6)移动距离为79.1nm，采集四幅干涉图，并计算待测微球(22)表面高度信息：

其中H为待测微球(22)表面高度，I₁、I₂、I₃、I₄为四幅干涉图强度，λ为短相干激光器(1)中心波长。