CN109470710A - 基于同轴双圆锥透镜的暗场共焦亚表面检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同轴双圆锥透镜的暗场共焦亚表面检测装置和方法，点光源发出的光经准直镜形成平行光，平行光依次经扩束器、圆锥透镜一和圆锥透镜二形成环形光，环形光经分光棱镜和物镜汇聚至待测样品；待测样品发出的反射光和散射光依次经过物镜和分光棱镜，入射至探测互补光阑，反射光被探测互补光阑遮挡，散射光依次经过探测互补光阑、收集透镜和探测针孔，入射至光电探测器。本发明采用扩束器以及一组对称放置的同轴圆锥透镜实现占空比可调的环形光照明，结合探测互补光阑实现暗场共焦，解决了普通共焦显微技术检测亚表面损伤信噪比低、遮挡式环形光发生器占空比不可调、能量损失大的问题，适用于亚表面无损检测。

Description

基于同轴双圆锥透镜的暗场共焦亚表面检测装置和方法

技术领域

本发明涉及光学精密测量技术领域，更具体的说是涉及一种基于同轴双圆锥透镜占空比可变的暗场共焦亚表面无损检测装置和方法，可以实现从普通共焦显微系统到暗场共焦显微系统的变换，从而实现对亚表面损伤的精密测量。

背景技术

随着现代科学技术的迅速发展，光学材料得到了广泛的应用，特别是航空航天、国防、军工、信息、微电子与光电子等尖端科学方面成为一种不可缺少的重要材料。光学元件的应用日益广泛，对光学元件的表面质量提出的更高的要求，这就需要光学制造业具备超精密加工水平，尽可能保证光学元件的表面粗糙度和面型精度。光学元件的加工一般分为磨削、研磨和抛光阶段。磨削和研磨是光学元件成形加工，基本满足光学元件的面形尺寸和粗糙度；在成形加工过程中，工件材料的去除主要是脆性碎裂，因而材料的去除率高。在这个阶段加工元件不可避免的引入了裂纹、划痕和杂质等亚表层损伤。光学元件亚表层损伤不但影响了光学元件的长期稳定性、镀膜质量和面形精度，而且直接降低了光学系统的使用寿命、成像质量和抗激光损伤阈值等。

在强激光照射下，光学元件中存在的裂纹会引起光场强化，加工过程中引入的划痕会在材料内部形成集中的电磁场分布，容易引起自聚焦、电子崩离等，亚表层损伤中的杂质对激光能量的强烈吸收会造成局部高温，形成热应力，引起材料拉裂或者破碎。另外，光学元件的损伤点尺寸会随着照射数量的增加呈指数增长，并且产生强烈的散射和光束调制，从而严重影响光束的能量集中度，降低以至于丧失光学系统的性能。光学元件抗激光损伤能力低下已经成为拟制激光器提高能量密度的重要阻碍，所以研究缺陷诱导损伤，如何采用新的元件加工工艺以提高工作阈值是非常紧迫的任务。

普通共焦显微系统是利用光波散射的原理，根据散射光信号的强度分布来反映光学元件亚表层的缺陷信息。然而由于光学材料表面反射信号远远强于亚表面散射信号，导致信噪比降低，从而使测量精度降低甚至不可测。

因此，如何提供一种基于同轴双圆锥透镜的暗场共焦亚表面检测系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于同轴双圆锥透镜的暗场共焦亚表面检测装置和方法，解决了普通共焦显微技术检测亚表面损伤信噪比低、遮挡式环形光发生器占空比不可调、能量损失大的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于同轴双圆锥透镜的暗场共焦亚表面检测装置，包括：照明系统和探测系统；

所述照明系统包括点光源、准直镜、扩束器、圆锥透镜一、圆锥透镜二、分光棱镜和物镜；

所述点光源发出的光经所述准直镜后形成平行光，所述平行光依次经所述扩束器、所述圆锥透镜一和所述圆锥透镜二形成环形光，所述环形光依次经所述分光棱镜和所述物镜聚焦至待测样品上；

所述探测系统包括所述物镜、所述分光棱镜、探测互补光阑、收集透镜、探测针孔和光电探测器；

所述待测样品发出的反射光和散射光经所述物镜透射至所述分光棱镜后，入射至所述探测互补光阑，所述探测互补光阑遮挡所述反射光，且所述散射光依次经所述收集透镜和所述探测针孔入射至所述光电探测器；

所述照明系统和所述探测系统共用所述分光棱镜和所述物镜。

进一步的，所述照明系统还包括光学导轨，所述圆锥透镜一和所述圆锥透镜二同轴对称设置在所述光学导轨上，且通过调节所述圆锥透镜一和所述圆锥透镜二之间的距离改变所述环形光内径与外径的大小。

进一步的，所述探测互补光阑的直径与所述环形光内径相等。

进一步的，所述点光源为激光器。

基于同轴双圆锥透镜的暗场共焦亚表面检测方法，包括以下步骤：

步骤一：点光源发出的光，经过准直镜后形成平行光，所述平行光经所述扩束器改变直径后，依次经过圆锥透镜一和圆锥透镜二形成环形光，所述环形光经过分光棱镜后，由物镜聚焦至待测样品上；

步骤二：所述待测样品发出的反射光和散射光经所述物镜透射至所述分光棱镜后，入射至探测互补光阑，其中，所述反射光被所述探测互补光阑遮挡，所述散射光依次经收集透镜和探测针孔入射至光电探测器，完成亚表面检测。

进一步的，还包括光学导轨，所述圆锥透镜一和所述圆锥透镜二同轴对称放置在所述光学导轨上，且调节所述圆锥透镜一和所述圆锥透镜二之间的距离改变所述环形光内径与外径的大小。

进一步的，所述探测互补光阑的直径与所述环形光内径相等。

进一步的，所述点光源为激光器。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于同轴双圆锥透镜的暗场共焦亚表面检测装置和方法，具有以下优点：

1、设计简单，在普通共焦显微系统的基础上容易改造，使用方便。

2、本发明采用扩束器调节圆形激光直径，从而实现对环形光环带宽度的调节。

3、本发明采用光学导轨，将圆锥透镜一和圆锥透镜二对称放置在光学导轨上，便于调节圆锥透镜一和圆锥透镜二之间的距离，从而调节环形光外环与内环直径大小。

4、本发明采用成对圆锥透镜生成环形光，与遮挡式环形光发生器相比，圆锥透镜对将圆形光束中心部分的光移至环形光束外环上，能量损失极小，提高环形光光强，从而提高信噪比。

5、本发明在探测端加入探测互补光阑，与圆锥透镜对互补配对形成暗场，遮挡反射光，透过散射光，从而分离反射光和散射光，提高信噪比。

6、本发明检测方法适用于检测光学元件亚表面损伤。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的基于同轴双圆锥透镜的暗场共焦亚表面检测装置结构示意图。

其中，各部件表示：

1、点光源，2、准直镜，3、扩束器，4、圆锥透镜一，5、圆锥透镜二，6、光学导轨，7、分光棱镜，8、物镜，9、待测样品，10、探测互补光阑，11、收集透镜，12、探测针孔，13、光电探测器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种基于同轴双圆锥透镜的暗场共焦亚表面检测装置和方法。

其中，暗场共焦显微装置包括照明系统和探测系统；

照明系统包括点光源1、准直镜2、扩束器3、圆锥透镜一4、圆锥透镜二5、光学导轨6、分光棱镜7和物镜8；

点光源1发出的激光经准直镜2后形成平行光，平行光经过扩束器3改变直径后，依次经过圆锥透镜一4和圆锥透镜二5形成环形光，环形光依次经分光棱镜7和物镜8聚焦至待测样品9上；

探测系统包括物镜8、分光棱镜7、探测互补光阑10、收集透镜11、探测针孔12和光电探测器13；

待测样品9发出的反射光和散射光经物镜8透射至分光棱镜7后，入射至探测互补光阑10，散射光经收集透镜11、探测针孔12入射至光电探测器13；

照明系统和探测系统共用分光棱镜7和物镜8。

其中，点光源1为激光器，扩束器3可以改变光束直径，从而改变环形光占空比；

圆锥透镜一4和圆锥透镜二5对称同轴放置在光学导轨6上，将平行光整形为环形光，圆锥透镜一4和圆锥透镜二5与遮挡式环形光发生器相比，圆锥透镜对将圆形光束中心部分的光移至环形光外环上，能量损失极小，提高环形光光强，从而提高信噪比，完成对被测点照明；且调节圆锥透镜一4和圆锥透镜二5之间的距离，可以调节环形光内径与外径的大小；

探测互补光阑10遮挡反射光，透过散射光，与圆锥透镜一4和圆锥透镜二5结合形成暗场共焦显微系统。本发明中，探测互补光阑10的直径与环形光内径大小相等，从而可以遮挡反射光，透过散射光，区分反射光和散射光，提高信噪比。

一种基于同轴双圆锥透镜的暗场共焦亚表面检测方法包括以下步骤：

步骤一：激光器1发出激发光，经过准直镜2后形成平行光，平行光经过扩束器3改变直径后，依次经过圆锥透镜一4和圆锥透镜二5形成环形光，经过分光棱镜7，由物镜8将环形光聚焦至待测样品9上；

步骤二：待测样品9发出的反射光和散射光经物镜8透射至分光棱镜7后，入射至探测互补光阑10，散射光经收集透镜11、探测针孔12入射至光电探测器13，完成亚表面检测。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.基于同轴双圆锥透镜的暗场共焦亚表面检测装置，其特征在于，包括：照明系统和探测系统；

所述照明系统包括点光源(1)、准直镜(2)、扩束器(3)、圆锥透镜一(4)、圆锥透镜二(5)、分光棱镜(7)和物镜(8)；

所述点光源(1)发出的光经所述准直镜(2)后形成平行光，所述平行光依次经所述扩束器(3)、所述圆锥透镜一(4)和所述圆锥透镜二(5)形成环形光，所述环形光依次经所述分光棱镜(7)和所述物镜(8)聚焦至待测样品(9)上；

所述探测系统包括所述物镜(8)、所述分光棱镜(7)、探测互补光阑(10)、收集透镜(11)、探测针孔(12)和光电探测器(13)；

所述待测样品(9)发出的反射光和散射光经所述物镜(8)透射至所述分光棱镜(7)后，入射至所述探测互补光阑(10)，所述探测互补光阑(10)遮挡所述反射光，且所述散射光依次经所述收集透镜(11)和所述探测针孔(12)入射至所述光电探测器(13)；

所述照明系统和所述探测系统共用所述分光棱镜(7)和所述物镜(8)。

2.根据权利要求1所述的基于同轴双圆锥透镜的暗场共焦亚表面检测装置，其特征在于，所述照明系统还包括光学导轨(6)，所述圆锥透镜一(4)和所述圆锥透镜二(5)同轴对称设置在所述光学导轨(6)上，且通过调节所述圆锥透镜一(4)和所述圆锥透镜二(5)之间的距离改变所述环形光内径与外径的大小。

3.根据权利要求2所述的基于同轴双圆锥透镜的暗场共焦亚表面检测装置，其特征在于，所述探测互补光阑(10)的直径与所述环形光内径相等。

4.根据权利要求1所述的基于同轴双圆锥透镜的暗场共焦亚表面检测装置，其特征在于，所述点光源(1)为激光器。

5.基于同轴双圆锥透镜的暗场共焦亚表面检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：点光源(1)发出的光，经过准直镜(2)后形成平行光，所述平行光经所述扩束器(3)改变直径后，依次经过圆锥透镜一(4)和圆锥透镜二(5)形成环形光，所述环形光经过分光棱镜(7)后，由物镜(8)聚焦至待测样品(9)上；

步骤二：所述待测样品(9)发出的反射光和散射光经所述物镜(8)透射至所述分光棱镜(7)后，入射至探测互补光阑(10)，其中，所述反射光被所述探测互补光阑(10)遮挡，所述散射光依次经收集透镜(11)和探测针孔(12)入射至光电探测器(13)，完成亚表面检测。

6.根据权利要求5所述的基于同轴双圆锥透镜的暗场共焦亚表面检测方法，其特征在于，还包括光学导轨(6)，所述圆锥透镜一(4)和所述圆锥透镜二(5)同轴对称放置在所述光学导轨(6)上，且调节所述圆锥透镜一(4)和所述圆锥透镜二(5)之间的距离改变所述环形光内径与外径的大小。

7.根据权利要求6所述的基于同轴双圆锥透镜的暗场共焦亚表面检测方法，其特征在于，所述探测互补光阑(10)的直径与所述环形光内径相等。

8.根据权利要求5所述的基于同轴双圆锥透镜的暗场共焦亚表面检测方法，其特征在于，所述点光源(1)为激光器。