CN109708854A - 基于波前测量的光学元件缺陷检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于波前测量的光学元件缺陷检测装置和检测方法，利用相位恢复算法可以重建得到波前分布的特点，结合空间定位，通过测量有无元件时的相位变化，来实现低分辨率下对大范围尺寸内元件缺陷的快速筛查和在小范围尺度内缺陷的高精密测量，同时利用波前数值传播，本发明不仅可以得到缺陷的振幅、相位分布，而且可以对缺陷的轴向空间位置进行确定。

Description

基于波前测量的光学元件缺陷检测装置和检测方法

技术领域

本发明涉及光学元件，特别是一种基于波前测量的光学元件缺陷检测装置和检测方法。

背景技术

光学元件相位型缺陷不可避免，它是光学元件材料生长、加工或者镀膜过程中产生的一种缺陷，相位缺陷通常有两类，一类是光学元件表面的凹坑、凸起、杂质、膜层缺陷等，一类是光学元件自身特性的改变，如折射率不均匀或者厚度不均匀等。相位缺陷，具有振幅透过率均匀的特点，激光通过该种缺陷，光强不会发生变化，但是相位会被调制。因此在不同领域，特别是高功率激光驱动器中，光学元件缺陷的精密测量与控制是极为重要的研究内容，相位缺陷在传统成像系统中对比度很弱，故很难用传统的检测设备来探测，特别是随着光学元件尺寸的增大，大口径光学元件的相位缺陷检测则更是一个国际性难题。

大口径光学元件由于尺度较大，通常需要先通过初步筛查，再精密测量的方式获得，美国劳伦斯利弗莫尔实验室(参见T.G.Parham,S.Azevedo,J.Chang,A.Conder,G.Heestand,M.Henesian,L.Kegelmeyer,J.Liebman,K.Manes,M.Norton,M.Nostrand,P.Wegner,W.Williams,P.K.Whitman,and S.Yang,"Large aperture opticsperformance,"(2009).)采用线扫描微分成像方式对缺陷位置进行初步筛查后，利用移相干涉检测相位缺陷引入的相位的大小，线扫描(范星诺,姜有恩,李学春.基于线扫描相位差分成像的光学元件激光损伤快速检测技术[J].中国激光,2013,40(9):191-195.)的基本原理是采用侧面照明的暗场成像，但该方法操作复杂，每次检测之前需重新调试线光源到离轴的某个合适位置，以满足系统成像对比度的要求，需要专业的技术人员进行指定操作，有一定的人工误差，并且检测结果受照明光的变化影响较大，重复性较差；同时，采用线光源虽然提高了检测的效率，但是对于光源轴向强烈对称或者沿扫描方向相位差分很小的相位缺陷来说是无法检测的，因为元件单向扫描会出现一定比例的漏检；而移相干涉检测主要利用干涉法对特定小区域缺陷相位分布进行测量，该方法结构简单，不会引入其他元件的缺陷干扰，但也存在以下不足(马云,陈磊,朱文华,刘一鸣,and李建欣,"用于相位缺陷检测的动态泰曼干涉仪,"中国激光44(12)(2017).)：1)要求缺陷的分布稀疏，相邻缺陷之间的间距不得小于12mm；2)视场小，1次只能测视场中的1个相位缺陷；3)需要采用无镜成像技术，将CCD靶面的振幅、相位分布映射成像到样品表面，计算复杂；4)不能抵抗环境扰动等。因此目前现有元件缺陷筛查和测量技术还面临诸多不足。

发明内容

本发明针对上述现有技术在光学元件缺陷测量领域的不足，提出一种基于波前测量的光学元件缺陷检测装置和检测方法，利用相位恢复算法可以重建得到波前分布的特点，结合空间定位，通过测量有无元件时的相位变化，来实现低分辨率下对大范围尺寸内元件缺陷的快速筛查和在小范围尺度内缺陷的高精密测量，同时利用波前数值传播，不仅可以得到缺陷的振幅、相位分布，而且可以对缺陷的轴向空间位置进行确定。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于波前测量的光学元件缺陷检测装置，其构成包括：激光光源、分束器、第一准直扩束器、第一可变光阑、多维精密平移系统、会聚透镜、第一波前测量系统、反射镜、第二准直扩束器，第二可变光阑，显微放大系统、第二波前测量系统、待测元件、计算机、第一偏振片和第二偏振片，其特点在于，沿所述的激光光源的激光输出方向是分束器，该分束器将入射光分为透射光和反射光，在透射光方向依次是第一偏振片、第一准直扩束器、第一可变光阑、多维精密平移系统、会聚透镜、第二偏振片和第一波前测量系统，所述的第一波前测量系统的光斑探测器靶面根据算法不同位于所述的会聚透镜的焦平面、焦前或者焦后，所述的第一偏振片、第一准直扩束器、第一可变光阑、会聚透镜、第二偏振片和第一波前测量系统构成大口径缺陷筛查系统，沿所述的反射光方向依次是所述的反射镜、第二准直扩束器、第二可变光阑、多维精密平移系统、显微放大系统、第二波前测量系统，所述的第二波前测量系统的光斑探测器靶面根据算法不同位于所述的显微放大系统的焦平面、焦前或者焦后，所述的第二准直扩束器、第二可变光阑、显微放大系统和第二波前测量系统构成小口径缺陷精密检测系统，所述的待测元件固定在所述的多维精密平移系统上，该多维精密平移系统可将待测元件在大口径缺陷筛查系统和小口径缺陷精密检测系统之间精密切换，所述的计算机的输出端分别与所述的多维精密平移系统、第一波前测量系统、第二波前测量系统的控制端相连，所述的多维精密平移系统、第一波前测量系统、第二波前测量系统的输出端与所述的计算机的输入端相连。

利用上述基于波前测量的光学元件缺陷检测装置进行光学元件缺陷的检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)打开激光光源，选择合适的第一可变光阑、第二可变光阑的口径，调整第一偏振片和第二偏振片的角度，使两个偏振片偏振方向相同，整个光路无待测样品时，利用第一波前测量系统测量对应的入射波前复振幅分布，并利用衍射理论将其逆向传播到会聚透镜所在平面，得到会聚透镜的出射波前复振幅分布同理利用第二波前测量系统测量所述的显微放大系统的出射波前，得到显微放大系统的像面的复振幅分布

2)将标志物体，如标准分辨率板放置在所述的多维精密平移系统上，利用第一波前测量系统对标志物体进行成像测量，同时利用多维精密平移系统将其平移至第二可变光阑和显微放大系统之间，利用第二波前测量系统对标志物体进行成像测量，并记录平移的平移量，通过特征点匹配将多维精密平移系统、第一波前测量系统、第二波前测量系统所确定的三个空间坐标系进行统一，完成坐标校准；

3)从所述的多维精密平移系统取走所述的标志物体，将待测样品固定在所述的多维精密平移系统上，将待测样品平移至第一可变光阑和会聚透镜之间，根据待测样品口径和第一可变光阑的口径大小，选择合适的扫描步长，利用所述的多维精密平移系统对待测样品在垂直于光轴平面上二维平移n次(n≥1)，使第一可变光阑的出射光完整扫描待测样品，每扫描一个位置都利用第一波前测量系统对待测样品的透射波前复振幅进行测量，每次测量对应的会聚透镜的出射波前为同之间的相位差即为待测样品所引入的相位变化，通过搜索中的相位突变位置，确定待测样品缺陷的空间坐标；

4)根据所述的缺陷的空间坐标位置，依次将每个缺陷所在区域移动到第二可变光阑出射光的中心，利用第二波前测量系统测量经过显微放大系统放大后的波前复振幅分布，得到待测样品经过显微放大系统放大后像面位置的复振幅分布考虑到待测样品上的缺陷分布在轴向可能会有变动，需要通过数值传播微调像面位置，得到高分辨率的包括振幅和相位的缺陷分布图其中和分别是存在和不存在待测样品时，经过轴向位置调整后的显微放大系统成像面上的波前复振幅分布；

5)通过分析的振幅和相位信息，得到待测样品上不同缺陷的相关信息，包括振幅、相位分布、轴向位置，完成对待测样品的高精度测量和标定。

本发明的技术效果：

1)本装置结构简单，仅利用相位恢复算法作为核心测量手段，理论上能到达到衍射极限，不需要参考光，抗干扰能力强。

2)能够对大口径光学元件缺陷位置进行快速筛查，对缺陷位置定位后，可对缺陷进行高精密复振幅测量

3)能够对缺陷信息进行量值化多维度测量，不仅能够测量缺陷振幅和相位信息，而且可以利用衍射理论进行数值传播，对缺陷的轴向位置进行定位，数值化的测量结果为缺陷的参数分析提供了强有力的数据支持。

附图说明

图1是本发明基于波前测量的光学元件缺陷检测装置示意图

图2是实施例1对应的波前测量系统装置图

图3是实施例2对应的波前测量系统装置图

图4是实施例3对应的波前测量系统装置图

图中，1-激光光源、2-分束器、3-第一准直扩束器、4-第一可变光阑、5-多维精密平移系统、6-会聚透镜、7-第一波前测量系统、8-反射镜、9-第二准直扩束器，10-第二可变光阑，11-显微放大系统、12-第二波前测量系统、13-待测元件、14-计算机、15-第一偏振片、16-第二偏振片、17-波前测量系统待测入射光、18-生物样品、19-光斑探测器、20-多维平移台、21-振幅型样品、22-相位板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明基于波前测量的光学元件缺陷检测装置示意图，由图可见，本发明基于波前测量的光学元件缺陷检测装置，其构成包括：激光光源1、分束器2、第一准直扩束器3、第一可变光阑4、多维精密平移系统5、会聚透镜6、第一波前测量系统7、反射镜8、第二准直扩束器9，第二可变光阑10，显微放大系统11、第二波前测量系统12、待测元件13、计算机14、第一偏振片15和第二偏振片16，其特点在于，沿所述的激光光源1的激光输出方向是分束器2，该分束器2将入射光分为透射光和反射光，在所述的透射光方向依次是第一偏振片15、第一准直扩束器3、第一可变光阑4、多维精密平移系统5、会聚透镜6、第二偏振片16和第一波前测量系统7，所述的第一波前测量系统7的光斑探测器靶面根据算法不同位于所述的会聚透镜6的焦平面、焦前或者焦后，所述的第一偏振片15、第一准直扩束器3、第一可变光阑4、会聚透镜6、第二偏振片16和第一波前测量系统7构成大口径缺陷筛查系统，沿所述的反射光方向依次是所述的反射镜8、第二准直扩束器9、第二可变光阑10、多维精密平移系统5、显微放大系统11、第二波前测量系统12，所述的第二波前测量系统12的光斑探测器靶面根据算法不同位于所述的显微放大系统11的焦平面、焦前或者焦后，所述的第二准直扩束器9、第二可变光阑10、显微放大系统11和第二波前测量系统12构成小口径缺陷精密检测系统，所述的待测元件13固定在所述的多维精密平移系统5上，该多维精密平移系统5可将待测元件13在大口径缺陷筛查系统和小口径缺陷精密检测系统之间精密切换，所述的计算机14的输出端分别与所述的多维精密平移系统5、第一波前测量系统7、第二波前测量系统12的控制端相连，所述的多维精密平移系统5、第一波前测量系统7、第二波前测量系统12的输出端与所述的计算机14的输入端相连。

利用上述基于波前测量的光学元件缺陷检测装置进行光学元件缺陷的检测方法，包括以下步骤：

1)打开激光光源1，选择合适的第一可变光阑4、第二可变光阑10的口径，调整第一偏振片15和第二偏振片16的角度，使两个偏振片偏振方向相同，整个光路无待测样品时，利用第一波前测量系统7测量对应的入射波前复振幅分布，并利用衍射理论将其逆向传播到会聚透镜6所在平面，得到会聚透镜6的出射波前复振幅分布同理利用第二波前测量系统12测量所述的显微放大系统11的出射波前，得到显微放大系统11的像面的复振幅分布

2)将标志物体，如标准分辨率板，放置在所述的多维精密平移系统5上，利用第一波前测量系统7对标志物体进行成像测量，同时利用多维精密平移系统5将所述的标志物体平移至第二可变光阑10和显微放大系统11之间，利用第二波前测量系统12对标志物体进行成像测量，并记录平移的平移量，通过特征点匹配将多维精密平移系统5、第一波前测量系统7、第二波前测量系统12所确定的三个空间坐标系进行统一，完成坐标校准；

3)从所述的多维精密平移系统5取走所述的标志物体，将待测样品13固定在所述的多维精密平移系统5上，将待测样品13平移至第一可变光阑4和会聚透镜6之间，根据待测样品13口径和第一可变光阑4的口径大小，选择合适的扫描步长，利用所述的多维精密平移系统5对待测样品13在垂直于光轴平面上二维平移n次(n≥1)，使第一可变光阑4的出射光完整扫描待测样品13，每扫描一个位置都利用第一波前测量系统7对待测样品13的透射波前复振幅进行测量，每次测量对应的会聚透镜6的出射波前为同之间的相位差即为待测样品13所引入的相位变化，通过搜索中的相位突变位置，确定待测样品13缺陷的空间坐标；

4)根据所述的缺陷的空间坐标位置，依次将每个缺陷所在区域移动到第二可变光阑10出射光的中心，利用第二波前测量系统12测量经过显微放大系统11放大后的波前复振幅分布，得到待测样品13经过显微放大系统11放大后像面位置的复振幅分布考虑到待测样品13上的缺陷分布在轴向可能会有变动，需要通过数值传播微调像面位置，得到高分辨率的包括振幅和相位的缺陷分布图其中和分别是存在和不存在待测样品13时，经过轴向位置调整后的显微放大系统11成像面上的波前复振幅分布；

5)通过分析的振幅和相位信息，得到待测样品13上不同缺陷的相关信息，包括振幅、相位分布、轴向位置，完成对待测样品13的高精度测量和标定。

实施例1

采用如图2所示的测量光路作为第一波前测量系统和第二波前测量系统，波前测量系统待测入射光17经过生物样品18后到达光斑探测器19，光斑探测器19和生物样品18位于焦点之后，同时生物样品18固定于多维平移台20上，当多维平移台20对生物样品18进行精密二维平移时，记录对应的衍射光斑，利用标准的ePIE(extended ptychographiciterative engine)算法对波前测量系统待测入射光17进行重建，可得到波前测量系统待测入射光的波前复振幅分布，实现波前测量。

实施例2

采用如图3所示的测量光路作为第一波前测量系统和第二波前测量系统，波前测量系统待测入射光17经过振幅型样品21后到达位于焦点附近的光斑探测器19，同时记录部分饱和衍射光斑，其中振幅型样品21透过率函数已知，利用CMI(coherent modulationimaging)或者CAMI(coherent amplitude modulation imaging)算法对波前测量系统待测入射光的复振幅分布进行重建，实现波前测量。

实施例3

采用如图4所示的测量光路作为第一波前测量系统和第二波前测量系统，波前测量系统待测入射光17经过相位板22后到达光斑探测器19，其中相位板22的透过率函数已知，且相位板22和光斑探测器19整体固定于多维平移台20上，当多维平移台20在垂直于光轴平面内，或者沿光轴进行平移时，利用光斑探测器19记录对应的衍射光斑，利用和数据记录过程匹配的基于迭代计算的相位恢复算法实现对波前测量系统待测入射光的复振幅分布进行重建，实现波前测量。

Claims (2)

1.一种基于波前测量的光学元件缺陷检测装置，其构成包括：激光光源(1)、分束器(2)、第一准直扩束器(3)、第一可变光阑(4)、多维精密平移系统(5)、会聚透镜(6)、第一波前测量系统(7)、反射镜(8)、第二准直扩束器(9)，第二可变光阑(10)，显微放大系统(11)、第二波前测量系统(12)、待测元件(13)、计算机(14)、第一偏振片(15)和第二偏振片(16)，其特征在于，沿所述的激光光源(1)的激光输出方向是分束器(2)，该分束器(2)将入射光分为透射光和反射光，在透射光方向依次是第一偏振片(15)、第一准直扩束器(3)、第一可变光阑(4)、多维精密平移系统(5)、会聚透镜(6)、第二偏振片(16)和第一波前测量系统(7)，所述的第一波前测量系统(7)的光斑探测器靶面根据算法不同位于所述的会聚透镜(6)的焦平面、焦前或者焦后，所述的第一偏振片(15)、第一准直扩束器(3)、第一可变光阑(4)、会聚透镜(6)、第二偏振片(16)和第一波前测量系统(7)构成大口径缺陷筛查系统，沿所述的反射光方向依次是所述的反射镜(8)、第二准直扩束器(9)、第二可变光阑(10)、多维精密平移系统(5)、显微放大系统(11)、第二波前测量系统(12)，所述的第二波前测量系统(12)的光斑探测器靶面根据算法不同位于所述的显微放大系统(11)的焦平面、焦前或者焦后，所述的第二准直扩束器(9)、第二可变光阑(10)、显微放大系统(11)和第二波前测量系统(12)构成小口径缺陷精密检测系统，所述的待测元件(13)固定在所述的多维精密平移系统(5)上，该多维精密平移系统(5)可将待测元件(13)在大口径缺陷筛查系统和小口径缺陷精密检测系统之间精密切换，所述的计算机(14)的输出端分别与所述的多维精密平移系统(5)、第一波前测量系统(7)、第二波前测量系统(12)的控制端相连，所述的多维精密平移系统(5)、第一波前测量系统(7)、第二波前测量系统(12)的输出端与所述的计算机(14)的输入端相连。

2.利用权利要求1所述的基于波前测量的光学元件缺陷检测装置进行光学元件缺陷的检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)打开激光光源(1)，选择合适的第一可变光阑(4)、第二可变光阑(10)的口径，调整第一偏振片(15)和第二偏振片(16)的角度，使两个偏振片偏振方向相同，整个光路无待测样品时，利用第一波前测量系统(7)测量对应的入射波前复振幅分布，并利用衍射理论将其逆向传播到会聚透镜(6)所在平面，得到会聚透镜(6)的出射波前复振幅分布同理利用第二波前测量系统(12)测量所述的显微放大系统(11)的出射波前，得到显微放大系统(11)的像面的复振幅分布

2)将标志物体放置在所述的多维精密平移系统(5)上，利用第一波前测量系统(7)对标志物体进行成像测量，同时利用多维精密平移系统(5)将所述的标志物体平移至第二可变光阑(10)和显微放大系统(11)之间，利用第二波前测量系统(12)对标志物体进行成像测量，并记录平移的平移量，通过特征点匹配将多维精密平移系统(5)、第一波前测量系统(7)、第二波前测量系统(12)所确定的三个空间坐标系进行统一，完成坐标校准；

3)从所述的多维精密平移系统(5)取走所述的标志物体，将待测样品(13)固定在所述的多维精密平移系统(5)上，将待测样品(13)平移至第一可变光阑(4)和会聚透镜(6)之间，根据待测样品(13)口径和第一可变光阑(4)的口径大小，选择合适的扫描步长，利用所述的多维精密平移系统(5)对待测样品(13)在垂直于光轴平面上二维平移n次(n≥1)，使第一可变光阑(4)的出射光完整扫描待测样品(13)，每扫描一个位置都利用第一波前测量系统(7)对待测样品(13)的透射波前复振幅进行测量，每次测量对应的会聚透镜(6)的出射波前为同之间的相位差即为待测样品(13)所引入的相位变化，通过搜索中的相位突变位置，确定待测样品(13)缺陷的空间坐标；

4)根据所述的缺陷的空间坐标位置，依次将每个缺陷所在区域移动到第二可变光阑(10)出射光的中心，利用第二波前测量系统(12)测量经过显微放大系统(11)放大后的波前复振幅分布，得到待测样品(13)经过显微放大系统(11)放大后像面位置的复振幅分布考虑到待测样品(13)上的缺陷分布在轴向可能会有变动，需要通过数值传播微调像面位置，得到高分辨率的包括振幅和相位的缺陷分布图其中和分别是存在和不存在待测样品(13)时，经过轴向位置调整后的显微放大系统(11)成像面上的波前复振幅分布；

5)通过分析的振幅和相位信息，得到待测样品(13)上不同缺陷的相关信息，包括振幅、相位分布、轴向位置，完成对待测样品(13)的高精度测量和标定。