CN111208064A - 一种光学元件亚表面缺陷快速检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学元件亚表面缺陷快速检测装置和检测方法，其中，检测装置包括用于放置待测光学元件的样品台，用于对光学元件进行扫描的成像模块，用于控制样品台、监测成像模块并采集成像模块图像的控制系统，以及对采集图像进行拼接的图像处理系统；所述的成像模块包括散射成像模块、荧光成像模块以及共聚焦荧光成像模块。利用本发明，不仅可以得到光学元件全口径的散射图像、荧光图像以及光致发光亚表面缺陷图像；也可以获得缺陷的分布、位置、强度、大小、密度等信息；同时可对关键缺陷区域通过共聚焦模式进行定位及高分辨精检，获得关键缺陷的深度信息，从而为光学元件亚表面缺陷分布提供全面的三维分布特征信息。

Description

一种光学元件亚表面缺陷快速检测装置和检测方法

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，尤其是涉及一种光学元件亚表面缺陷快速检测装置和检测方法。

背景技术

光学元件紫外激光损伤是限制激光系统输出能力的重要原因。受限的核心问题之一在于光学元件各类“缺陷”的控制不到位，包括材料制备、成形加工、表面处理、装校上架及运行维护等主要环节。因此，需要提供针对上述过程中关键缺陷控制的量化检测手段。不仅可支撑光学元件工艺优化研究与质量评判，明确材料加工“缺陷”有效控制的技术/工艺措施；也可以确保元件“缺陷”全程有效受控。

以熔石英为代表的光学元件的批量加工环节中，主要存在表面/亚表面划痕、麻点为代表的破碎性缺陷和抛光液沉积层、加工碎屑为代表的污染性缺陷。目前主要采用明、暗场检测手段进行过程控制，但明、暗场检测手段只能检测熔石英元件表面的缺陷。

目前有关光学元件亚表面缺陷的测试方法有很多，常用的检测技术有角度抛光法、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有损检测方法。这些方法都是通过物理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，这些方法测试的亚表面缺陷精度高，不受表面缺陷影响，在加工行业普遍采用，但是具有效率很低、有破坏性、信息也不全面等缺点。

无损检测技术主要包括荧光显微成像技术、全内反射检测技术、光学相干层析技术、激光散射技术等。激光散射技术测试的信息基本为光学元件表面缺陷，很难测到亚表面缺陷信息；全内反射和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；荧光显微成像技术可以同时获得光学元件表面缺陷和亚表面缺陷，但是难以区分缺陷位于表面还是亚表面，由于只有亚表面缺陷才更容易引发损伤，因此这不利于光学元件损伤性能的预判。

而实际上熔石英等光学元件不仅有表面缺陷，还有亚表面缺陷，且亚表面缺陷与熔石英损伤具有强相关性。

到目前为止尚未建立有效的检测手段甄别精抛光熔石英的亚表面缺陷。因此，设计出一种能精确检测熔石英亚表面缺陷的装置及方法是很有必要的。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种光学元件亚表面缺陷快速检测装置和检测方法，可对熔石英等各光学元件表面光致发光缺陷进行快速无损检测。

一种光学元件亚表面缺陷快速检测装置，包括用于放置待测光学元件的样品台，用于对光学元件进行扫描的成像模块，用于控制样品台、监测成像模块并采集成像模块图像的控制系统，以及对采集图像进行拼接的图像处理系统；

所述的成像模块包括散射成像模块、荧光成像模块以及共聚焦荧光成像模块，其中，荧光成像模块和散射成像模块的光路共用激光光源，所述激光光源发射的激光通过第一光束整形器照射到待测光学元件上，光学元件表面的散射光和荧光同时由散射/荧光成像物镜收集，散射光通过第一分光镜反射进入散射成像模块的探测器中；荧光透射第一分光镜进入荧光成像模块的探测器中；

共聚焦荧光成像模块的光路使用共聚焦激光器和共聚焦探测器，共聚焦激光器发射的激光通过第二光速整形器后顺次透射过第二分光镜、第一分光镜和共聚焦成像物镜后照射到光学元件，光学元件表面缺陷激发的荧光顺次透射过共聚焦成像物镜和第一分光镜后，通过第二分光镜的反射进入共聚焦探测器。

本发明的检测装置主要包括荧光成像模块、散射成像模块以及共聚焦荧光成像模块。其中光学元件的全口径(亚)表面缺陷检测由荧光成像模块和散射成像模块完成；(亚)表面缺陷的局部精检由共聚焦荧光成像模块完成。

光路中的光束整形器主要是将激光光斑的高斯光束整形为平顶光斑，使其待测面的光功率密度均匀一致；且将光斑由圆形整形为方形光斑，大小和散射/荧光成像物镜视场相匹配，以降低激光光源对光学元件检测的影响性。

散射成像模块的探测器采用紫外增强CCD，荧光成像模块的探测器采用EMCCD，两者的分辨率至少为1024*1024。

第一分光镜和第二分光镜均采用二向色镜。二向色镜用于将散射光和荧光分开，分别进入散射和荧光探测器。

为检测大口径的光学元件，结合目前探测器的分辨率，将光斑尺寸选择为4mm*4mm，因此激光光源的功率需在10W左右。

待测光学元件的前后两侧设有用于收集剩余透射光和一级反射激光的吸收陷阱装置。

荧光成像模块和散射成像模块中的激光光源采用波长为355nm的准连续或连续激光，也可选择其它合适波长的激光器；共聚焦荧光成像模块中的共聚焦激光器采用波长为375nm的准连续或连续激光，也可选择其它合适波长的激光器。

所述样品台包括五维高精度平移台和样品夹具，待测光学元件通过样品夹具固定在五维高精度平移台上。之后对待测光学元件进行调平、对焦，可通过三维平移扫描来实现样品通光区域的全口径扫描。

所述的共聚焦成像物镜和散射/荧光成像物镜的放置位置相同，在进行共聚焦荧光成像时，将散射/荧光成像物镜手动更换为高倍率的共聚焦成像物镜。

散射成像模块的探测器和第一分光镜之间设有第一筒镜；荧光成像模块的探测器和第一分光镜之间顺次设有可旋转棱镜、第二筒镜；共聚焦荧光成像模块的共聚焦探测器与第二分光镜之间设有透镜；第二分光镜与可旋转棱镜之间设有共聚焦扫描头。

所述的控制系统主要有三个功能，控制样品的自动调平及自动对焦，并保证样品测试过程中的是否脱焦，并进行校准；对激光光源、探测器、样品测试位置等进行实时监测；还包括图像采集功能，就是与高精度平移台、宽场荧光/散射图像/共聚焦荧光成像系统配合，用于全口径的宽场荧光/散射图像、以及共聚焦荧光成像的图像实时采集；三种图像采集模式容易切换，并可同时同步进行宽场荧光图像和散射图像的采集。

所述的图像处理系统可对采集的图像进行全自动化拼接，拼接处不存在图像错位或尺寸变化，而且拼接后的全局图像可获得局部图像，且图像采集和图像处理可同步进行。在图像的缺陷提取上，可通过软件自动区分背景噪音并快速对缺陷进行提取，并可通过选择不同的参数来进行特征信息的提取。

在本发明的检测装置中，作为优选，配置局部洁净系统，以减少光学元件测试过程中的污染；作为优选，配备暗室系统，并配备安全及警示功能。

本发明还提供了一种光学元件亚表面缺陷快速检测方法，使用上述光学元件亚表面缺陷快速检测装置，具体包括以下步骤：

(1)将待测光学元件通过样品夹具固定于样品台的五维高精度平移台上；

(2)通过控制系统对五维高精度平移台进行控制，将待测光学元件移动到调平位置；并根据散射/荧光成像物镜和待测光学元件的距离，对光学元件进行对焦，之后利用荧光成像模块和控制系统对光学元件进行精确调焦；

(3)将待测光学元件移动至测试起点，将荧光成像模块和散射成像模块的激光光源功率调至合适功率，打开散射和荧光的探测器，设置好合适的测试参数，确定好扫描步长、扫描区域后开始光学元件的全口径检测；

(4)扫描开始后，在图像处理系统中设置图像的拼接、缺陷信息提取参数，从而对所采集的图像进行图像拼接、图像处理、缺陷信息提取，获得样品亚表面缺陷的位置信息、大小、亮度以及各种统计信息；

(5)对于测试图像中所提取的缺陷均可进行定位，通过点击感兴趣的缺陷，从而控制五维高精度平移台使其移动至所定位的区域；将可旋转棱镜调至共聚焦荧光成像模块的工作方式，打开共聚焦激光器和共聚焦探测器，将散射/荧光成像物镜更换为共聚焦成像物镜，从而进行缺陷的三维扫描，扫描完成后对图像进行三维拼接，获得缺陷的三维信息。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明尤其适用于大口径光学元件；在光学元件表面的测试中，激光对光学元件的表面有一定的预处理效应，为使激光对元件表面的降为最低，本发明在荧光和散射成像系统中添加了光束整形器，优化了激光的能量分布、光斑的形状以及大小。

2、对于大口径光学元件来说，全口径缺陷探测的关键之一为测试速度，本发明利用散射和荧光成像技术同时开展光学元件表面缺陷的探测，光斑直径大且光功率密度可满足测试需求，且在测试过程中就可对元件进行荧光和图像的拼接、处理以及缺陷提取，测试完成后半小时内可完成所有数据的分析，可大大节约测试时间。

3、本发明将荧光散射成像和共聚焦荧光成像有机结合起来，通过光路的简单切换，不仅可快速检测大口径光学元件的表面及亚表面缺陷，还可获得特征缺陷的三维信息。

附图说明

图1为本发明一种光学元件亚表面缺陷快速检测装置的光路示意图。

图中：1-共聚焦探测器；2、探测器小孔；3、透镜；4、共聚焦激光器；5、激光器小孔；6、第二光束整形器；7、二向色镜；8、共聚焦扫描头；9、可旋转棱镜；10、EMCCD；11、第二筒镜；12、二向色镜；13、第一筒镜；14、紫外增强CCD；15、散射/荧光成像物镜；16、激光光源；17、第一光束整形器；18、吸收光阱、19、吸收光阱；20、光学元件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，大口径的待测光学元件20采用竖直放置姿态固定在样品台上，元件表面与水平面互相垂直。利用位移传感器对样品进行调平，结合物镜和样品的距离实现对焦，然后将样品移动到测试起始位置，打开激光光源16，调至合适功率，并通过第一光束整形器17调整激光器出射光束均匀性和光斑大小，照射到待测的光学元件20上，激光出射光束的反射光和透射光分别使用吸收光阱18、吸收光阱19吸收。根据待测元件的大小，确定好扫描步长和扫描区域，即可开始光学元件的全口径检测。扫描开始后，元件表面的散射光和荧光同时由散射/荧光成像物镜15收集，散射光通过二向色镜12反射，经过第一筒镜13，由紫外增强CCD14接收。荧光透射二向色镜12，由可旋转棱镜9反射，被EMCCD10接收，在图像处理系统中分别设置散射图像和荧光图像的拼接、缺陷信息提取等参数，从而对所采集的图像进行图像拼接、图像处理、缺陷信息提取等，可获得样品表面及亚表面缺陷的位置信息、大小、亮度以及各种统计信息。样品扫描和图像处理可以同时进行，大大提高光学样品的测试效率。

同时，测试图像中所提取的缺陷均可进行定位，因此可点击感兴趣的缺陷，从而控制电动的五维高精度平移台使其移动至所定位的区域；将可旋转棱镜9调至共聚焦成像方式，打开共聚焦激光器4、共聚焦探测器1，将散射/荧光成像物镜15手动更换为高倍率的共聚焦成像物镜，共聚焦激光器4发射的375nm波长的激光依次经过激光器小孔5和第二光束整形器6后，透过二向色镜7，经过共聚焦扫描头8，经由可旋转棱镜9、第二筒镜11、二向色镜12、共聚焦成像物镜照射到光学元件，光学元件表面缺陷激发的荧光经由共聚焦成像物镜、二向色镜12、第二筒镜11、可旋转棱镜9、二向色镜7、透镜3和探测器小孔2进入共聚焦探测器1，从而进行缺陷的三维扫描。可根据选定缺陷的特征设置扫描区域、扫描步长、深度以及扫描起始点等相关参数，扫描完成后可对图像进行三维拼接，获得选定缺陷的三维信息。

上述检测装置在进行检测时，待测大口径样品通过样品夹具放置在电动的高精度五维平移台上，通过电脑控制使其放置在样品的调平位置上，通过位移传感器及电动平移台共同实现全口径范围内样品的自动调平。

样品的自动对焦，通过计算机的控制，可实现对样品进行自动对焦。并可利用荧光成像来对样品的对焦进行微调；使其满足测试要求。

为获得样品的亚表面缺陷，并满足大口径元件的测试效率，因此选用同一激发光源来进行，通过二向色镜，将散射光进入散射成像的探测器中，而结合长通滤波片将荧光(波长大于激发波长的光)同时进入荧光成像的探测器。

激光器出来的激光为高斯分布的圆形光斑，为获得样品均匀成像的荧光缺陷，且减少激光对对样品的影响，在光路中的光束整形器可将高斯分布整形为平顶分布，并将圆形光斑整形为方形光斑，且和待测视场相匹配。

为保证样品亚表面缺陷提取的准确性，散射探测器和荧光探测器的分辨率需一致；荧光成像和散射成像共用同一散射/荧光成像物镜，可同时同步观测到同一视场的荧光和散射图像。

在本发明检测装置中，测试光学样品尤其是大口径光学样品时，为提高测试效率，在样品开始测试时，就可以开始对大口径样品的散射成像、荧光成像进行图像的拼接、缺陷信息的提取等工作。

测试完成后，可根据需求获得样品缺陷的二维分布情况及相应的缺陷分析报告。根据测试获得缺陷的灰度/尺寸选择进行局部精检的特征区域，由共聚焦荧光缺陷测试模块精确定位至该特征区域，通过改变光路、物镜等调节至共聚焦成像模式，打开共聚焦的激光器、探测器等，设置好参数后开始检测，利用镜头在样品Z方向的移动，获得每一个深度的荧光成像；利用图像处理软件，对共聚焦成像的深度信息、可获得精检区域的三维缺陷分布图像，并给出相应的缺陷分析报告，分析报告主要包括测试条件、荧光缺陷的形状、面积、数量、深度及相应的位置坐标等信息。

本发明特别适用于大口径光学元件的检测，能获得光学元件的全口径缺陷图像，包括但不限于全口径的散射图像、全口径的荧光图像以及光致发光亚表面缺陷图像；也可以获得光学元件全口径缺陷的分布、位置、强度、大小、密度等信息。同时可对关键缺陷区域通过共聚焦模式进行定位及高分辨精检，获得关键缺陷的深度信息，从而为光学元件亚表面缺陷分布提供全面的三维分布特征信息，对于评价加工工艺水平具有重要参考意义。有助于实现对光学元件关键工序节缺陷控制指标的检测分析，从而支撑光学元件工艺优化，同时也可支撑光学元件批量生产。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光学元件亚表面缺陷快速检测装置，包括用于放置待测光学元件的样品台，用于对光学元件进行扫描的成像模块，用于控制样品台、监测成像模块并采集成像模块图像的控制系统，以及对采集图像进行拼接的图像处理系统，其特征在于：

所述的成像模块包括散射成像模块、荧光成像模块以及共聚焦荧光成像模块，其中，荧光成像模块和散射成像模块的光路共用激光光源，所述激光光源发射的激光通过第一光束整形器照射到待测的光学元件上，光学元件表面的散射光和荧光同时由散射/荧光成像物镜收集，散射光通过第一分光镜反射进入散射成像模块的探测器中；荧光透射第一分光镜进入荧光成像模块的探测器中；

共聚焦荧光成像模块的光路使用共聚焦激光器和共聚焦探测器，共聚焦激光器发射的激光通过第二光速整形器后顺次透射过第二分光镜、第一分光镜和共聚焦成像物镜后照射到光学元件，光学元件表面缺陷激发的荧光顺次透射过共聚焦成像物镜和第一分光镜后，通过第二分光镜的反射进入共聚焦探测器。

2.根据权利要求1所述的光学元件亚表面缺陷快速检测装置，其特征在于，散射成像模块的探测器采用紫外增强CCD，荧光成像模块的探测器采用EMCCD，两者的分辨率至少为1024*1024。

3.根据权利要求1所述的光学元件亚表面缺陷快速检测装置，其特征在于，待测光学元件的前后两侧设有用于收集剩余透射光和一级反射激光的吸收陷阱装置。

4.根据权利要求1所述的光学元件亚表面缺陷快速检测装置，其特征在于，荧光成像模块和散射成像模块中的激光光源采用波长为355nm的准连续或连续激光；共聚焦荧光成像模块中的共聚焦激光器采用波长为375nm的准连续或连续激光。

5.根据权利要求1所述的光学元件亚表面缺陷快速检测装置，其特征在于，第一分光镜和第二分光镜均采用二向色镜。

6.根据权利要求1所述的光学元件亚表面缺陷快速检测装置，其特征在于，所述样品台包括五维高精度平移台和样品夹具，待测光学元件通过样品夹具固定在五维高精度平移台上。

7.根据权利要求1所述的光学元件亚表面缺陷快速检测装置，其特征在于，所述的共聚焦成像物镜和散射/荧光成像物镜的放置位置相同，在进行共聚焦荧光成像时，将散射/荧光成像物镜手动更换为高倍率的共聚焦成像物镜。

8.根据权利要求1所述的光学元件亚表面缺陷快速检测装置，其特征在于，散射成像模块的探测器和第一分光镜之间设有第一筒镜；荧光成像模块的探测器和第一分光镜之间顺次设有可旋转棱镜、第二筒镜；共聚焦荧光成像模块的共聚焦探测器与第二分光镜之间设有透镜；第二分光镜与可旋转棱镜之间设有共聚焦扫描头。

9.一种光学元件亚表面缺陷快速检测方法，其特征在于，使用权利要求1～7任一所述的光学元件亚表面缺陷快速检测装置，具体包括以下步骤：

(1)将待测光学元件通过样品夹具固定于样品台的五维高精度平移台上；

(2)通过控制系统对五维高精度平移台进行控制，将待测光学元件移动到调平位置；并根据散射/荧光成像物镜和待测光学元件的距离，对光学元件进行对焦，之后利用荧光成像模块和控制系统对光学元件进行精确调焦；

(3)将待测光学元件移动至测试起点，将荧光成像模块和散射成像模块的激光光源功率调至合适功率，打开散射和荧光的探测器，设置好合适的测试参数，确定好扫描步长、扫描区域后开始光学元件的全口径检测；

(4)扫描开始后，在图像处理系统中设置图像的拼接、缺陷信息提取参数，从而对所采集的图像进行图像拼接、图像处理、缺陷信息提取，获得样品亚表面缺陷的位置信息、大小、亮度以及各种统计信息；

(5)对于测试图像中所提取的缺陷均可进行定位，通过点击感兴趣的缺陷，从而控制五维高精度平移台使其移动至所定位的区域；将可旋转棱镜调至共聚焦荧光成像模块的工作方式，打开共聚焦激光器和共聚焦探测器，将散射/荧光成像物镜更换为共聚焦成像物镜，从而进行缺陷的三维扫描，扫描完成后对图像进行三维拼接，获得缺陷的三维信息。

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