CN111208089B - 长距离端面粗糙晶体体内缺陷测量装置和方法 - Google Patents

长距离端面粗糙晶体体内缺陷测量装置和方法 Download PDF

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CN111208089B CN202010031413.1A CN202010031413A CN111208089B CN 111208089 B CN111208089 B CN 111208089B CN 202010031413 A CN202010031413 A CN 202010031413A CN 111208089 B CN111208089 B CN 111208089B
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    • G01N21/4788—Diffraction
    • G01N2021/479—Speckle

Abstract

一种长距离端面粗糙晶体体内缺陷测量装置，包括第一准直光束、第二准直光束、第一可变光阑、第二可变光阑、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一标准反射镜、第二标准反射镜、第一透镜、第二透镜、第一波前调制器、第二波前调制器、供第一波前调制器放置的第一二维平移台、供第二波前调制器放置的第二二维平移台、第一光斑探测器、第二光斑探测器和计算机，且所述的第一光斑探测器、第二光斑探测器的输出端分别与计算机相连；利用衍射光斑通过匹配的迭代算法就可以实现待测波前复函数的快速重建，进而对待测晶体的缺陷实现快速筛查。测量装置简单可操作性强，可应用于元件的精密检测，具有广泛的应用前景。

Description

长距离端面粗糙晶体体内缺陷测量装置和方法
技术领域
本发明涉及波前相位恢复、光学检测及成像技术，特别是一种长距离端面粗糙晶体体内缺陷测量装置和方法。
背景技术
在测量粗糙打磨的晶体内部缺陷时，由于两端面的影响不能对晶体内部的缺陷进行直接测量。目前分层PIE(参见Journal of the Optical Society of America A,Vol.29,No.8,pp:1606)是常用的厚样品分布测量方法之一，其基本思路是将厚样品在轴向离散分层化，将其等效为一定数量的切片，经过迭代后得到每个切片的复振幅分布。该方法虽然可以用于对具有一定厚度的样品进行切片恢复重建，在对较厚的样品进行检测时，分层PIE方法不再适用，另外由于晶体受温度影响的缺陷分布是连续变化的，在对厚样品进行分层检测时，误差较大，端面的分布无法准确分离，因此无法用于端面粗糙分布的厚样品检测。
发明内容
本发明针对现有技术在晶体缺陷探测方面的不足，提出一种长距离端面粗糙晶体体内缺陷测量装置和方法。利用衍射光斑通过匹配的迭代算法就可以实现待测波前复函数的快速重建，进而对待测晶体的缺陷实现快速筛查。测量装置简单可操作性强，可应用于元件的精密检测，具有广泛的应用前景。
本发明的技术解决方案如下：
一种长距离端面粗糙晶体体内缺陷测量装置和方法，其特点在于，包括第一准直光束、第二准直光束、第一可变光阑、第二可变光阑、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一标准反射镜、第二标准反射镜、第一透镜、第二透镜、第一波前调制器、第二波前调制器、供第一波前调制器放置的第一二维平移台、供第二波前调制器放置的第二二维平移台、第一光斑探测器、第二光斑探测器和计算机，且所述的第一光斑探测器、第二光斑探测器的输出端分别与计算机相连；待测晶体放置在所述的第一偏振分束器和第二偏振分束器之间；所述的第一标准反射镜位于待测晶体的端面关于第一偏振分束器的共轭位置，所述的第二标准反射镜位于待测晶体的另一端面关于第二偏振分束器的共轭位置；
第一准直光束经所述的第一可变光阑入射到所述的第一偏振分束器，经该第一偏振分束器分为二束，一束到达待测晶体一端面，经待测晶体反射后，入射到第一偏振分束器，经该第一偏振分束器透射后依次经第一透镜和第一波前调制器，入射到第一光斑探测器上，另一束入射到第一标准反射镜，经该第一标准反射镜反射后，再次入射到第一偏振分束器，经该第一偏振分束器反射后依次经第一透镜和第一波前调制器，入射到第一光斑探测器上；
第二准直光束经所述的第二可变光阑入射第二偏振分束器，经该第二偏振分束器分为二束，一束到达待测晶体另一端面，经待测晶体反射后，入射到第二偏振分束器，经该第二偏振分束器透射后依次经第二透镜和第二波前调制器，入射到第二光斑探测器上，另一束入射到第二标准反射镜，经该第二标准反射镜反射后，再次入射到第二偏振分束器，经该第二偏振分束器反射后依次经第二透镜和第二波前调制器，入射到第二光斑探测器上；
所述的第一光斑探测器和第二光斑探测器记录衍射光斑，并传输至计算机储存。
所述的第一准直光束和第二准直光束为平行光，所述的第一可变光阑用于调整第一准直光束口径，第二可变光阑用于调整第二准直光束口径。
所述的第一偏振分束器将第一准直光束分为两束非相干偏振光，两束光分别由第一标准反射镜和待测晶体的端面反射至第一偏振分束器；
所述的第二偏振分束器将第二准直光束分为两束非相干偏振光，两束光分别由第二标准反射镜和待测晶体的另一端面反射至第二偏振分束器。
所述的第一透镜和第二透镜均为会聚透镜。
所述的第一二维平移台用于调节第一波前调制器的位置，使第一波前调制器在垂直于光轴平面内平移，第二二维平移台用于调节第二波前调制器的位置，使第二波前调制器在垂直于光轴平面内平移。
利用上述长距离端面粗糙晶体体内缺陷测量方法，该方法包括以下步骤：
1)光路调整：使第一准直光束穿过所述的第一可变光阑并垂直照射到第一偏振分束器上，调整第一偏振分束器使两束出射光分别垂直于第一标准反射镜和待测晶体的端面，调节第一标准反射镜使之处于待测晶体端面关于第一偏振分束器的共轭位置，将所述的第一波前调制器放置于第一透镜和第一光斑探测器之间，并使所述平行光射到第一波前调制器，其散射斑照射到第一光斑探测器上，并通过计算机记录对应光斑；同样，第二准直光束穿过第二可变光阑并垂直照射到第二偏振分束器上，调整第二偏振分束器使两束出射光分别垂直于第二标准反射镜和待测晶体的另一端面，调节第二标准反射镜使之处于待测晶体端面关于第二偏振分束器的共轭面，将所述的第二波前调制器放置于第二透镜和第二光斑探测器之间，并使所述平行光照射到第二波前调制器，其散射斑照射到第二光斑探测器上，并通过计算机记录对应光斑，光路调整完毕；
2)数据记录分为三步：
第一步撤出待测晶体，将第一准直光束和第二准直光束引入光路，利用第一二维平移台在垂直于光轴平面内平移第一波前调制器，平移M行N列，且每次平移步长小于照明光直径，第二二维平移台改变第二波前调制器位置，记录无晶体时，第二准直光经过第一棱镜，第一透镜、第一调制器后利用第一探测器记录的光斑序列I0；
第二步放入待测晶体，同时调整所述的第一可变光阑和第二可变光阑口径，使待测晶体两侧端面得到完全照射，所述的第一光斑探测器记录第一波前调制器在不同位置处对应的衍射光斑序列I1，第二光斑探测器记录第二波前调制器在不同位置处对应的衍射光斑序列I2；
第三步关闭第二准直光束，第一准直光束保持工作，通过第二二维平移台改变第二波前调制器位置，所述的第二光斑探测器记录不同位置处对应的衍射光斑I3；所记录的四组衍射光斑分布I送所述的计算机保存，完成数据记录；
3)数据处理
①垂直于光轴平面上坐标为(x1,y1)处的第一波前调制器照明光用E0(x1,y1)表示，利用衍射光斑I0和标准PIE相位恢复技术，；重建得到E0(x1,y1)的像面分布E′0(x1,y1)；
②对于衍射光斑序列I1而言，第一波前调制器的入射光包含三个非相干照明光，分别为待测晶体左侧端面A反射引入的照明光E11(x1,y1)、第一标准反射镜引入的照明光E12(x1,y1)，第二准直光经过第二偏振分束器穿过晶体后引入的照明光E13(x1,y1)，利用多模态PIE相位恢复算法对两个照明光进行同时重建，；得到对应的复振幅分布分别为E′11(x1,y1)、E′12(x1,y1)、E′13(x1,y1)；
②由于A面和第一标准反射镜关于第一偏振分束器共轭，距离第一波前调制器距离都为L1，利用标量衍射理论，计算得到E′11(x1,y1)E′12(x1,y1)E′13(x1,y1),在像面(u1,v1)平面内的复振幅分布
Figure GDA0002568796520000041
Figure GDA0002568796520000042
表示传播距离L的过程，此时可计算得到端面A的相位深度分布为
Figure GDA0002568796520000043
③将E′0(x1,y1)传播到像面(u1,v1)，得到
Figure GDA0002568796520000044
计算得到晶体整体等效复振幅透过率T0(u1,v1)＝D13(u1,v1)/D0(u1,v1),去掉端面A引入的相位变化得到
Figure GDA0002568796520000045
利用标量衍射理论将其传播到晶体端面B得到
Figure GDA0002568796520000046
T为晶体等效长度；
④同理，利用光斑序列I2，计算得到端面B的相位深度为
Figure GDA0002568796520000047
Figure GDA0002568796520000048
其中
Figure GDA0002568796520000049
Figure GDA00025687965200000410
分别为待测晶体右侧端面B反射引入的照明光E21(x2,y2)和待测晶体右侧端面B反射引入的照明光E22(x1,y1)恢复重建后的复振幅分布E′21(x2,y2)和E′22(x2,y2)在像面(u2,v2)平面内的复振幅分布；
⑤去掉端面B的相位分布得到晶体体内引入的复振幅分布
Figure GDA00025687965200000411
Figure GDA0002568796520000051
其中(u′2,v′2)和(u2,v2)为等效面，T(u2,v2)即为最终测量结果。
与现有技术相比，本发明的技术效果：
1)解决了晶体缺陷的测量问题，在晶体表面粗糙切割的条件下仍可精确测量出晶体的内部缺陷。
2)相比于原有的分层PIE方法，数据处理过程更加简单。
3)恢复算法属于相干衍射成像领域常规方法，其理论上的精度能够达到衍射极限，因此具有很高的分辨率。
附图说明
图1是本发明基于光学检测的晶体缺陷测量装置的结构示意图。
图2是本发明测量晶体整体缺陷分布工作状态图
图3是本发明描述晶体关于透镜成像及位置距离图
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，但不应以此限制本发明的保护范围。
先参考图1，图1是本发明装置结构图，第一准直光束1为平行光，第一可变光阑3被用于调整准直光束1口径，第一偏振分束器5将光束分为两束非相干偏振光，两束光分别由标准反射镜和待测晶体左端面A反射至第一偏振分束器5，第一透镜10为会聚透镜，第一二维平移台14在垂直于光轴方向改变第一波前调制器12所在位置。同样，第二准直光束2为平行光，第二可变光阑4被用于调整准直光束口径，第二偏振分束器6将光束分为两束非相干偏振光，两束光分别由标准反射镜和待测晶体左端面B反射至第二偏振分束器6，第二透镜11为汇聚透镜，第二二维平移台15在垂直于光轴方向改变第二波前调制器13所在位置。第一光斑探测器16、第二光斑探测器17的输出端分别与计算机18相连。
图2将准直光束1引入光路，同时调整所述的第一可变光阑3口径，使待测晶体7得到完全照射，通过第二二维平移台15改变第二波前调制器14位置，所述的第二光斑探测器17记录不同位置处对应的衍射光斑。所记录的衍射光斑I送所述的计算机18保存。
所述的第一标准反射镜8位于待测晶体7的端面A关于第一偏振分束器5的共轭位置，所述的第二标准反射镜9位于待测晶体7的另一端面B关于第二偏振分束器6的共轭位置。
测量待测晶体两端面分布图光路分布请参见图1，照明光直径为1cm，平移台移动步长为0.2cm，平移台移动11行11列，一组光斑为121幅，分别记录有无待测晶体条件下共四组衍射光斑，迭代恢复后得到晶体两端面及整体复振幅分布，将其复振幅分布传播至像面，如图3，在像面上对复振幅进行处理得到待测晶体两端面分布和晶体内部缺陷分布。

Claims (6)

1.一种长距离端面粗糙晶体体内缺陷测量装置，其特征在于，包括第一准直光束(1)、第二准直光束(2)、第一可变光阑(3)、第二可变光阑(4)、第一偏振分束器(5)、第二偏振分束器(6)、第一标准反射镜(8)、第二标准反射镜(9)、第一透镜(10)、第二透镜(11)、第一波前调制器(12)、第二波前调制器(13)、供第一波前调制器(12)放置的第一二维平移台(14)、供第二波前调制器(13)放置的第二二维平移台(15)、第一光斑探测器(16)、第二光斑探测器(17)和计算机(18)，且所述的第一光斑探测器(16)、第二光斑探测器(17)的输出端分别与计算机(18)相连；待测晶体(7)放置在所述的第一偏振分束器(5)和第二偏振分束器(6)之间；所述的第一标准反射镜(8)位于待测晶体(7)的端面A关于第一偏振分束器(5)的共轭位置，所述的第二标准反射镜(9)位于待测晶体(7)的另一端面B关于第二偏振分束器(6)的共轭位置；
第一准直光束(1)经所述的第一可变光阑(3)入射到所述的第一偏振分束器(5)，经该第一偏振分束器(5)分为二束，一束到达待测晶体(7)一端面，经待测晶体(7)反射后，入射到第一偏振分束器(5)，经该第一偏振分束器(5)透射后依次经第一透镜(10)和第一波前调制器(12)，入射到第一光斑探测器(16)上，另一束入射到第一标准反射镜(8)，经该第一标准反射镜(8)反射后，再次入射到第一偏振分束器(5)，经该第一偏振分束器(5)反射后依次经第一透镜(10)和第一波前调制器(12)，入射到第一光斑探测器(16)上；
第二准直光束(2)经所述的第二可变光阑(4)入射第二偏振分束器(6)，经该第二偏振分束器(6)分为二束，一束到达待测晶体(7)另一端面，经待测晶体(7)反射后，入射到第二偏振分束器(6)，经该第二偏振分束器(6)透射后依次经第二透镜(11)和第二波前调制器(13)，入射到第二光斑探测器(17)上，另一束入射到第二标准反射镜(9)，经该第二标准反射镜(9)反射后，再次入射到第二偏振分束器(6)，经该第二偏振分束器(6)反射后依次经第二透镜(11)和第二波前调制器(13)，入射到第二光斑探测器(17)上；
所述的第一光斑探测器(16)和第二光斑探测器(17)记录衍射光斑，并传输至计算机(18)储存。
2.根据权利要求1所述的长距离端面粗糙晶体体内缺陷测量装置，其特征在于，所述的第一准直光束(1)和第二准直光束(2)为平行光，所述的第一可变光阑(3)用于调整第一准直光束(1)口径，第二可变光阑(4)用于调整第二准直光束(2)口径。
3.根据权利要求1所述的长距离端面粗糙晶体体内缺陷测量装置，其特征在于，所述的第一偏振分束器(5)将第一准直光束(1)分为两束非相干偏振光，两束光分别由第一标准反射镜(8)和待测晶体的端面A反射至第一偏振分束器(5)；
所述的第二偏振分束器(6)将第二准直光束(2)分为两束非相干偏振光，两束光分别由第二标准反射镜(9)和待测晶体的另一端面B反射至第二偏振分束器(6)。
4.根据权利要求1所述的长距离端面粗糙晶体体内缺陷测量装置，其特征在于，所述的第一透镜(10)和第二透镜(11)均为会聚透镜。
5.根据权利要求1所述的长距离端面粗糙晶体体内缺陷测量装置，其特征在于，所述的第一二维平移台(14)用于调节第一波前调制器(12)的位置，使第一波前调制器(12)在垂直于光轴平面内平移，第二二维平移台(15)用于调节第二波前调制器(13)的位置，使第二波前调制器(13)在垂直于光轴平面内平移。
6.利用权利要求1-5任一所述的长距离端面粗糙晶体体内缺陷测量装置进行测量的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1)光路调整：使第一准直光束(1)穿过所述的第一可变光阑(3)并垂直照射到第一偏振分束器(5)上，调整第一偏振分束器(5)使两束出射光分别垂直于第一标准反射镜(8)和待测晶体(7)的端面A，调节第一标准反射镜(8)使之处于待测晶体(7)端面A关于第一偏振分束器(5)的共轭位置，所述的第一准直光束(1)和第二准直光束(2)为平行光，将所述的第一波前调制器(12)放置于第一透镜(10)和第一光斑探测器(16)之间，并使所述平行光射到第一波前调制器(12)，其散射斑照射到第一光斑探测器(16)上，并通过计算机(18)记录对应光斑；同样，第二准直光束(2)穿过第二可变光阑(4)并垂直照射到第二偏振分束器(6)上，调整第二偏振分束器(6)使两束出射光分别垂直于第二标准反射镜(9)和待测晶体(7)的另一端面B，调节第二标准反射镜(9)使之处于待测晶体(7)另一端面B关于第二偏振分束器(6)的共轭面，将所述的第二波前调制器(13)放置于第二透镜(11)和第二光斑探测器(17)之间，并使所述平行光照射到第二波前调制器(13)，其散射斑照射到第二光斑探测器(17)上，并通过计算机(18)记录对应光斑，光路调整完毕；
2)数据记录分为三步：
第一步撤出待测晶体，将第一准直光束(1)和第二准直光束(2)引入光路，利用第一二维平移台(14)在垂直于光轴平面内平移第一波前调制器(13)，平移M行N列，且每次平移步长小于照明光直径，第二二维平移台(15)改变第二波前调制器(13)位置，记录无晶体时，第二准直光经过第一棱镜，第一透镜、第一调制器后利用第一探测器记录的光斑序列I0；
第二步放入待测晶体，同时调整所述的第一可变光阑(3)和第二可变光阑(4)口径，使待测晶体(7)两侧端面得到完全照射，所述的第一光斑探测器(16)记录第一波前调制器(13)在不同位置处对应的衍射光斑序列I1，第二光斑探测器(17)记录第二波前调制器(13)在不同位置处对应的衍射光斑序列I2；
第三步关闭第二准直光束(2)，第一准直光束(1)保持工作，通过第二二维平移台(15)改变第二波前调制器(13)位置，所述的第二光斑探测器(17)记录不同位置处对应的衍射光斑I3；所记录的四组衍射光斑分布I送所述的计算机(18)保存，完成数据记录；
3)数据处理
①垂直于光轴平面上坐标为(x1，y1)处的第一波前调制器照明光用E0(x1，y1)表示，利用衍射光斑I0和标准PIE相位恢复技术，重建得到E0(x1，y1)的像面分布E′0(x1，y1)；
②对于衍射光斑序列I1而言，第一波前调制器的入射光包含三个非相干照明光，分别为待测晶体的端面A反射引入的照明光E11(x1，y1)、第一标准反射镜引入的照明光E12(x1，y1)，第二准直光经过第二偏振分束器穿过晶体后引入的照明光E13(x1，y1)，利用多模态PIE相位恢复算法对两个照明光进行同时重建，得到对应的复振幅分布分别为E′11(x1，y1)、E′12(x1，y1)、E′13(x1，y1)；
②由于端面A和第一标准反射镜关于第一偏振分束器共轭，距离第一波前调制器距离都为L1，利用标量衍射理论，计算得到E′11(x1，y1)E′12(x1，y1)E′13(x1，y1)，在像面(u1，v1)平面内的复振幅分布
Figure FDA0002585009230000041
Figure FDA0002585009230000042
Figure FDA0002585009230000043
表示传播距离L的过程，此时可计算得到端面A的相位深度分布为
Figure FDA0002585009230000044
③将E′0(x1，y1)传播到像面(u1，v1)，得到
Figure FDA0002585009230000045
计算得到晶体整体等效复振幅透过率T0(u1，v1)＝D13(u1，v1)/D0(u1，v1)，去掉端面A引入的相位变化得到
Figure FDA0002585009230000046
利用标量衍射理论将其传播到晶体端面B得到
Figure FDA0002585009230000047
T为晶体等效长度；
④同理，利用光斑序列I2，计算得到端面B的相位深度为
Figure FDA0002585009230000048
Figure FDA0002585009230000049
其中
Figure FDA00025850092300000410
Figure FDA00025850092300000411
分别为待测晶体右侧端面B反射引入的照明光E21(x2，y2)和待测晶体右侧端面B反射引入的照明光E22(x1，y1)恢复重建后的复振幅分布E′21(x2，y2)和E′22(x2，y2)在像面(u2，v2)平面内的复振幅分布；
⑤去掉端面B的相位分布得到晶体体内引入的复振幅分布
Figure FDA00025850092300000412
Figure FDA00025850092300000413
其中(u′2，v′2)和(u2，v2)为等效面，T(u2，v2)即为最终测量结果。
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