CN111257227B - 基于偏振自相关的暗场共焦显微测量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于偏振自相关的暗场共焦显微测量装置和方法，装置包括偏振环形光照明模块、偏振环形光扫描模块和共焦检偏探测模块；通过照明光束整形与互补孔径遮挡探测，有效分离样品表面反射信号与亚表面散射信号，可同时获取纳米级表面划痕、磨损及亚表面裂痕、气泡等缺陷的三维分布信息，实现兼具表面及亚表面缺陷一体化检测功能；同时利用样品结构不对称性对不同方向单波矢照明光场激励产生极性散射和相邻观测点自相关累积量差异，实现超分辨测量。该发明具有可实现纳米级亚表面三维缺陷检测的优点。

Description

基于偏振自相关的暗场共焦显微测量装置和方法
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偏振自相关的暗场共焦显微测量装置和方法。
背景技术
高性能光学元件及微机电元件是现代高端装备的核心组成部分，为保障其加工质量和服役可靠性需要对其进行表面形貌测量和亚表面缺陷检测，目前国内外尚无设备能够同时实现上述功能。
国内外现有表面形貌无损测量技术主要包括：共焦显微测量技术、白光干涉显微测量技术和变焦显微测量技术。其中共焦显微测量技术相比于另外两种技术具有测量样品适用性宽、可以测量复杂样品结构的特点，因而在工业检测领域广泛应用。亚表面缺陷无损检测技术主要包括：激光调制散射技术，全内反射显微技术，光学相干层析技术，高频扫描声学显微技术，X射线显微成像技术。其普遍存在深度定位精度不高、信噪比低、检测效率不高，检测样品受限等不足。
因此，如何实现复杂样品结构检测，同时提高样品检测适用性宽、深度定位精度和检测效率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偏振自相关的暗场共焦显微测量装置和方法，通过照明光束整形与互补孔径遮挡探测，能够有效分离样品表面反射信号与亚表面散射信号，可同时获取纳米级表面划痕、磨损及亚表面裂痕、气泡等缺陷的三维分布信息，兼具表面及亚表面缺陷一体化检测功能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于偏振自相关的暗场共焦显微测量装置，包括：偏振环形光照明模块、偏振环形光扫描模块和共焦检偏探测模块；
所述偏振环形光照明模块按照光束传播方向依次包括激光器、扩束镜、偏振片一、凹面锥透镜和半反半透膜；
所述偏振环形光扫描模块按照光束传播方向依次包括：二维扫描振镜、扫描透镜、管镜、物镜和样品，光束在样品表面发生反射，反射光束原路返回至所述二维扫描振镜；由二维扫描振镜反射的所述反射光束，经半反半透膜反射后进入所述共焦检偏探测模块。
所述共焦检偏探测模块按照光束传播方向依次包括：光阑、偏振片二、聚焦透镜、针孔和相机；所述光阑接收所述半反半透膜反射的所述反射光束。
优选的，所述偏振片一的偏振方向进行360°方位角度旋转控制，每次旋转的角度为360°/N，通过调整所述偏振片一的偏振方向获得不同线偏振态的线偏振光束，令不同线偏振态的线偏振光束照明所述样品；所述偏振片二的偏振方向与所述偏振片一的所述偏振方向相匹配。
优选的，所述凹面锥透镜前后表面的底角α相同；通过对所述底角α与所述凹面锥透镜厚度d的调整，将通过所述偏振片一的所述线偏振光束整形为线偏振环形光后传输至所述物镜，充满所述物镜的入瞳，所述线偏振环形光束的外径与所述入瞳相匹配，满足对所述样品的暗场观察需求。
优选的，所述扫描透镜工作面置于所述管镜的前焦面处。
优选的，所述光阑的孔径与所述凹面锥透镜所产生的所述环形光孔径严格互补匹配；所述光阑完全遮挡来自所述样品的反射光束，携带有所述样品信息的散射光束进入所述共焦检偏探测模块，进入所述共焦检偏探测模块的所述光阑及后续光路，有效分离来自所述样品的反射信号与散射信号。
优选的，来自所述偏振环形光照明模块的光路经过所述半反半透膜，一半透射，一半反射到所述光路上方；来自所述偏振环形光扫描模块的所述光路经过所述半反半透膜，部分反射到所述光阑。
一种基于偏振自相关的暗场共焦显微测量方法，包括如下具体步骤：
步骤1：在偏振环形光照模块将平行激光光束整形成线偏振环形光束，并传输至偏振环形光扫描模块对样品进行所述线偏振环形光束照明，在所述样品上形成聚焦光斑；
所述偏振环形光照明模块按照光线传播方向依次包括激光器、扩束镜、偏振片一、凹面锥透镜和半反半透膜；所述偏振环形光扫描模块按照光线传播方向依次包括：二维扫描振镜、扫描透镜、管镜、物镜和样品；所述激光器所发平行激光光束，通过所述扩束镜将所述光束直径放大，并经过所述偏振片一变为线偏振光，最后所述线偏振光经过所述凹面锥透镜后，被整形为环形光束，获得所述线偏振环形光束；所述线偏振环形光束透射所述半反半透膜，经过所述偏振环形光扫描模块的二维扫描振镜反射，通过所述扫描透镜聚焦至所述管镜前焦面处，通过所述管镜产生平行的所述线偏振环形光束入射所述物镜，在所述样品上形成聚焦光斑，实现对所述样品的所述线偏振环形光束照明；
步骤2：所述偏振环形光扫描模块采用所述聚焦光斑对所述样品进行二维扫描，产生携带所述样品信息的散射光和反射光；
控制所述二维扫描振镜偏转角度使所述聚焦光斑在所述样品上进行二维扫描，所述样品的所述散射光束和所述反射光束依次经过所述物镜、所述管镜、所述扫描透镜和所述二维扫描振镜传输至所述半反半透膜，被所述半反半透膜反射至所述共焦检偏探测模块，实现对所述样品的偏振环形光扫描；
步骤3：共焦检偏探测模块收集来自所述样品的所述散射光，实现对所述样品的共焦检偏探测；
所述共焦检偏探测模块按照光线传播方向依次包括：光阑、偏振片二、聚焦透镜、针孔和相机；被所述半反半透膜反射的所述反射光束被遮挡滤除，所述散射光束携带样品内部缺陷信息经过所述光阑，通过所述偏振片二，被所述聚焦透镜聚焦至所述针孔的中心处，最后被紧贴所述针孔放置的所述相机收集，同时来自所述物镜的所述聚焦光斑以外的干扰光被所述针孔遮挡滤除，实现对所述样品的共焦检偏探测；
步骤4：控制所述偏振环形照明模块的偏振片一的偏振方向旋转，每次旋转的角度为360°/N，每旋转一次，所述共焦检偏探测模块的相机采集一次所述样品的二维扫描图像，获得N张不同所述线偏振态环形光束照明下的待测样品图像Ii(x,y)，i＝1，2，3，…，N，其中x为所述待测样品图像像素的行号，y为所述图像像素的列号，(x,y)代表像素点位置；
步骤5：对所述步骤4所得的N幅所述待测样品图像的每个相同位置像素点进行m阶自相关量的计算，得到分辨率提升的超分辨图像Cm，计算公式如下：
Figure BDA0002373837940000041
其中，(x,y)代表所述像素点位置，Ii代表不同所述线偏振态环形光束照明下所获取的所述待测样品图像，N为所述偏振片一(3)一次360°圆周旋转所获取的图像数量，m代表计算阶数，m为不大于4的正整数；
步骤6：对所述步骤5得到的所述超分辨图像Cm进行迭代去卷积运算，然后取
Figure BDA0002373837940000042
次方消除非线性效应，得到分辨率提升m倍的测量图像，完成超分辨；迭代去卷积运算的计算公式为：
Figure BDA0002373837940000043
其中，h为系统点扩散函数，y为去卷积运算后的图像，第一次迭代时，y1＝Cm，i＝1，2，3，…，N，FFT与iFFT分别为快速傅里叶变换和快速逆傅里叶变换，j为迭代次数，j的最大值为100。
步骤7：竖直方向移动所述样品，进行所述样品不同轴向位置的横向二维扫描，重复所述步骤4～所述步骤6，获得不同轴向位置的所述测量图像，实现对所述样品的立体超分辨显微测量。
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偏振自相关的暗场共焦显微测量装置和方法，装置包括偏振环形光照明模块、偏振环形光扫描模块和共焦检偏探测模块，在偏振环形光照明模块对照明光束进行整形，获得线偏振环形光束，线偏振环形光束照射至偏振环形光扫描模块和共焦检偏探测模块，在偏振环形光扫描模块对样品进行扫描，并反馈扫描光信号至共焦检偏探测模块，通过共焦检偏探测模块的光阑控制与线偏振环形光束的环形光空间严格互补匹配，来遮挡反馈的扫描光信号中样品反射光束，只接收携带有样品信息的散射光束，从而有效分离样品表面反射信号和亚表面散射信号，实现高性能光学元件及微机电元件的亚表面缺陷检测。并且利用样品结构不对称性对不同方向单波矢照明光场激励产生极性散射和相邻观测点自相关累积量差异，实现样品亚表面的纳米级缺陷测量。
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偏振自相关的暗场共焦显微测量装置结构示意图；
图2附图为本发明提供的基于偏振自相关的暗场共焦显微测量成像方法流程图。
图1中：1-激光器，2-偏振片一，3-偏振片一，4-凹面锥透镜，5-半反半透膜，6-二维扫描振镜，7-扫描透镜，8-管镜，9-物镜，10-样品，11-光阑，12-偏振片二，13-聚焦透镜，14-针孔，15-相机。
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偏振自相关的暗场共焦显微测量装置，包括：偏振环形光照明模块、偏振环形光扫描模块和共焦检偏探测模块；
偏振环形光照明模块按照光束传播方向依次包括激光器1、扩束镜2、偏振片一3、凹面锥透镜4和半反半透膜5；
偏振环形光扫描模块按照光束传播方向依次包括：二维扫描振镜6、扫描透镜7、管镜8、物镜9和样品10，光束在样品10表面发生反射，反射光束原路返回至二维扫描振镜6；由二维扫描振镜6反射的反射光束，经半反半透膜5反射后进入所述共焦检偏探测模块；
共焦检偏探测模块按照光束传播方向依次包括：光阑11、偏振片二12、聚焦透镜13、针孔14和相机15；光阑11接收半反半透膜5反射的反射光束。
为了进一步优化上述技术方案，偏振片一3的偏振方向进行360°方位角度旋转控制，每次旋转的角度为360°/N，通过调整不同的偏振方向获得不同线偏振态的线偏振光束，令不同线偏振态的线偏振光光束照明样品10；偏振片二12的偏振方向与偏振片一3的偏振方向相匹配。
为了进一步优化上述技术方案，凹面锥透镜4前后表面的底角α相同；通过对底角α与凹面锥透镜4厚度d的调整，将通过偏振片一3的线偏振光束整形为线偏振环形光束后传输至物镜9，线偏振环形光束的外径与物镜9的入瞳相匹配，线偏振环形光束充满入瞳，满足对样品10的暗场观察需求。
为了进一步优化上述技术方案，扫描透镜7工作面置于管镜8的前焦面处。
为了进一步优化上述技术方案，光阑11的孔径与凹面锥透镜4所产生的环形光孔径严格互补匹配；光阑11完全遮挡来自样品10的反射光束，携带有样品10信息的散射光束进入共焦检偏探测模块，进入共焦检偏探测模块的光阑11及后续光路，有效分离来自样品10的反射信号与散射信号。
一种基于偏振自相关的暗场共焦显微测量方法，包括如下具体步骤：
S1：在偏振环形光照模块将平行激光光束整形成线偏振环形光束，并传输至偏振环形光扫描模块对样品10进行线偏振环形光束照明，在样品10上形成聚焦光斑；
偏振环形光照明模块按照光线传播方向依次包括激光器1、扩束镜2、偏振片一3、凹面锥透镜4和半反半透膜5；偏振环形光扫描模块按照光线传播方向依次包括：二维扫描振镜6、扫描透镜7、管镜8、物镜9和样品10；激光器1所发平行激光光束，通过扩束镜2将光束直径放大，并经过偏振片一3变为线偏振光，最后线偏振光经过凹面锥透镜4后，被整形为环形光束，获得线偏振环形光束；线偏振环形光束透射半反半透膜5，经过偏振环形光扫描模块的二维扫描振镜6反射，通过扫描透镜7聚焦至管镜8前焦面处，通过管镜8产生平行的线偏振环形光束入射物镜9，在样品10上形成聚焦光斑，实现对样品10的线偏振环形光束照明；
S2：偏振环形光扫描模块利用聚焦光斑对样品10进行二维扫描，产生携带所述样品10信息的散射光和反射光；
控制二维扫描振镜6偏转角度使聚焦光斑在样品10上进行二维扫描，样品10的散射光束和反射光束依次经过物镜9、管镜8、扫描透镜7和二维扫描振镜6传输至半反半透膜5，被半反半透膜5反射至共焦检偏探测模块，实现对样品10的偏振环形光扫描；
S3：共焦检偏探测模块收集来自所述样品10的所述散射光，实现对所述样品10的共焦检偏探测；
共焦检偏探测模块按照光线传播方向依次包括：光阑11、偏振片二12、聚焦透镜13、针孔14和相机15；被半反半透膜5反射的反射光束被遮挡滤除，散射光束携带样品内部缺陷信息经过光阑11，通过偏振片二12，被聚焦透镜13聚焦至针孔14的中心处，最后被紧贴针孔14放置的相机15收集，同时来自物镜9的聚焦光斑以外的干扰光被针孔14遮挡滤除，实现对样品10的共焦检偏探测；
S4：控制所述偏振环形照明模块的偏振片一3的偏振方向旋转，每次旋转的角度为360°/N，每旋转一次，所述共焦检偏探测模块的相机15采集一次所述样品10的二维扫描图像，获得N张不同线偏振态环形光束照明下的待测样品图像Ii(x,y)，i＝1，2，3，…，N，其中x为待测样品图像像素的行号，y为所述图像像素的列号，(x,y)代表像素点位置；
S5：对S4所得的N幅待测样品图像的每个相同位置像素点进行m阶自相关量的计算，得到分辨率提升的超分辨图像Cm，计算公式如下：
Figure BDA0002373837940000071
其中，(x,y)代表像素点位置，Ii代表不同线偏振态环形光束照明下所获取的待测样品图像，N为偏振片一(3)一次360°圆周旋转所获取的图像数量，m代表计算阶数，m为不大于4的正整数；
S6：对步骤5得到的超分辨图像Cm进行迭代去卷积运算，然后取
Figure BDA0002373837940000072
次方消除非线性效应，得到分辨率提升m倍的测量图像，完成超分辨；迭代去卷积运算的计算公式为：
Figure BDA0002373837940000073
其中，h为系统点扩散函数，y为去卷积运算后的图像，第一次迭代时，y1＝Cm，i＝1，2，3，…，N，FFT与iFFT分别为快速傅里叶变换和快速逆傅里叶变换，j为迭代次数，j的最大值为100。
S7：竖直方向移动所述样品10，进行所述样品10不同轴向位置的横向二维扫描，重复所述步骤4～所述步骤6，获得不同轴向位置的测量图像，实现对所述样品10的立体超分辨显微测量。
有益效果：
1)使用凹面锥透镜将通过偏振片获得的线偏振光束整形为环形光束，通过凹面锥透镜的底角α与厚度d的调整获得合适孔径的环形光，实现环形光照明与互补孔径光阑遮挡探测，有效分离样品表面反射信号与亚表面散射信号，实现高性能光学元件及微机电元件的亚表面缺陷检测。
2)利用样品结构不对称性对不同方向单波矢照明光场激励产生极性散射和相邻观测点自相关累积量差异，根据不同阶数m可得到m倍横向分辨率提升，可实现样品亚表面的纳米级缺陷测量。
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)

1.一种基于偏振自相关的暗场共焦显微测量装置，其特征在于，包括：偏振环形光照明模块、偏振环形光扫描模块和共焦检偏探测模块；
所述偏振环形光照明模块按照光束传播方向依次包括激光器(1)、扩束镜(2)、偏振片一(3)、凹面锥透镜(4)和半反半透膜(5)；
所述偏振环形光扫描模块按照光束传播方向依次包括：二维扫描振镜(6)、扫描透镜(7)、管镜(8)、物镜(9)和样品(10)，光束在所述样品(10)表面发生反射，反射光束原路返回至所述二维扫描振镜(6)；由二维扫描振镜(6)反射的所述反射光束，经所述半反半透膜(5)反射后进入所述共焦检偏探测模块；
所述共焦检偏探测模块按照光束传播方向依次包括：光阑(11)、偏振片二(12)、聚焦透镜(13)、针孔(14)和相机(15)；所述光阑(11)接收所述半反半透膜(5)反射的所述反射光束；
所述偏振片一(3)的偏振方向进行360°方位角度旋转控制，每次旋转的角度为360°/N，通过调整所述偏振片一(3)的偏振方向令不同线偏振态的光束照明所述样品(10)；所述偏振片二(12)的偏振方向与所述偏振片一(3)的所述偏振方向相匹配。
2.根据权利要求1所述的基于偏振自相关的暗场共焦显微测量装置，其特征在于，所述凹面锥透镜(4)前后表面的底角α相同；通过对所述底角α与所述凹面锥透镜(4)厚度d的调整，将光束整形为环形光后传输至所述物镜(9)，所述环形光的外径与所述物镜(9)的入瞳相匹配，所述环形光充满所述物镜(9)的所述入瞳。
3.根据权利要求1所述的基于偏振自相关的暗场共焦显微测量装置，其特征在于，所述扫描透镜(7)工作面置于所述管镜(8)的前焦面处。
4.根据权利要求2所述的基于偏振自相关的暗场共焦显微测量装置，其特征在于，所述光阑(11)的孔径与所述凹面锥透镜(4)所产生的所述环形光孔径严格互补匹配；所述光阑(11)完全遮挡来自所述样品(10)的反射光束，携带所述样品(10)信息的散射光束进入所述共焦检偏探测模块。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于偏振自相关的暗场共焦显微测量装置 的测量方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
步骤1：在偏振环形光照模块将平行激光光束整形成线偏振环形光束，并传输至偏振环形光扫描模块对样品(10)进行所述线偏振环形光束照明，在所述样品(10)上形成聚焦光斑；
步骤2：所述偏振环形光扫描模块采用所述聚焦光斑对所述样品(10)进行二维扫描，产生携带所述样品(10)信息的散射光和反射光；
步骤3：共焦检偏探测模块收集来自所述样品(10)的所述散射光，实现对所述样品(10)的共焦检偏探测；
步骤4：控制所述偏振环形照明模块的偏振片一(3)的偏振方向旋转，每次旋转的角度为360°/N，每旋转一次，所述共焦检偏探测模块的相机(15)采集一次所述样品(10)的二维扫描图像，获得N张不同所述线偏振环形光束照明下的待测样品图像Ii(x,y)，i＝1，2，3，…，N，其中x为所述待测样品图像像素的行号，y为所述图像像素的列号，(x,y)代表像素点位置；
步骤5：对所述步骤4所得的N幅所述待测样品图像的每个相同位置像素点进行m阶自相关量的计算，得到分辨率提升的超分辨图像，计算公式如下：
Figure FDA0003773399640000021
其中，(x,y)代表所述像素点位置，Ii代表不同所述线偏振环形光束照明下所获取的所述待测样品图像，N为所述偏振片一(3)一次360°圆周旋转所获取的图像数量，m代表计算阶数，m为不大于4的正整数；
步骤6：对所述步骤5得到的所述超分辨图像Cm进行迭代去卷积运算，然后取
Figure FDA0003773399640000022
次方消除非线性效应，得到分辨率提升m倍的测量图像，完成超分辨；迭代去卷积运算的计算公式为：
Figure FDA0003773399640000023
其中，h为系统点扩散函数，y为去卷积运算后的图像，第一次迭代时，y1＝Cm，i＝1，2，3，…，N，FFT与iFFT分别为快速傅里叶变换和快速逆傅里叶变换，j为迭代次数，j的最大值为100；
步骤7：竖直方向移动所述样品(10)，进行所述样品(10)不同轴向位置的横向二维扫描，重复所述步骤4～所述步骤6，获得不同轴向位置的所述测量图像，实现对所述样品(10)的立体超分辨显微测量。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述偏振环形光照明模块按照光线传播方向依次包括激光器(1)、扩束镜(2)、偏振片一(3)、凹面锥透镜(4)和半反半透膜(5)；所述偏振环形光扫描模块按照光线传播方向依次包括：二维扫描振镜(6)、扫描透镜(7)、管镜(8)、物镜(9)和样品(10)；所述步骤1中所述激光器(1)所发平行激光光束，通过所述扩束镜(2)将所述光束直径放大，并经过所述偏振片一(3)变为线偏振光，最后所述线偏振光经过所述凹面锥透镜(4)后，被整形为环形光束，获得所述线偏振环形光束；所述线偏振环形光束透射所述半反半透膜(5)，经过所述偏振环形光扫描模块的所述二维扫描振镜(6)反射，通过所述扫描透镜(7)聚焦至所述管镜(8)前焦面处，通过所述管镜(8)产生平行的所述线偏振环形光束入射所述物镜(9)，在所述样品(10)上形成聚焦光斑，实现对所述样品(10)的所述线偏振环形光束照明。
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，在所述步骤2中控制所述二维扫描振镜(6)偏转角度使所述聚焦光斑在所述样品(10)上进行二维扫描，所述样品(10)的所述散射光束和所述反射光束依次经过所述物镜(9)、所述管镜(8)、所述扫描透镜(7)和所述二维扫描振镜(6)传输至所述半反半透膜(5)，被所述半反半透膜(5)反射至所述共焦检偏探测模块，实现对所述样品(10)的偏振环形光扫描。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述共焦检偏探测模块按照光线传播方向依次包括：光阑(11)、偏振片二(12)、聚焦透镜(13)、针孔(14)和相机(15)；在所述步骤3中被所述半反半透膜(5)反射的所述反射光束被遮挡滤除，所述散射光束携带样品内部缺陷信息经过所述光阑(11)，通过所述偏振片二(12)，被所述聚焦透镜(13)聚焦至所述针孔(14)的中心处，最后被紧贴所述针孔(14)放置的所述相机(15)收集，同时来自所述物镜(9)的所述聚焦光斑以外的干扰光被所述针孔(14)遮挡滤除，实现对所述样品(10)的共焦检偏探测。
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