CN111289479A - 基于非线性热像反演的相位缺陷检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种基于非线性热像反演的相位缺陷检测装置和方法，特点在于通过测量热像面的强度信息，使用基于非线性反演的重构算法，重构出待测样品的振幅和相位信息。相对于传统的基于线性传输的检测方法，由于非线性光克尔效应可以将样品缺陷的弱相位信息转化成热像面处的强振幅信息，同时非线性光克尔效应对中高频信息响应更加良好，因此本发明的优势在于有更高的信号对比度，更高的分辨率以及更高的精度。

Description

基于非线性热像反演的相位缺陷检测装置和方法

技术领域

本发明涉及光学元件的相位缺陷检测，特别是一种基于非线性热像反演的相位缺陷检测装置和方法。

背景技术

大口径光学元件在天文、航天、强激光、高能量密度物理等领域有着重要广泛的应用，即使元件存在微米量级相位型缺陷也将直接影响整个光学系统的成像质量、信噪比和输出能力等。因此元件相位缺陷的精密检测对大口径光学元件的缺陷管理和大型光学系统的性能提升有着极其重要的意义。相位缺陷由于对比度极弱而导致传统成像的检测方法无法适用。目前对于光学元件相位缺陷的检测方法主要有纹影法、线扫描微分成像法、相移衍射干涉法、相干衍射成像法等。2007年美国劳伦斯利弗莫尔实验室使用的纹影成像系统，是将经过相位缺陷调制的光照射到傅里叶变换透镜上，通过中心遮拦的高通滤波实现了相位缺陷的检测；为了提高检测效率，劳伦斯利弗莫尔实验室提出了线扫描微分成像法实现了全视场的快速探测，然后使用相移衍射干涉法对线扫描微分成像法中发现的缺陷进行了精密表征。相移衍射干涉法是一种点衍射干涉法，利用干涉的原理，进行直接相位测量的方法，在光路中引入已知的相位变化，通过干涉图产生的变化可计算出各测量点的相位；相干衍射成像法是一种直接从光场的散射斑强度中通过迭代获得样品位相信息的方法。

对于上述传统方法来说，纹影法的检测系统中元件自身的缺陷会对检测结果造成极大干扰，因此对检测系统中元件自身的材料和加工要求过高，影响实用效果并导致系统成本极高；线扫描微分成像法无法检测到具有强轴向对称性或沿扫描方向较小的相位缺陷，这种检测方法的分辨率也只有100微米；相移衍射干涉法还要求缺陷有着较为稀疏的分布(>12mm)；同时从频谱方面分析，已有方法大都是基于线性光学传输的检测方法，会对缺陷中的中高频信息产生丢失，所以对于相位缺陷的检测分辨和精度有限。例如已有技术(参见已有技术：潘兴臣、刘诚、朱健强，透射型样品振幅和相位成像装置和方法，发明专利CN102866133)提出的基于相干衍射成像的方法，虽然结构简单，易于实现，但是该方法受到高频丢失的限制，难以达到更高分辨率和精度的检测要求。随着技术的发展，对光学元件的缺陷检测分辨率和精度提出了越来越高的要求，如何实现微米量级的相位缺陷的精密检测是急需得到解决的一个重要任务。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于非线性反演的相位缺陷检测装置和方法。该方法特点是通过测量热像面的强度信息，使用基于非线性反演的重构算法，重构出待测样品的振幅和相位信息。相对于传统的基于线性传输的检测方法，由于非线性光克尔效应可以将样品缺陷的弱相位信息转化成热像面处的强振幅信息，同时非线性光克尔效应对中高频信息响应更加良好，因此本发明的优势在于有更高的信号对比度，更高的分辨率以及更高的精度。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于非线性热像反演的相位缺陷检测装置，其特点在于，包括激光器、空间滤波器、准直透镜、待测样品、第一取样镜、第一光电探测器、非线性介质、第一成像透镜组、第二取样镜、第二光电探测器、计算机、第二成像透镜组；本装置的光路如下：

沿所述的激光器输出光路方向依次是所述的空间滤波器、准直透镜、第一取样镜、待测样品、非线性介质、第二取样镜，所述的第一取样镜和第二取样镜与所述的光路成45°，所述的激光器的输出光束通过所述的空间滤波器之后被焦距为f的准直透镜准直为平行光束，该平行光束经所述的第一取样镜分为透射光和反射光：

在所述的反射光方向依次是所述的第一成像透镜组和第一光电探测器，所述的待测样品的前表面为观测面1，观测面1的光强分布为I1。由第一取样镜取得观测面1的等效强度分布面，所述的观测面1的等效强度分布面位于第一成像透镜组的物面，所述的第一光电探测器的探测面位于第一成像透镜组的像面。所述的观测面1的光强分布I1由第一光电探测器的探测面探测的数据，通过光路物像关系以及第一取样镜的取样率计算所得。

在所述的透射光方向依次是所述的待测样品、非线性介质和第二取样镜，在第二取样镜的反射光束方向依次是所述的第二成像透镜组和第二光电探测器，热像面为观测面2，观测面2的光强分布为I2。由第二取样镜取得观测面2的等效强度分布面，所述的观测面2的等效强度分布面位于第二成像透镜组的物面，所述的第二光电探测器的探测面位于第二成像透镜组的像面。所述的观测面2的光强分布I2由第二光电探测器的探测面探测的数据，通过光路物像关系以及第二取样镜的取样率计算所得。所述的热像面是指经待测样品调制的光束，经过所述的非线性介质之后会形成极强的调制点，出现最强调制点的地方就是所述的热像面。所述的观测面1和观测面2关于非线性介质对称。所述的第一光电探测器和第二光电探测器的输出端与所述的计算机相连。

所述的空间滤波器，同准直透镜构成扩束准直系统，使得通过准直透镜之后的光束为平行光束。所述的空间滤波器和准直透镜所构成的扩束准直系统也可以是扩束器等可以将激光器出射激光调制为平行光束的器件。

所述的第一成像透镜组和第二成像透镜组为单透镜成像、双透镜缩束成像，或是其他使观测面1的等效强度分布面和第一光电探测器的探测面形成成像共轭面，使观测面2的等效强度分布面和第二光电探测器的探测面形成成像共轭面的透镜组。

所述的观测面1的强度分布I1以及观测面2的强度分布I2，通过光路的物像关系以及第一取样镜和第二取样镜的取样率计算所得。

利用上述基于非线性热像反演的相位缺陷检测装置对待测样品相位缺陷的检测方法，包括以下步骤：

1)数据记录：启动激光器，所述的第一光电探测器探测的光强数据和所述的第二光电探测器探测的光强数据输入所述的计算机，由光路的物像关系以及第一取样镜和第二取样镜的取样率算出观测面1的光强I₁和观测面2的光强I₂；

2)数据处理：所述的计算机首先对待测样品的相位透过率函数obj＝exp(iφ)(相位改变量)产生一个随机猜测值guess，并且guess＝exp(i*rand(m,n)*π),其中，rand(m,n)为产生m行n列的随机数的函数，在计算机中以矩阵的形式存在，同时探测器记录的数据的矩阵也为m行n列。将obj＝guess作为最开始的初始值，obj的更新步骤为：

1.使用观测面1的光强分布I₁来构建观测面1处的复振幅信息

利用角谱按下式计算其到达非线性介质(7)之前的复振幅分布E₂：

其中z₁为待测样品到非线性介质的距离，

为观测面1处的出射波函数的角谱，这里obj即出射波函数。

2.利用分步傅里叶变换法算出E₂经过非线性介质之后，在非线性介质后表面的复振幅分布E₃。

分步傅里叶变换法为非线性波动方程求近似解的常用方法，基本出发点在于两点：分步的思想和线性方程的傅里叶变换。把一段长距离的光束传输进行等步长分割，即Z＝N*Δz，N为分割数，Δz为步长。在传播的每一个小的Δz距离内，分三步完成衍射效应和非线性效应的计算：第一步只考虑衍射过程，传播距离为

此处用角谱计算。然后考虑整个Δz传输距离内的非线性效应，最后再考虑剩余

传输距离内的衍射过程。只要选取的Δz足够小，该近似算法得到的结果是准确可靠的。在传播的每一个小的Δz步长距离内，分步傅里叶变换算法的具体步骤如下：

(a)

传输距离的衍射过程：

其中，

为E₀的角谱。E₀为初始光场，E₁为传输

后的光场。

(b)整个Δz传输距离的非线性自聚焦过程。近似解为：

(c)后

传输距离的衍射过程，和步骤(a)类似：

其中，

为E2的角谱，E3为传输

后的光场。

在接下来的每一个Δz的步长内，都进行a～c的操作，则可以得到经过非线性介质之后的波动方程。由此可得到非线性介质后表面的复振幅分布E₃。

3.利用角谱计算E₃达到观测面2处的复振幅分布E₄：

其中，

为E₃的角谱，z₃为非线性介质后表面到热像面的距离。

4.用记录的数据I₂更新E₄，即用

来替换E₄的振幅，得到

并将其逆传输到非线性介质的后表面：

其中，

为E₄′的角谱。

5.用分步傅里叶变换法将E₃＇逆传输到非线性介质的前表面的复振幅分布E’₂，具体步骤为，在一个Δz内：

用角谱得到在后

传输距离的逆过程：

其中，

为Δz处波函数的角谱；

(b)整个Δz传输距离的非线性自聚焦过程的逆过程，近似解为：

(c)用角谱得到前

传输距离的逆过程，和步骤(a)类似：

其中，

为E₂角谱。

在接下来的每一个Δz的步长内，都进行a～c的操作，则可以得到逆向经过非线性介质之后的波动方程，由此可得非线性介质前表面的复振幅分布E₂＇。

6.得到非线性介质的前表面的复振幅分布E₂′,并将其逆传输到观测面1处：

其中，

为E₂′的角谱。用记录的数据更新E₁＇,和即用

来代替E₁＇的振幅，得到

用E₁＇更新obj，即obj′＝exp(iθ₁),如此就完成了一次迭代过程。

7.重复上述过程1～6，直到精度达到要求为止，所述的精度函数s为：

当精度达到要求之后，结束重复过程，此时得到的obj即为待测样品的相位透过率函数。待测样品(4)的相位透过率函数中的相位θ₁即包含了待测样品(4)中相位缺陷的位置和三维分布等信息，因此可直接从相位θ₁中提取待测样品(4)的相位缺陷信息。

本方法与以前的方法相比所具有的优势在于：

传统的线性检测方法，对于缺陷的精细结构，即高频部分的信息响应较差，难以达到较高的对比度和分辨率。相对于传统的基于线性传输的检测方法，本方法为基于非线性反演的相位重构法，由于非线性光克尔效应对相位信息的强响应，可以将观测面1的弱相位信息转化成热像面处的强振幅信息，同时非线性光克尔效应对中高频信息，对应到缺陷上即缺陷的精细结构响应更加良好，因此有更高的对比度，更高的分辨率以及更高的精度。

附图说明

图1为本发明基于非线性热像反演的相位缺陷检测装置的结构示意图。

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。

实施例：

先请参阅图1，图1为本发明基于非线性热像反演的相位缺陷检测装置的结构示意图。由图可见，本发明基于非线性热像反演的相位缺陷检测装置，包括激光器1、空间滤波器2、准直透镜3、待测样品4、第一取样镜5、第一光电探测器6、非线性介质7、第一成像透镜组8、第二取样镜9、第二光电探测器10、计算机11和第二成像透镜组12；

沿所述的激光器1输出光路方向依次是所述的空间滤波器2、准直透镜3、第一取样镜5、待测样品4、非线性介质7、第二取样镜9，所述的第一取样镜5和第二取样镜9与所述的光路成45°，所述的.激光器1的输出光束通过所述的空间滤波器2之后被焦距为f的准直透镜3准直为平行光束，该平行光束经所述的第一取样镜5分为透射光和反射光：

在所述的反射光方向依次是所述的第一成像透镜组8和第一光电探测器6，所述的待测样品4的前表面为观测面1，由第一取样镜5取得观测面1的等效强度分布面，所述的观测面1的等效强度分布面位于第一成像透镜组8的物面，所述的第一光电探测器6的探测面位于第一成像透镜组8的像面；

在所述的透射光方向依次是所述的待测样品4、非线性介质7、第二取样镜9和热像面，在第二取样镜9的反射光束方向依次是所述的第二成像透镜组12和第二光电探测器10，所述的热像面为观测面2，由第二取样镜9取得观测面2的等效强度分布面，所述的观测面2的等效强度分布面位于第二成像透镜组12的物面，所述的第二光电探测器10的探测面位于第二成像透镜组12的像面，所述的观测面1和观测面2关于非线性介质7对称，所述的第一光电探测器6和第二光电探测器10的输出端与所述的计算机11相连。

所述的热像面是指经待测样品4调制的光束，经过所述的非线性介质7之后会形成极强的调制点，出现最强调制点的地方就是所述的热像面；

在本实施例中：所述的激光器1为波长为1053nm的皮秒激光器，所述空间滤波器2为由显微物镜和针孔构成的空间滤波器，所述第一光电探测器6和第二光电探测器10均为CCD，分辨率为1040pixel*1392pixel，每一个像素边长为6.45μm。所述第一成像透镜组8和第二成像透镜组12均为单透镜，所述待测样品4为相位型样品。被照明光照射后透射光中将携带样品的结构信息，需要重建的为其相位透过率函数。所述计算机11的目的是存储CCD记录的探测面1和探测面2的强度信息。

利用上述成像装置对待测样品4相位缺陷的检测方法，包括以下步骤：

1)数据记录：根据附图以及上述光路要求搭建光路，启动激光器。读取第一光电探测器和第二光电探测器的数据，由光路的物像关系以及第一取样镜5和第二取样镜9的取样率算出观测面1的光强I₁和观测面2的光强I₂.

数据处理：所述的计算机首先对待测样品4的相位透过率函数obj＝exp(iφ)(相位改变量)产生一个随机猜测值guess，并且guess＝E*exp(i*rand(m,n)*π),其中，rand(m,n)为产生m行n列的随机数的函数，在计算机中以矩阵的形式存在，同时探测器记录的数据的矩阵也为m行n列。将obj＝guess作为最开始的初始值，obj的更新步骤为：

1.使用观测面1的光强分布I₁来构建观测面1处的复振幅信息

利用角谱计算其到达非线性介质之前的复振幅分布E₂：

其中z₁为待测样品4到非线性介质的距离，

为观测面1处的出射波函数的角谱，这里obj即出射波函数。

2.利用分步傅里叶变换法算出E₂经过非线性介质之后，在非线性介质后表面的复振幅分布E₃。分布傅里叶变换法为非线性波动方程求近似解的常用方法，基本出发点在于两点：分步的思想和线性方程的傅里叶变换。把一段长距离的光束传输进行等步长分割，即Z＝N*Δz，N为分个数，Δz为步长，在传播的每一个小的Δz步长距离内，分步傅里叶变换算法的具体步骤如下：

(a)

传输距离的衍射过程：

其中

为E₀的角谱。E₀为初始光场，E₁为传输

后的光场。

(b)整个Δz传输距离的非线性自聚焦过程。近似解为：

(c)后

传输距离的衍射过程，和步骤(a)类似：

其中

为E₂的角谱。E₃为传输

后的光场。

在接下来的每一个Δz的步长内，都进行a～c的操作，则可以得到经过非线性介质之后的波动方程。由此可得非线性介质7后表面的复振幅分布E₃。

3.利用角谱计算E₃达到观测面2处的复振幅分布E₄：

其中

为E₃的角谱。z₃为非线性介质后表面到观测面2的距离。

4.用记录的数据I₂更新E₄，即用

来替换E₄的振幅，得到

并将其逆传输到非线性介质的后表面：

其中

为E’₄的角谱。

5.用分步傅里叶变换法将E₃′逆传输到非线性介质7的前表面的复振幅分布E’₂。具体步骤为，在一个Δz内：

(a)用角谱得到在后

传输距离的逆过程：

其中

为Δz处波函数的角谱。

(b)整个Δz传输距离的非线性自聚焦过程的逆过程，近似解为：

(c)用角谱得到前

传输距离的逆过程，和步骤(a)类似：

其中

为E₂角谱。在接下来的每一个Δz的步长内，都进行a～c的操作，则可以得到逆向经过非线性介质7之后的波动方程。由此可得非线性戒指前表面的复振幅分布E₂′。

6.得到非线性介质的前表面的复振幅分布E’₂,并将其逆传输到观测面1处：

其中

为E′₂的角谱。用记录的数据更新E’₁,和即用

来代替E’₁的振幅，得到

用E₁′更新obj，即obj′＝exp(iθ₁)，如此就完成了一次迭代过程。

7.计算精度

当精度未达到要求时，返回步骤①，当精度达到要求时，进入下一步.

8.得到的obj′＝exp(iθ₁)即为待测样品4的相位透过率函数。待测样品4的相位透过率函数中的相位θ₁即包含了待测样品4中相位缺陷的位置和三维分布等信息，因此可直接从相位θ₁中提取待测样品4的相位缺陷信息。

Claims (5)

1.一种基于非线性热像反演的相位缺陷检测装置，其特征在于，包括激光器(1)、空间滤波器(2)、准直透镜(3)、待测样品(4)、第一取样镜(5)、第一光电探测器(6)、非线性介质(7)、第一成像透镜组(8)、第二取样镜(9)、第二光电探测器(10)、计算机(11)和第二成像透镜组(12)；沿所述的激光器(1)输出光路方向依次是所述的空间滤波器(2)、准直透镜(3)、第一取样镜(5)、待测样品(4)、非线性介质(7)、第二取样镜(9)，所述的第一取样镜(5)和第二取样镜(9)与所述的光路成45°，所述的.激光器(1)的输出光束通过所述的空间滤波器(2)之后被焦距为f的准直透镜(3)准直为平行光束，该平行光束经所述的第一取样镜(5)分为透射光和反射光：

在所述的反射光方向依次是所述的第一成像透镜组(8)和第一光电探测器(6)，所述的待测样品(4)的前表面为观测面1，观测面1的光强分布为I1。由第一取样镜(5)取得观测面1的等效强度分布面，所述的观测面1的等效强度分布面位于第一成像透镜组(8)的物面，所述的第一光电探测器(6)的探测面位于第一成像透镜组(8)的像面。

在所述的透射光方向依次是所述的待测样品(4)、非线性介质(7)、第二取样镜(9)和热像面，在第二取样镜(9)的反射光束方向依次是所述的第二成像透镜组(12)和第二光电探测器(10)，所述的热像面为观测面2，观测面2的光强分布为I2。由第二取样镜(9)取得观测面2的等效强度分布面，所述的观测面2的等效强度分布面位于第二成像透镜组(12)的物面，所述的第二光电探测器(10)的探测面位于第二成像透镜组(12)的像面。所述的热像面是指经待测样品(4)调制的光束，经过所述的非线性介质(7)之后会形成极强的调制点，出现最强调制点的地方就是所述的热像面；所述的观测面1和观测面2关于非线性介质(7)对称，所述的第一光电探测器(6)和第二光电探测器(10)的输出端与所述的计算机(11)相连。

2.根据权利要求1所述的基于非线性热像反演的相位缺陷检测装置，其特征在于，所述的空间滤波器(2)与所述的准直透镜(3)构成扩束准直系统，使得通过准直透镜(3)之后的光束为平行光束；所述的空间滤波器和准直透镜所构成的扩束系统也可以是扩束器等可以将激光器出射激光调制为平行光束的器件。

3.根据权利要求1所述的基于非线性热像反演的相位缺陷检测装置，其特征在于，所述的第一成像透镜组(8)和第二成像透镜组(12)为单透镜成像、双透镜缩束成像，或是其他使观测面1的等效强度分布面和第一光电探测器(6)的探测面形成成像共轭面，使观测面2的等效强度分布面和第二光电探测器(10)的探测面形成成像共轭面的透镜组。

4.根据权力要求1所述的基于非线性热像反演的相位缺陷检测装置，其特征在于，所述的观测面1的强度分布I1以及观测面2的强度分布I2，通过光路的物像关系以及第一取样镜(5)和第二取样镜(9)的取样率计算所得。

5.利用权利要求1所述的基于非线性热像反演的相位缺陷检测装置对待测样品(4)相位缺陷的检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)数据记录：启动激光器(1)，所述的第一光电探测器(6)探测的光强数据和所述的第二光电探测器(10)探测的光强数据输入所述的计算机(11)，利用权力要求4得到观测面1的光强I₁和观测面2的光强I₂；

2)数据处理：所述的计算机(11)首先对待测样品(4)的相位透过率函数obj＝exp(iφ)即相位改变量产生一个随机猜测值guess，并且guess＝exp(i*rand(m,n)*π)，其中rand(m,n)为产生m行n列的随机数的函数，在计算机(11)中以矩阵的形式存在，同时探测器记录的数据的矩阵也为m行n列，将obj＝guess作为初始值，obj的更新步骤为：

①使用观测面的光强分布I₁来构建观测面1处的复振幅信息：

利用角谱按下列公式计算该复振幅信息到达非线性介质(7)之前的复振幅分布E₂：

其中，z₁为待测样品(4)到非线性介质(7)的距离，

为观测面1处的出射波函数的角谱，这里obj即出射波函数；

②利用分步傅里叶变换法算出E₂经过非线性介质(7)之后，在非线性介质(7)后表面的复振幅分布E₃：

分步傅里叶变换法为非线性波动方程求近似解的常用方法，基本出发点在于两点：分步的思想和线性方程的傅里叶变换；把一段长距离的光束传输进行等步长分割，即Z＝N*Δz，N为分割数，Δz为步长，在传播的每一个小的Δz步长距离内，分步傅里叶变换算法的具体步骤如下：

a)、

传输距离的衍射过程：

其中，

为E₀的角谱，E₀为初始光场，E₁为传输

后的光场；

b)、整个Δz传输距离的非线性自聚焦过程的近似解为：

c)、后

传输距离的衍射过程和步骤a类似：

其中，

为E₂的角谱，E₃为传输

后的光场；

在接下来的每一个Δz的步长内，都进行a～c的操作，则可以得到经过非线性介质之后的波动方程，由此，可得到非线性介质(7)后表面的复振幅分布E₃；

③利用角谱按下列公式计算E₃达到非线性介质(7)后热像面处的复振幅分布E₄：

其中，

为E₃的角谱，z₃为非线性介质(7)后表面到热像面的距离；

④用记录的数据I₂更新E₄，即用

来替换E₄的振幅，得到

并将该

逆传输到非线性介质(7)的后表面为：

其中，

为E’₄的角谱；

⑤用分步傅里叶变换法将E′₃逆传输到非线性介质(7)的前表面的复振幅分布E’₂：具体步骤为，在一个Δz内：

a)用角谱得到在后

传输距离的逆过程：

其中，

为Δz处波函数的角谱；

b)整个Δz传输距离的非线性自聚焦过程的逆过程，近似解为：

c)用角谱得到前

传输距离的逆过程，和步骤a)类似：

其中，

为E₂角谱；

在接下来的每一个Δz的步长内，都进行a～c的操作，则可以得到逆向经过非线性介质之后的波动方程，由此可得到非线性介质(7)的前表面的复振幅分布E′₂

⑥得到非线性介质(7)的前表面的复振幅分布E′₂，将所述的E′₂逆传输到观测面1处：

其中，

为E′₂的角谱，用记录的数据I₁更新E’₁，即用

来代替E’₁的振幅，得到

用E′₁更新obj，即obj′＝exp(iθ₁)，如此就完成了一次迭代过程；

⑦计算精度

当精度未达到要求时，返回步骤①，当精度达到要求时，进入下一步；

⑧得到的obj′＝exp(iθ₁)即为待测样品(4)的相位透过率函数，待测样品(4)的相位透过率函数中的相位θ₁即包含了待测样品(4)中相位缺陷的位置和三维分布等信息，因此可直接从相位θ₁中提取待测样品(4)的相位缺陷信息。

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