CN112229847A - 一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于结构光照明频域拓展原理的光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置，包括激光光源、准直透镜、声光调制器、空间滤波器、偏振控制模块、反射镜、光阑、空间光调制器、透镜、遮光板、全息衍射片、分光镜、显微物镜、面阵探测器以及可实现声光调制器、偏振方向控制器、空间光调制器、面阵探测器同步的控制系统。同时，本发明还公开了一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测方法，解决了现有激光干涉结构光照明散斑噪声强、成像调制度各向异性的问题，能够自动进行照明光方向与相位同步切换、偏振态实时匹配，提高了系统稳定性，无需对样品特殊处理或添加荧光剂即可实现光学元器件表面缺陷或微结构的超衍射极限尺度快速测量。
Description
技术领域
本发明属于光学元件表面缺陷检测领域，具体涉及一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置及方法。
背景技术
随着先进激光技术的飞速发展，激光器也朝着更高功率、更高能量的方向进步，人们对光学元件在该类极端条件下的抗损伤性能提出了更高的要求。现有研究表明，光学元件制造过程中产生的表面微纳尺度缺陷是影响其抗损伤性能的根本原因。如何实现微纳缺陷的有效抑制成为了超精密制造和抗激光损伤领域凾待解决的一个重要科学问题。而检测作为超精密制造的眼睛，是实现微纳缺陷有效抑制的核心前提。目前用于光学元件表面缺陷检测的方法主要有显微镜法、光学散射法、干涉法、激光共焦法等。受阿贝-瑞利衍射极限的限制，这些传统方法只能实现衍射极限尺度内的缺陷检测。现有检测分辨率的不足直接限制了光学元件超精密制造水平的进一步提高，影响了缺陷抑制和表面加工工艺的升级换代。自二十世纪末，物理学界多项打破衍射极限获取高分辨成像的尝试都获得了很大的突破。研究人员先后发展了多种高分辨显微成像技术，如：AFM、SNOM(Scanning Near-fieldOptical Microscopy)、SEM、受激发射损耗(stimulated emission depletion,STED)显微镜，结构光照明显微镜(structured illumination microscopy,SIM)，随机光学重构显微镜(stochastic optical reconstruction microscopy,STORM)及光激活定位显微镜(photoactivated localization microscopy,PALM)等。AFM与SNOM具有超高空间分辨率(AFM<1nm，SNOM约几十纳米)，但检测效率极低，工作距很短，应用于光学元件检测难度极大。而SEM通常只适用于金属材质元件表面形貌检测，对于光学元件需进行喷金等手段处理，会带来侵入性污染，不适用于精密光学元件表面缺陷检测。其他高分辨成像技术(如受激发射损耗显微、随机光学重构显微及光激活定位显微等)都需要进行荧光标记，只适用于生物医学成像领域。直到Littleton等人提出基于结构光照明的高分辨显微技术，通过使用结构光照明将高频信息编码到低频区域后以扩展光学显微系统的频谱范围，获取更高频率成份的信息，可实现不借助荧光分子标记就能突破衍射极限，同时还具有宽场成像及三维层析成像的优点。
基于结构光照明的高分辨显微技术早期是通过在照明光路中加入正弦光栅，利用衍射生成的±1级光在样品面干涉产生结构照明光，但在基于光栅产生结构光照明的系统中，必须转动与移动光栅来获得不同照明方向不同相位的样品图像，这种机械运动装置会降低系统的稳定性，影响高分辨成像效果。
发明专利201110448980.8公开了一种基于数字微镜器件的高速结构照明光学显微系统及方法，利用数字微镜器件DMD加载不同照明方向不同相位的条纹图像，再通过显微系统微缩到样品上实现结构光照明，避免了机械运动，提高了系统稳定性。但该方法采用直接条纹投影产生的照明条纹调制度相比双光束干涉大幅降低，不适合光学元件玻璃等透明材料，影响了相位估算准确性与高分辨图像重构效果。另外其采用的非相干LED光源具有一定带宽，会导致在高分辨图像重构中引入伪影。
发明专利201510544833.9公开了一种双通道结构光照明高分辨成像方法与装置，采用激光光源与空间光调制器产生结构光照明，光源相干性更好，条纹调制度更高，适合光学元件玻璃等透明材料。但该方法需添加荧光物质，会引入污染，同时存在强相干光源引起的激光散斑背景噪声以及不同方向照明条纹调制度各向异性导致的分辨率提升不均匀等问题。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明提供了一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置及方法，解决现有技术中强激光散斑噪声及不同方向照明条纹调制度各向异性导致的分辨率提升不均匀、成像质量下降的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术解决方案如下：
一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置，其特点在于包括激光光源，沿激光光源光束的传播方向依次放置准直透镜、声光调制器、空间滤波器、偏振控制模块、反射镜、光阑、空间光调制器、透镜、遮光板、透镜、全息衍射片、透镜、分光镜、显微物镜、样品、透镜、面阵探测器及同步控制系统等。通过同步控制声光调制器、偏振方向控制器、空间光调制器、面阵探测器，一次获取光学元器件的高分辨图像，实现超衍射极限尺度缺陷/微结构的快速测量，无需对样品特殊处理或添加荧光剂。
所述的声光调制器，用于激光光束的开关状态的快速调制，避免因空间光调制器像元状态切换时中间态导致的结构光照明条纹调制度下降。
所述的空间滤波器，用于滤除高斯光束旁瓣成分，提高照明均匀性，消除采集图像环形背景噪声。
所述的偏振控制模块，用于结构光照明方向切换时的偏振态同步匹配，实现成像调制度各向同性。
所述入射到空间光调制器的光入射角度＜10°。
所述遮光板，用于阻挡经空间光调制器衍射的其他级次衍射光，仅允许±1级衍射光通过。
所述旋转的全息衍射片放置于+1级衍射光与－1级衍射光交叠处，用于适当降低激光光束相干性，削弱采集图像激光散斑背景噪声。
一种基于光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置的结构光照明成像方法，其特点在于，该方法包括下列步骤(以三方向照明为例)：
步骤1：空间光调制器加载条纹图像设置为多幅图像加载，以一定时间间隔进行依次切换，加载条纹图像顺序依次为：照明方向为0°相位为0、照明方向为0°相位为2π/3、照明方向为0°相位为4π/3、照明方向为60°相位为0、照明方向为60°相位为2π/3、照明方向为60°相位为4π/3、照明方向为120°相位为0、照明方向为120°相位为2π/3、照明方向为120°相位为4π/3。
步骤2：控制声光调制器、偏振方向控制器、面阵探测器与空间光调制器同步，探测器依次采集三个照明方向不同相位的9幅结构光照明样品缺陷/微结构原始图像。
步骤3：对采集到的9幅结构光照明样品原始图像进行图像预处理，包括平场校正以消除非均匀照明造成的影响，轻微切趾减少傅里叶变换时的边缘伪像等。
步骤4：对预处理图像进行频域二维傅里叶变换操作，获得图像对应的频谱分布信息。
步骤5：基于三相位线性分离方法对0°照明方向的频谱信息进行信息分离，求解线性方程组，分离出0°照明方向的低频信息(DN)以及零频位置错位的高频信息(DP和DS)，计算结构光照明条纹空间频率k0与相位。
步骤6：将分离出的0°照明方向零频位置错位的高频信息DP频谱平移+k0，DS频谱平移-k0，将平移后的频谱信息DP、DS在频域与DN进行频谱叠加合成，完成0°照明方向的频谱扩展。
步骤7：重复步骤5和步骤6完成60°和120°照明方向的频谱扩展，将0°、60°、120°三个照明方向扩展后的频谱信息进行频域叠加得到各项同性的频域拓宽。
步骤8：将得到的三方向叠加拓宽后的频谱信息做傅里叶逆变换，获得样品表面缺陷/微结构高分辨图像。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
利用激光光源与空间光调制器相结合产生高调制度结构光照明条纹，采用旋转全息衍射片适当降低相干性削弱激光散斑背景噪声，提升成像质量；同时可自动进行照明光方向与相位同步切换、偏振态实时匹配、图像采集及高分辨图像重构，实现各照明方向分辨率均匀提升，提升了系统稳定性和成像速度。
附图说明
图1是本发明光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置的光路示意图；
图2是本发明遮光板设计示意图；
图3是本发明空间光调制器依次加载的条纹图像(局部放大图)；
图4是本发明计算机同步控制系统示意图；
图5是本发明探测器采集的熔石英光学元件表面缺陷的结构光图像；
图6是本发明熔石英光学元件表面缺陷的频谱信息图；
图7是本发明熔石英光学元件表面缺陷的高分辨图像与普通显微图像。
具体实施方式
本发明提供了一种基于结构光照明的光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置及方法。首先，依照图1所示光路系统搭建检测装置。本实例以四方向结构光照明为例，对熔石英光学元件表面缺陷进行高分辨自动成像检测。
装置中激光器1产生的激光束经准直透镜2、声光调制器3、空间滤波器4后产生光场均匀分布的准直光束，经偏振控制模块5(包括偏振片501、半波片502、电控液晶偏振方向旋转器503及四分之一波片504)对光束偏振态进行快速调节，通过反射镜6和光阑7后以5°左右的入射角入射到空间光调制器上。经空间光调制器8衍射后产生多级衍射光。遮光板10采用遮光材料制作，包含4个方向共八个小孔，呈45°间隔对称分布设计(如图2所示)，在变换空间光调制器加载条纹方向时，±1级衍射光方向发生改变，同方向孔间距需与透镜9位置和焦距相匹配，使经空间光调制器衍射产生的四个方向±1级衍射光均能通过小孔，而其他衍射级次光则被遮光板遮挡。±1级衍射光经透镜11、全息衍射片12、透镜13及分光镜14后进入显微物镜15，在光学元件表面形成干涉结构光条纹。通过光屏观察+1级衍射光与－1级衍射光的相对位置，将全息衍射片12放置于+1级衍射光与－1级衍射光交叠处，并固定在旋转轴上通过电机带动以一定速度匀速旋转，用于适当降低通过激光光束相干性，削弱采集图像激光散斑背景噪声。从样品返回的光经显微物镜15收集后在面阵探测器18上成像，获得结构光照明光学元件缺陷图像。
一种基于结构光照明的光学元件表面缺陷高分辨自动检测方法，包括下列步骤：
步骤1：空间光调制器加载条纹图像设置为多幅图像加载，以一定时间间隔进行依次切换，加载条纹图像顺序依次为(如图3所示)：0°方向相位为
0°方向相位为
0°方向相位为
45°方向相位为
45°方向相位为
45°方向相位为
90°方向相位为
90°方向相位为
90°方向相位为
135°方向相位为
135°方向相位为
135°方向相位为
步骤2：通过计算机控制声光调制器、偏振方向控制器、遮光板、面阵探测器与空间光调制器同步，如图4所示。当空间光调制器加载条纹图像时，控制声光调制器使激光束通过并入射到空间光调制器上，控制偏振方向控制器及遮光板进行自动旋转以匹配光束偏振态及照明方向，获得对应照明方向的高调制度结构光场。当空间光调制器进行条纹图像切换时，通过控制声光调制器使激光束无法通过，避免因空间光调制器像元状态切换时中间态导致的结构光照明条纹调制度下降。同时面阵探测器依次采集四个照明方向不同相位的12幅结构光照明样品缺陷/微结构原始图像，如图5所示。
步骤3：对采集到的12幅结构光照明样品原始图像进行图像预处理，包括平场校正以消除非均匀照明造成的影响，轻微切趾减少傅里叶变换时的边缘伪像等。
步骤4：对预处理图像进行频域二维傅里叶变换操作，获得图像对应的频谱分布信息。
步骤5：基于三相位线性分离方法对0°照明方向的频谱信息进行信息分离，求解线性方程组，分离出0°照明方向的低频信息(DN)以及零频位置错位的高频信息(DP和DS)，计算结构光照明条纹空间频率k0与相位。
步骤6：将分离出的0°照明方向零频位置错位的高频信息DP频谱平移+k0，DS频谱平移-k0，将平移后的频谱信息DP、DS在频域与DN进行频谱叠加合成，完成0°照明方向的频谱扩展。
步骤7：重复步骤5和步骤6完成60°和120°照明方向的频谱扩展，将0°、45°、90°、135°四个照明方向扩展后的频谱信息进行频域叠加得到各项同性的频域拓宽(如图6所示)。蓝色虚圈分别表示0°、45°、90°、135°照明方向扩展后的频谱信息，红色虚圈为四个照明方向频域叠加后的频谱信息，相比普通显微成像频谱(绿色虚圈)得到了明显扩展。
步骤8：将得到的四方向叠加拓宽后的频谱信息做傅里叶逆变换，获得重构的光学元件表面缺陷高分辨图像(如图7(a)所示)。与普通显微成像结果(图7(b))相比，重构的高分辨图像具有更高的分辨率，可提供光学元件表面划痕及麻点缺陷更为丰富的细节信息。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (8)
1.一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置，其特征在于，包括激光光源(1)，沿激光光源(1)光束的传播方向依次放置准直透镜(2)、声光调制器(3)、空间滤波器(4)、偏振控制模块(5)、反射镜(6)、光阑(7)、空间光调制器(8)、透镜(9)、遮光板(10)、透镜(11)、全息衍射片(12)、透镜(13)、分光镜(14)、沿分光镜透射方向分布的显微物镜(15)和样品(16)，沿分光镜反射方向分布的透镜(17)、面阵探测器(18)及计算机；
所述计算机同步控制所述声光调制器(3)、偏振控制模块(5)、空间光调制器(8)、面阵探测器(18)和遮光板(10)。
2.根据权利要求1所述的一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置，其特征在于，所述的声光调制器(3)通过电压信号进行快速调制，控制激光光束开关状态的快速切换，避免因空间光调制器(8)像元状态切换时中间态导致的结构光照明条纹调制度下降。
3.根据权利要求1所述的一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置，其特征在于，所述的空间滤波器(4)用于滤除高斯光束旁瓣成分，提高照明均匀性，消除采集图像环形背景噪声。
4.根据权利要求1所述的一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置，其特征在于，所述的偏振控制模块(5)用于结构光照明方向切换时的偏振态同步匹配，实现成像调制度各向同性。
5.根据权利要求1所述的一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置，其特征在于，所述入射到空间光调制器(8)的光入射角度＜10°。
6.根据权利要求1所述的一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置，其特征在于，所述遮光板(10)用于阻挡经空间光调制器(8)衍射的其他级次衍射光，仅允许±1级衍射光通过。
7.根据权利要求1所述的一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置，其特征在于，所述的全息衍射片(12)放置于+1级衍射光与－1级衍射光交叠处，全息衍射片固定于旋转轴上，以一定速度旋转，用于适当降低通过激光光束的相干性，削弱采集图像激光散斑背景噪声。
8.一种利用权利要求1所述的光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置的结构光照明成像方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
步骤1：空间光调制器加载条纹图像设置为多幅图像加载，以一定时间间隔进行依次切换，加载条纹图像顺序依次为：照明方向为0°相位为0、照明方向为0°相位为2π/3、照明方向为0°相位为4π/3、照明方向为60°相位为0、照明方向为60°相位为2π/3、照明方向为60°相位为4π/3、照明方向为120°相位为0、照明方向为120°相位为2π/3、照明方向为120°相位为4π/3；
步骤2：控制声光调制器、偏振方向控制器、面阵探测器与空间光调制器同步，探测器依次采集三个照明方向不同相位的9幅结构光照明样品缺陷/微结构原始图像；
步骤3：对采集到的9幅结构光照明样品原始图像进行图像预处理，包括平场校正以消除非均匀照明造成的影响，轻微切趾减少傅里叶变换时的边缘伪像；
步骤4：对预处理图像进行频域二维傅里叶变换操作，获得图像对应的频谱分布信息；
步骤5：基于三相位线性分离方法对0°照明方向的频谱信息进行信息分离，求解线性方程组，分离出0°照明方向的低频信息(DN)以及零频位置错位的高频信息(DP和DS)，计算结构光照明条纹空间频率k0与相位；
步骤6：将分离出的0°照明方向零频位置错位的高频信息DP频谱平移+k0，DS频谱平移-k0，将平移后的频谱信息DP、DS在频域与DN进行频谱叠加合成，完成0°照明方向的频谱扩展。
步骤7：重复步骤5和步骤6完成60°和120°照明方向的频谱扩展，将0°、60°、120°三个照明方向扩展后的频谱信息进行频域叠加得到各项同性的频域拓宽；
步骤8：将得到的三方向叠加拓宽后的频谱信息做傅里叶逆变换，获得样品表面缺陷/微结构高分辨图像。
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