CN112858345B - 一种随机移相的光学元件缺陷快速超分辨检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随机移相的光学元件缺陷快速超分辨检测装置及检测方法，所述激光光源通过1×2光纤耦合器Ⅰ等比分为二束，一束经所述的挤压式偏振控制器进行激光偏振态调整，经过所述的1×2光纤耦合器Ⅱ等比分为二束，另一束经1×2光纤耦合器Ⅰ输出的激光经所述的1×2光纤耦合器Ⅲ等比分为二束；将四束照明激光经显微物镜入瞳对称打在样品表面进行干涉，形成二维余弦结构照明光；所述显微物镜用以接收所述结构照明光经样品表面调制后的反射、散射光，通过所述成像透镜在高速相机中完成最终返回成像信号收集。达到小型化、可移植、高效率、随机移相及低成本的目的。

Description

一种随机移相的光学元件缺陷快速超分辨检测装置及检测 方法

技术领域

本发明涉及光学元件检测领域，具体的涉及一种随机移相的光学元件缺陷快速超分辨检测装置及检测方法。

背景技术

随着超精密加工技术的不断发展以及先进表面处理工艺的应用，现在已能实现微米级大尺度缺陷的有效检测与控制，光学元件损伤阈值得到了较大提高，但与材料本征阈值相比仍相差大概一个量级。与大尺度缺陷相比，微纳尺度的高阈值缺陷才是限制光学元件抗损伤性能进一步提升的关键因素。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，显微镜、光学散射方法、激光共焦法只能实现一定尺度范围内的缺陷(>λ/2)检测，无法获得更高分辨率。虽然随着原子力显微镜、扫描电镜以及近场扫描光学显微技术出现，实现纳米量级的分辨率已经成为可能，但检测效率极低，工作距极短，并且检测条件苛刻等因素，直接制约了其应用于光学元件表面缺陷检测。因此，亟需发展一种快速超分辨检测方法，解决对光学元件表面微纳缺陷实现高精度快速超分辨检测的难题。

基于结构光照明频域扩展的超分辨显微技术是超分辨显微技术中的一个重要技术子项，其原理是通过在样品表面加载特定形式(余弦分布)的结构照明光，将成像样品的高频信息编码到低频区域，然后使其通过显微系统受限通频带，再解码至高频区域获取高频信息，实现分辨率提升。通常为实现对样品进行余弦结构照明，多采用空间光调制器(SLM)产生的±1级衍射光在样品表面干涉的方式，但都存在以下缺点：

1.基于SLM的干涉式结构光照明超分辨系统，为避免SLM的0级衍射效应，对入射到SLM上的激光光束有严格的限制(＜10°)，光路大都采用“Z”排布，这样使得系统的体积庞大、且很难压缩，大大的限制了其工业集成性及嵌入性。

2.基于SLM的干涉式结构光照明超分辨系统，通过在SLM中加载多方向、多相位的相位光栅实现对样品进行多方向的结构照明调制，受限于SLM的加载频率(百赫兹左右)，导致系统在进行多方向、多相位调制以及较大图像采集过程中效率低下。

3.受限于激光偏振态的影响，为实现对样品进行多方向、高对比度的结构照明调制，通常在SLM上加载不同方向的相位光栅分时进行，检测效率低，不便于较大口径的光学元件检测。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，本发明提供一种随机移相的光学元件缺陷快速超分辨检测装置及检测方法，达到小型化、可移植、高效率、随机移相及低成本的目的。

本发明的第一个目的是提供一种随机移相的光学元件缺陷快速超分辨检测装置，采用的技术方案如下：一种随机移相的光学元件缺陷快速超分辨检测装置，包括激光光源、1×2光纤耦合器、显微物镜、成像透镜、高速相机及计算机，还包括挤压式偏振控制器、光纤准直固定模块，所述1×2光纤耦合器包括1×2光纤耦合器Ⅰ、1×2光纤耦合器Ⅱ及1×2光纤耦合器Ⅲ，所述激光光源通过1×2光纤耦合器Ⅰ等比分为二束，一束经所述的挤压式偏振控制器进行激光偏振态调整，经过所述的1×2光纤耦合器Ⅱ等比分为二束，通过所述光纤准直固定模块实现1×2光纤耦合器Ⅱ的输出两路光纤末端的裸纤固定及准直，另一束经1×2光纤耦合器Ⅰ输出的激光经所述的1×2光纤耦合器Ⅲ等比分为二束，通过所述光纤准直固定模块实现1×2光纤耦合器Ⅲ输出两路光纤末端的裸纤固定及准直；将四束照明激光经显微物镜入瞳对称打在样品表面进行干涉，形成二维余弦结构照明光；所述显微物镜用以接收所述结构照明光经样品表面调制后的反射、散射光，通过所述成像透镜在高速相机中完成最终返回成像信号收集。

所述1×2光纤耦合器Ⅰ、1×2光纤耦合器Ⅱ及1×2光纤耦合器Ⅲ，分别对应光源分束及水平、竖直余弦结构照明，用于产生对比度适中的二维余弦结构照明光；所述的挤压式偏振控制器通过旋转、挤压实现对通过所述光纤耦合器输入端的激光偏振态进行调控，确保水平的结构照明光调制度与竖直结构照明光基本一致；所述的显微物镜具有大的成像视场、长焦深和较大的数值孔径；所述的计算机用于所述超分辨检测装置数据的实时采集及数据处理。

所述超分辨检测装置利用系统中各部分光纤的环境扰动实现随机移相，系统原始图像采集速率按照高速相机最大采集速率设置，实现系统检测效率最大化。所述超分辨检测装置在被检区域随机采集三张(或多张)原始图像用于对应区域的图像超分辨重建。所述的超分辨检测装置通过扫描拼接实现较大区域目标检测。

优选地，所述激光光源为带尾纤输出的633nm单纵模激光器。一般来说激光器波长越短越好，但受限于光纤及光纤耦合器等器件工作波长的限制，例如：没有405nm波长的光纤耦合器，目前最短工作波长在633nm左右，若强行采用405nm则激光损耗相当明显，导致最终得到的结构照明条纹对比度很低，故本发明优先选择633nm波长。

优选地，所述1×2光纤耦合器Ⅰ的一路输出端尾纤贯穿所述挤压式偏振控制器，所述1×2光纤耦合器Ⅱ的输出光纤末端的裸纤和1×2光纤耦合器Ⅲ的输出光纤末端的裸纤以所述显微物镜的轴线为圆心沿其圆周方向按水平、竖直方向对称分布。

优选地，所述1×2光纤耦合器Ⅱ的输出裸纤和1×2光纤耦合器Ⅲ的输出裸纤均为单模裸纤，所述单模裸纤输出端面均切割平整，输出光斑分布为标准高斯分布；单模裸纤线芯直径为2.5μm，可近似为激光点光源。

优选地，所述光纤准直固定模块的光纤固定孔为2N个固定孔，对应N个不同方向的结构照明条纹了，且光纤准直固定模块中间为通孔，通孔与所述显微物镜适配。其中N通常取2、3、4对应双方向、三方向、四方向结构照明，但为得到更好的分辨率提升效果(各向同性的频域拓展)N越大越好，只是随着N值增加，机械加工、实际调节难度会大幅增加。

优选地，所述的显微物镜、成像透镜和高速相机通过1英寸笼式结构连接，形成统一的显微成像模块。通常显微物镜螺纹接口大小为23mm左右，为最大程度的保证系统的紧凑性，所述光纤准直固定模块按照适用于1英寸笼式结构设计，另外因通常相机都采用标准C口(1英寸左右)，故1英寸的笼式结构为最佳连接方式。

优选地，所述光纤准直固定模块通过标准C口内螺纹与显微物镜相接,所述光纤准直固定模块外侧为标准30mm笼式结构。

优选地，所述成像透镜为宽带变焦镜头，所述高速相机为高帧速科学级CCD，采集速率≥20kHz，所述成像透镜与高速相机通过标准C口连接。

本发明的另外一个目的是提供一种随机移相的光学元件缺陷快速超分辨检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤1：先将检测样品放至所述超分辨检测装置的三维高精密位移台上，移动高精密位移台Z轴使检测样品位于检测系统显微物镜焦平面处，调节高精密位移台X轴、Y轴将样品检测区域起点移至检测系统成像视场内，并将成像效果调至最佳；

步骤2：设定高精密位移台二维扫描路径，并依据高速相机采集速率精确设定高精密位移台移动速率，完成被检区域各子区域采集同等数量的原始调制图像，使各子区域≥10张图像；

步骤3：对各子区域采集到的原始图像，利用多图像相关相位估算算法完成各方向错位的高频信息与原位低频信息分离，并将分离出来的各方向高频信息移至正确位置与原位低频信息进行叠加，使得光学显微系统的频谱范围得到扩展，获取了更高频率成份的信息，最后经傅里叶反变换得到分辨率各向同性增强的超分辨重构图像，实现超分辨重建；

步骤4：将各子区域超分辨图像拼接即实现被检样品区域超分辨显微成像。

本发明的缺陷检测的原理是：通过使用余弦结构照明光把原本不能通过系统的高频信息调制到光学成像系统可探测的频谱区域并被探测器采集；然后经后期数据处理将高频信息解码并移至高频区域，使得光学显微系统的频谱范围得到扩展，获取了更高频率成份的信息，从而突破衍射极限，实现光学元件表面缺陷的超分辨检测。

与现有的技术相比本发明的有益效果是：

1)本发明利用本发明的随机移相的光学元件缺陷快速超分辨检测装置，在光学元件缺陷超分辨检测的过程中，无需照明方向切换和偏振态控制，大幅精简了原始图像采集流程，提升图像采集效率，从而极大的提升装置的检测效率；结构紧凑，最大程度的缩小装置的体积，具备优良的可移植性，可以很方便的嵌入到被应用对象及工业装置中；

2)本发明具有随机移相，即无需对结构照明条纹进行特殊移相，实现图像采集速度最大化；且具有较传统结构照明超分辨检测系统大幅精简了高价光学器件，成本节约90％以上，工业适用性强，降低了成本；

3)本发明通过使用余弦结构照明光把原本不能通过系统的高频信息调制到光学成像系统可探测的频谱区域并被探测器采集；然后经后期数据处理将高频信息解码并移至高频区域，使得光学显微系统的频谱范围得到扩展，获取了更高频率成份的信息，从而突破衍射极限，实现光学元件表面缺陷的超分辨检测。

附图说明

图1为本发明实施例方案的原理示意图；

图2为本发明实施例系统图像超分辨重建算法的流程图。

图中标记为：1-激光光源，2-1×2光纤耦合器Ⅰ，3-挤压式偏振控制器，4-1×2光纤耦合器Ⅱ，5-1×2光纤耦合器Ⅲ，6-光纤准直固定模块，7-显微物镜，8-成像透镜，9-高速相机，10-计算机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。

实施例1

为了实现达到小型化、可移植、高效率、随机移相及低成本的目的，本发明提供一种随机移相的光学元件缺陷快速超分辨检测装置，采用的技术方案如下：一种随机移相的光学元件缺陷快速超分辨检测装置，包括激光光源1、1×2光纤耦合器、显微物镜7、成像透镜8、高速相机9及计算机10，还包括挤压式偏振控制器3、光纤准直固定模块6，所述1×2光纤耦合器包括1×2光纤耦合器Ⅰ2、1×2光纤耦合器Ⅱ4及1×2光纤耦合器Ⅲ5，所述激光光源1通过1×2光纤耦合器Ⅰ2等比分为二束，一束经所述的挤压式偏振控制器3进行激光偏振态调整，经过所述的1×2光纤耦合器Ⅱ4等比分为二束，通过所述光纤准直固定模块6实现1×2光纤耦合器Ⅱ4的输出两路光纤末端的裸纤固定及准直，另一束经1×2光纤耦合器Ⅰ2输出的激光经所述的1×2光纤耦合器Ⅲ5等比分为二束，通过所述光纤准直固定模块6实现1×2光纤耦合器Ⅲ5输出两路光纤末端的裸纤固定及准直；将四束照明激光经显微物镜7入瞳对称打在样品表面进行干涉，形成二维余弦结构照明光；所述显微物镜7用以接收所述结构照明光经样品表面调制后的反射、散射光，通过所述成像透镜8在高速相机9中完成最终返回成像信号收集。

所述1×2光纤耦合器Ⅰ2、1×2光纤耦合器Ⅱ4及1×2光纤耦合器Ⅲ5，分别对应光源分束及水平、竖直余弦结构照明，用于产生对比度适中的二维余弦结构照明光；所述的挤压式偏振控制器3通过旋转、挤压实现对通过所述光纤耦合器4输入端的激光偏振态进行调控，确保水平的结构照明光调制度与竖直结构照明光基本一致；所述的显微物镜7具有大的成像视场、长焦深和较大的数值孔径；所述的计算机10用于所述超分辨检测装置数据的实时采集及数据处理。

所述的超分辨检测装置利用系统中各部分光纤的环境扰动实现随机移相，系统原始图像采集速率按照高速相机9最大采集速率设置，实现系统检测效率最大化。所述的超分辨检测装置在被检区域随机采集三张(或多张)原始图像用于对应区域的图像超分辨重建。所述的超分辨检测装置通过扫描拼接实现较大区域目标检测。

其中，所述激光光源1为带尾纤输出的633nm单纵模激光器。所述1×2光纤耦合器Ⅰ2的一路输出端尾纤贯穿所述挤压式偏振控制器3，所述1×2光纤耦合器Ⅱ4的输出光纤末端的裸纤和1×2光纤耦合器Ⅲ5的输出光纤末端的裸纤以所述显微物镜7的轴线为圆心沿其圆周方向按水平、竖直方向对称分布。所述1×2光纤耦合器Ⅱ4的输出裸纤和1×2光纤耦合器Ⅲ5的输出裸纤均为单模裸纤，所述单模裸纤输出端面均切割平整，输出光斑分布为标准高斯分布；单模裸纤线芯直径为2.5μm，可近似为激光点光源。

进一步地，所述光纤准直固定模块6的光纤固定孔为2N个固定孔，对应N个不同方向的结构照明条纹了，且光纤准直固定模块6中间为通孔，通孔与所述显微物镜7适配。其中N通常取2、3、4对应双方向、三方向、四方向结构照明，但为得到更好的分辨率提升效果(各向同性的频域拓展)N越大越好，只是随着N值增加，机械加工、实际调节难度会大幅增加。

进一步地，所述的显微物镜7、成像透镜8和高速相机9通过1英寸笼式结构连接，形成统一的显微成像模块。所述光纤准直固定模块6通过标准C口内螺纹与显微物镜7相接,所述光纤准直固定模块6外侧为标准30mm笼式结构。所述成像透镜8为宽带变焦镜头，所述高速相机9为高帧速科学级CCD，采集速率≥20kHz，所述成像透镜8与高速相机9通过标准C口连接。

实施例2

一种随机移相的光学元件缺陷快速超分辨检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤1：先将检测样品放至所述超分辨检测装置的三维高精密位移台上，移动高精密位移台Z轴使检测样品位于检测系统显微物镜7焦平面处，调节高精密位移台X轴、Y轴将样品检测区域起点移至检测系统成像视场内，并将成像效果调至最佳；

步骤2：设定高精密位移台二维扫描路径，并依据高速相机9采集速率精确设定高精密位移台移动速率，完成被检区域各子区域采集同等数量的原始调制图像，使各子区域≥10张图像；

步骤3：对各子区域采集到的原始图像，利用多图像相关相位估算算法完成各方向错位的高频信息与原位低频信息分离，并将分离出来的各方向高频信息移至正确位置与原位低频信息进行叠加，使得光学显微系统的频谱范围得到扩展，获取了更高频率成份的信息，最后经傅里叶反变换得到分辨率各向同性增强的超分辨重构图像，实现超分辨重建；

步骤4：将各子区域超分辨图像拼接即实现被检样品区域超分辨显微成像。

本发明的缺陷检测的原理是：通过使用余弦结构照明光把原本不能通过系统的高频信息调制到光学成像系统可探测的频谱区域并被探测器采集；然后经后期数据处理将高频信息解码并移至高频区域，使得光学显微系统的频谱范围得到扩展，获取了更高频率成份的信息，从而突破衍射极限，实现光学元件表面缺陷的超分辨检测。

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)

1.一种随机移相的光学元件缺陷快速超分辨检测装置，包括激光光源、1×2光纤耦合器、显微物镜、成像透镜、高速相机及计算机，其特征在于，还包括挤压式偏振控制器、光纤准直固定模块，所述1×2光纤耦合器包括1×2光纤耦合器Ⅰ、1×2光纤耦合器Ⅱ及1×2光纤耦合器Ⅲ，所述激光光源通过1×2光纤耦合器Ⅰ等比分为二束，一束经所述的挤压式偏振控制器进行激光偏振态调整，经过所述的1×2光纤耦合器Ⅱ等比分为二束，通过所述光纤准直固定模块实现1×2光纤耦合器Ⅱ的输出两路光纤末端的裸纤固定及准直，另一束经1×2光纤耦合器Ⅰ输出的激光经所述的1×2光纤耦合器Ⅲ等比分为二束，通过所述光纤准直固定模块实现1×2光纤耦合器Ⅲ输出两路光纤末端的裸纤固定及准直；将四束照明激光经显微物镜入瞳对称打在样品表面进行干涉，形成二维余弦结构照明光；所述显微物镜用以接收所述结构照明光经样品表面调制后的反射、散射光，通过所述成像透镜在高速相机中完成最终返回成像信号收集。

2.根据权利要求1所述的一种随机移相的光学元件缺陷快速超分辨检测装置，其特征在于，所述激光光源为带尾纤输出的633nm单纵模激光器。

3.根据权利要求1所述的一种随机移相的光学元件缺陷快速超分辨检测装置，其特征在于，所述1×2光纤耦合器Ⅰ的一路输出端尾纤贯穿所述挤压式偏振控制器，所述1×2光纤耦合器Ⅱ的输出光纤末端的裸纤和1×2光纤耦合器Ⅲ的输出光纤末端的裸纤以所述显微物镜的轴线为圆心沿其圆周方向按水平、竖直方向对称分布。

4.根据权利要求1所述的一种随机移相的光学元件缺陷快速超分辨检测装置，其特征在于，所述1×2光纤耦合器Ⅱ的输出裸纤和1×2光纤耦合器Ⅲ的输出裸纤均为单模裸纤，所述单模裸纤输出端面均切割平整，输出光斑分布为标准高斯分布；单模裸纤线芯直径为2.5μm。

5.根据权利要求1所述的一种随机移相的光学元件缺陷快速超分辨检测装置，其特征在于，所述的显微物镜、成像透镜和高速相机通过1英寸笼式结构连接，形成统一的显微成像模块。

6.根据权利要求5所述的一种随机移相的光学元件缺陷快速超分辨检测装置，其特征在于，所述光纤准直固定模块通过标准C口内螺纹与显微物镜相接,所述光纤准直固定模块外侧为标准30mm笼式结构。

7.根据权利要求1所述的一种随机移相的光学元件缺陷快速超分辨检测装置，其特征在于，所述成像透镜为宽带变焦镜头，所述高速相机为高帧速科学级CCD，采集速率≥20kHz，所述成像透镜与高速相机通过标准C口连接。

8.基于权利要求1-7任一项所述的一种随机移相的光学元件缺陷快速超分辨检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：先将检测样品放至所述超分辨检测装置的三维高精密位移台上，移动高精密位移台Z轴使检测样品位于检测系统显微物镜焦平面处，调节高精密位移台X轴、Y轴将样品检测区域起点移至检测系统成像视场内，并将成像效果调至最佳；

步骤2：设定高精密位移台二维扫描路径，并依据高速相机采集速率精确设定高精密位移台移动速率，完成被检区域各子区域采集同等数量的原始调制图像，使各子区域≥10张图像；

步骤3：对各子区域采集到的原始图像，利用多图像相关相位估算算法完成各方向错位的高频信息与原位低频信息分离，并将分离出来的各方向高频信息移至正确位置与原位低频信息进行叠加，使得光学显微系统的频谱范围得到扩展，获取了更高频率成份的信息，最后经傅里叶反变换得到分辨率各向同性增强的超分辨重构图像，实现超分辨重建；

步骤4：将各子区域超分辨图像拼接即实现被检样品区域超分辨显微成像。

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