CN112903713A - 暗场成像结合空间移相干涉的微球缺陷检测装置及方法 - Google Patents

暗场成像结合空间移相干涉的微球缺陷检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

暗场成像结合空间移相干涉的微球缺陷检测装置及方法，涉及光学检测技术领域。为了解决检测效率低的问题。本发明使线偏振光依次透过λ/2波片、4f扩束系统和高倍显微物镜后入射至针孔反射镜的针孔，针孔反射镜衍射出的光一部分经D形反射镜反射至第二准直透镜后形成参考光，剩余部分依次透过第一准直透镜、λ/4波片、分光棱镜和显微物镜入射至被测微球，其反射光经显微物镜、分光棱镜、成像透镜和掩膜板入射至成像CCD形成被测微球的二维信息图像，分光棱镜透射光原路返回至第二准直透镜准直后构成测量光，参考光和测量光叠加经过波片组调制、检偏器使参考光和测量光产生干涉后入射至大面阵高速相机构成被测微球的三维信息图像。

Description

暗场成像结合空间移相干涉的微球缺陷检测装置及方法
技术领域
本发明属于光学检测空间物体表面三维信息的技术领域。
背景技术
微小球面作为最常用的元器件形态之一，被广泛应用于航天、军事、工业、医疗等诸多领域。微小球表面面型精度对其性能有着至关重要的影响。
传统的检测手段，如原子力显微镜、共聚焦显微镜等虽然具有很高的纵向测量精度，可是只有当单次测量范围非常小，且需要配合高精度机械扫描运动装置时才能实现整体三维形貌测量。此时受机械运动误差影响严重，同时由于采用单点式扫描测量，存在检测效率低、横向分辨能力差、孤立缺陷点容易遗漏等问题。而检测范围相对较大的干涉式测量方法又需要理想球面作为参考面，存在着参考面精度不高，制造困难等问题。
此外，传统时域移相干涉测量方法对杂散光干扰、环境振动、空气扰动等因素较为敏感，影响干涉系统的测量精度。同时，采用绕轴旋转结合时域移相干涉定点测量的检测方法效率相对较低，难以满足如精密滚珠等需要大批量检测的被测对象的检测需求。
发明内容
本发明是为了解决现有对微小球面表面缺陷测量的方法，检测效率低、实效性差，以及传统时域移相干涉测量受到环境因素影响的问题，现提供暗场成像结合空间移相干涉的微球缺陷检测装置及方法。
暗场成像结合空间移相干涉的微球缺陷检测装置，包括：激光器1、λ/2波片2、4f扩束系统3、高倍显微物镜4、针孔反射镜5、D形反射镜6、第一准直透镜7、λ/4波片8、分光棱镜9、显微物镜10、成像透镜12、掩膜板13、成像CCD14、第二准直透镜15、分光棱镜组16、波片组17、检偏器18和大面阵高速相机19，
激光器1、λ/2波片2、4f扩束系统3、高倍显微物镜4和针孔反射镜5沿同一光轴依次排布，分光棱镜9位于针孔反射镜5的镀膜侧，分光棱镜9位于针孔反射镜5法线下方、且分光棱镜9的分光面与针孔反射镜5法线之间的夹角为50°，第一准直透镜7和λ/4波片8位于分光棱镜9与针孔反射镜5之间，高倍显微物镜4和第一准直透镜7的焦点均位于针孔反射镜5的针孔处，显微物镜10位于分光棱镜9的透射光出光侧，显微物镜10、第一准直透镜7和λ/4波片8的光轴重合且该光轴与分光棱镜9的分光面夹角为45°，成像透镜12、掩膜板13和成像CCD14依次位于分光棱镜9的反射光出光侧，成像透镜12的光轴与分光棱镜9的分光面夹角为45°，成像透镜12的焦点位于掩膜板13的遮光面上，D形反射镜6位于针孔反射镜5的镀膜侧，D形反射镜6位于针孔反射镜5法线上方、且D形反射镜6的反光面与针孔反射镜5法线之间的夹角为42.5°，第二准直透镜15、分光棱镜组16、波片组17、检偏器18和大面阵高速相机19依次位于D形反射镜6的反射光出光侧，第二准直透镜15的光轴与针孔反射镜5的法线垂直，经D形反射镜6反射后、第二准直透镜15的焦点位于针孔反射镜5的针孔处，分光棱镜组16用于将第二准直透镜15的出射光分为多束与第二准直透镜15的光轴平行的光束，波片组17的光轴、检偏器18的光轴和大面阵高速相机19的相面法线均与第二准直透镜15的光轴同向。
暗场成像结合空间移相干涉的微球缺陷检测方法，该微球表面缺陷检测方法基于以下装置实现，所述装置包括：λ/2波片2、4f扩束系统3、高倍显微物镜4、针孔反射镜5、D形反射镜6、第一准直透镜7、λ/4波片8、分光棱镜9、显微物镜10、成像透镜12、掩膜板13、成像CCD14、第二准直透镜15、分光棱镜组16、波片组17、检偏器18和大面阵高速相机19，
使线偏振光依次透过λ/2波片2、4f扩束系统3和高倍显微物镜4后入射至针孔反射镜5的针孔，经针孔反射镜5衍射出的光一部分经D形反射镜6反射至第二准直透镜15，经第二准直透镜15准直后构成参考光，经针孔反射镜5衍射出的光剩余部分依次透过第一准直透镜7、λ/4波片8、分光棱镜9和显微物镜10入射至被测微球11表面，被测微球11表面反射光经过显微物镜10入射至分光棱镜9的分光面，分光棱镜9的反射光通过成像透镜12和掩膜板13入射至成像CCD14构成被测微球11的二维信息图像，分光棱镜9的透射光依次经过λ/4波片8和第一准直透镜7入射至针孔反射镜5的反光面，反射镜5的反射光再经过反射镜6反射至第二准直透镜15，经第二准直透镜15准直后构成测量光，参考光和测量光叠加后经过分光棱镜组16分为相互平行的四束光，该四束光依次经过波片组17调制、检偏器18统一偏振方向使参考光和测量光产生干涉，之后入射至大面阵高速相机19构成被测微球11的三维信息图像。
本发明以被测微球上的球冠为单次检测范围，通过气浮驱动实现被测微球全表面快速旋转展开。采用视觉暗场成像与空间移相干涉测量相结合的检测手段，通过视觉暗场成像快速发现、识别缺陷，发出触发信号，触发干涉测量系统相机采集，补充缺陷三维信息。被测微球表面的回光分为两部分，一部分回光进入成像单元，利用掩膜板的微小遮光面滤除近似原路返回的强光分量，仅对表面缺陷产生的散射光进行暗场成像，实现缺陷凸显，进而实现缺陷的快速识别定位及二维尺寸测量。另一部分回光进入干涉测量系统，采用双平行分束镜结合波片组实现空间瞬时移相，快速获得多幅干涉图像，解决受空气扰动、环境振动等因素影响严重的问题，提高了系统的抗干扰能力和实效性。同时采用微小反射面针孔镜结构，将被测表面返回的散射光所产生的背景光滤除，仅有近似原路返回的测量光能够进入干涉测量系统，提高干涉条纹对比度，进一步提高测量精度。本发明充分发挥视觉检测、空间移相干涉测量效率高、响应速度快、抗干扰强的优势，方案简单易行，成本低廉，具有高精度、高效率、无遗漏、自动化程度高的优点，解决传统视觉检测方法深度信息缺失、光滑被测表面检测困难，以及传统干涉测量方法检测效率低等问题。
附图说明
图1为具体实施方式一所述暗场成像结合空间移相干涉的微球缺陷检测装置的结构示意图，
图2为图1的A部放大图，
图3为图1的B部放大图，
图4为图1的C部放大图，
图5为波片组的结构示意图，
图6为悬浮结构的示意图。
激光器1、λ/2波片2、4f扩束系统3、高倍显微物镜4、针孔反射镜5、D形反射镜6、第一准直透镜7、λ/4波片8、分光棱镜9、显微物镜10、被测微球11、成像透镜12、掩膜板13、成像CCD14、第二准直透镜15、分光棱镜组16、波片组17、检偏器18、大面阵高速相机19、λ/2子波片20、λ/4子波片21。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图6具体说明本实施方式，本实施方式所述的暗场成像结合空间移相干涉的微球缺陷检测装置，其特征在于，包括：激光器1、λ/2波片2、4f扩束系统3、高倍显微物镜4、针孔反射镜5、D形反射镜6、第一准直透镜7、λ/4波片8、分光棱镜9、显微物镜10、成像透镜12、掩膜板13、成像CCD14、第二准直透镜15、分光棱镜组16、波片组17、检偏器18、大面阵高速相机19和悬浮结构。
激光器1、λ/2波片2、4f扩束系统3、高倍显微物镜4和针孔反射镜5沿同一光轴依次排布，激光器1、λ/2波片2、4f扩束系统3和高倍显微物镜4位于针孔反射镜5的入射光方向一侧，激光器1出射光束方向与针孔反射镜5方光面垂直。分光棱镜9位于针孔反射镜5的镀膜侧，分光棱镜9位于针孔反射镜5法线下方、且分光棱镜9的分光面与针孔反射镜5法线之间的夹角为50°。第一准直透镜7和λ/4波片8位于分光棱镜9与针孔反射镜5之间，高倍显微物镜4和第一准直透镜7的焦点均位于针孔反射镜5的针孔处。显微物镜10位于分光棱镜9的透射光出光侧，显微物镜10、第一准直透镜7和λ/4波片8的光轴重合且该光轴与分光棱镜9的分光面夹角为45°。成像透镜12、掩膜板13和成像CCD14依次位于分光棱镜9的反射光出光侧，成像透镜12的光轴与分光棱镜9的分光面夹角为45°，成像透镜12的焦点位于掩膜板13的遮光面上。D形反射镜6位于针孔反射镜5的镀膜侧，D形反射镜6位于针孔反射镜5法线上方、且D形反射镜6的反光面与针孔反射镜5法线之间的夹角为42.5°。
第二准直透镜15、分光棱镜组16、波片组17、检偏器18和大面阵高速相机19依次位于D形反射镜6的反射光出光侧，第二准直透镜15的光轴与针孔反射镜5的法线垂直，经D形反射镜6反射后、第二准直透镜15的焦点位于针孔反射镜5的针孔处，分光棱镜组16用于将第二准直透镜15的出射光分为多束与第二准直透镜15的光轴平行的光束，波片组17的光轴、检偏器18的光轴和大面阵高速相机19的相面法线均与第二准直透镜15的光轴同向。
悬浮结构包括多孔基底和两个毛细驱动管，多孔基底表面开有碗状凹槽，多孔基底向碗状凹槽开口方向输出气流，使得放置于碗状凹槽内的被测微球11与被测微球11之间形成气膜，两个毛细驱动管能够为被测微球11提供两个不同方向的气流。
在实际应用时，如图6所示，被测微球11通过悬浮结构呈悬浮状态，被测微球11的球心与显微物镜10的焦点重合。由于球面属于特殊不可展开曲面，在检测过程中需要采用运动展开法实现全展开。借鉴球面螺旋线运动展开理论思路，本实施方式中采用气浮驱动球面快速展开方式，以多孔材料为基底，在其端面加工球碗凹槽，两侧设有毛细驱动管，通过侧向气流为微球提供两个不同方向的侧向驱动力。无侧向驱动力时，微球与球碗间形成数十微米厚的气膜，稳定悬浮。加载侧向驱动力后，依据螺旋线展开原理，微球做旋转运动的同时有交替的侧向翻转运动。
上述分光棱镜组16包括三个分光棱镜，一个分光棱镜与第二准直透镜15相邻、且该分光棱镜的分光面与第二准直透镜15的光轴平行，另外两个分光棱镜与波片组17相邻、且该分光棱镜的分光面与第二准直透镜15的光轴垂直。
如图5所示，上述波片组17包括λ/2子波片20和λ/4子波片21，λ/2子波片20和λ/4子波片21上均开有两个通孔，λ/2子波片20和λ/4子波片21重叠设置，使得λ/2子波片20的一个通孔和λ/4子波片21的一个通孔重合，λ/2子波片20的另一个通孔被λ/4子波片21遮挡，λ/4子波片21的另一个通孔被λ/2子波片20遮挡。
进一步的，本实施方式中，激光器1的出射线偏振激光波长为523nm，输出功率为300mw连续可调，十小时功率稳定性小于1％。高倍显微物镜4的放大倍率为50倍，数值孔径为0.75。针孔反射镜5表面反射膜直径为100μm，针孔直径为1μm。显微物镜10的放大倍率为20倍，数值孔径为0.45，工作距离为3mm。掩膜板13的遮光面直径为100μm。成像CCD14的分辨率为2048×2048，像元尺寸为4.5μm。大面阵高速相机19的分辨率为4096×4098，像元尺寸为4.5μm，最大支持位深为10位，CoaXPress数据接口，全分辨率下帧频为400fps。
本实施方式工作原理如下：
激光器1输出波长为532nm的线偏振光透射过λ/2波片2后由4f扩束系统3进行准直扩束。λ/2波片2用于调整光束的偏振方向。4f扩束系统3的出射光经高倍显微物镜4会聚于针孔反射镜5的微小针孔上发生衍射，进而产生近似理想的球面波。衍射光一部分被D形反射镜6反射后经第二准直透镜15准直，射向后续空间移相和图像采集部件；另一部分经第一准直透镜7、λ/4波片8、分光棱镜9、显微物镜10的组合后到达被测微球11表面。被测微球11的球心与光束汇聚中心重合，光束近似垂直被测表面入射，经被测表面反射后携带形貌信息沿原路返回。此时，返回的测量光由分光棱镜9分为反射部分和透射部分，反射部分经过成像透镜12和透射掩膜板13后在相机上成像构成暗场成像的二维信息图像。分光棱镜9透射部分再次经过λ/4波片8和第一准直透镜7调制，再经针孔反射镜5反光面、D形反射镜6表面反射，第二准直透镜15准直最终与参考光叠加后，由分光棱镜组16BS组分为平行的四束光，再经波片组17对各束光进行相位调制，分别在各束的参考光与测量光之间引入0、π/2、π、3π/2的移相量，经检偏器18统一偏振方向后，参考光与测量光产生干涉，由大面阵高速相机19采集干涉图像三维信息。
本实施方式采用气浮驱动球面展开方式，通过视觉测量结合空间移相干涉提取被测信息，快速获取表面缺陷三维信息，进而提供一种用于微小球面表面缺陷快速检测的测量仪器。
具体实施方式二：本实施方式所述的暗场成像结合空间移相干涉的微球缺陷检测方法基于以下装置实现，所述装置包括：λ/2波片2、4f扩束系统3、高倍显微物镜4、针孔反射镜5、D形反射镜6、第一准直透镜7、λ/4波片8、分光棱镜9、显微物镜10、成像透镜12、掩膜板13、成像CCD14、第二准直透镜15、分光棱镜组16、波片组17、检偏器18和大面阵高速相机19。
使线偏振光依次透过λ/2波片2、4f扩束系统3和高倍显微物镜4后入射至针孔反射镜5的针孔，经针孔反射镜5衍射出的光一部分经D形反射镜6反射至第二准直透镜15，经第二准直透镜15准直后构成参考光。经针孔反射镜5衍射出的光剩余部分依次透过第一准直透镜7、λ/4波片8、分光棱镜9和显微物镜10入射至被测微球11表面，被测微球11表面的反射光经过显微物镜10入射至分光棱镜9的分光面，分光棱镜9的反射光通过成像透镜12和掩膜板13入射至成像CCD14构成被测微球11的二维信息图像。分光棱镜9的透射光依次经过λ/4波片8和第一准直透镜7入射至针孔反射镜5的反光面，反射镜5的反射光再经过反射镜6反射至第二准直透镜15，经第二准直透镜15准直后构成测量光。参考光和测量光叠加后经过分光棱镜组16分为相互平行的四束光，该四束光依次经过波片组17调制、检偏器18统一偏振方向使参考光和测量光产生干涉，之后入射至大面阵高速相机19构成被测微球11的三维信息图像。
λ/2波片2用于调节针孔反射镜5处衍射光的偏振方向。第一准直透镜7、第二准直透镜15的焦点均位于针孔反射镜5上的微小针孔处。针孔反射镜5采用微小反射面结构设计，反射面中心小孔直径1μm，外径约100μm。此时，只有近似原路返回的测量光能被反射，散射光则透射过玻璃基底被滤除，达到消除干涉光路散射光多重干涉叠加以及背景成像的目的；成像光路中掩膜板13为薄石英玻璃基底，表面镀有直径100μm微小遮光面，成像透镜焦点位于该遮光面处。此时，原路返回的测量光被遮挡滤除，而主要来自缺陷粗糙或倾斜表面的散射光却可以绕过遮光面实现暗场成像。分光棱镜组16由两个分光面互相垂直的分光棱镜组成，准直后的光束平行于分光面入射时，将由分光棱镜组等分为四束平行光。波片组17由λ/4子波片21和λ/2子波片20叠加组成，利用波片上不同位置的圆孔组合，对四束透射光分别引入0、π/2、π、3π/2的移相量，实现空间移相。干涉光路中，测量光两次经过λ/4波片8调制，偏振方向改变90°，与参考光偏振方向垂直，满足空间移相对参考光与测量光偏振方向的要求。

Claims (13)

1.暗场成像结合空间移相干涉的微球缺陷检测装置，其特征在于，包括：激光器(1)、λ/2波片(2)、4f扩束系统(3)、高倍显微物镜(4)、针孔反射镜(5)、D形反射镜(6)、第一准直透镜(7)、λ/4波片(8)、分光棱镜(9)、显微物镜(10)、成像透镜(12)、掩膜板(13)、成像CCD(14)、第二准直透镜(15)、分光棱镜组(16)、波片组(17)、检偏器(18)和大面阵高速相机(19)，
激光器(1)、λ/2波片(2)、4f扩束系统(3)、高倍显微物镜(4)和针孔反射镜(5)沿同一光轴依次排布，分光棱镜(9)位于针孔反射镜(5)的镀膜侧，分光棱镜(9)位于针孔反射镜(5)法线下方、且分光棱镜(9)的分光面与针孔反射镜(5)法线之间的夹角为50°，第一准直透镜(7)和λ/4波片(8)位于分光棱镜(9)与针孔反射镜(5)之间，高倍显微物镜(4)和第一准直透镜(7)的焦点均位于针孔反射镜(5)的针孔处，
显微物镜(10)位于分光棱镜(9)的透射光出光侧，显微物镜(10)、第一准直透镜(7)和λ/4波片(8)的光轴重合且该光轴与分光棱镜(9)的分光面夹角为45°，
成像透镜(12)、掩膜板(13)和成像CCD(14)依次位于分光棱镜(9)的反射光出光侧，成像透镜(12)的光轴与分光棱镜(9)的分光面夹角为45°，成像透镜(12)的焦点位于掩膜板(13)的遮光面上，
D形反射镜(6)位于针孔反射镜(5)的镀膜侧，D形反射镜(6)位于针孔反射镜(5)法线上方、且D形反射镜(6)的反光面与针孔反射镜(5)法线之间的夹角为42.5°，
第二准直透镜(15)、分光棱镜组(16)、波片组(17)、检偏器(18)和大面阵高速相机(19)依次位于D形反射镜(6)的反射光出光侧，第二准直透镜(15)的光轴与针孔反射镜(5)的法线垂直，经D形反射镜(6)反射后、第二准直透镜(15)的焦点位于针孔反射镜(5)的针孔处，分光棱镜组(16)用于将第二准直透镜(15)的出射光分为多束与第二准直透镜(15)的光轴平行的光束，波片组(17)的光轴、检偏器(18)的光轴和大面阵高速相机(19)的相面法线均与第二准直透镜(15)的光轴同向。
2.根据权利要求1所述的暗场成像结合空间移相干涉的微球缺陷检测装置，其特征在于，分光棱镜组(16)包括三个分光棱镜，一个分光棱镜与第二准直透镜(15)相邻、且该分光棱镜的分光面与第二准直透镜(15)的光轴平行，另外两个分光棱镜与波片组(17)相邻、且该分光棱镜的分光面与第二准直透镜(15)的光轴垂直。
3.根据权利要求1或2所述的暗场成像结合空间移相干涉的微球缺陷检测装置，其特征在于，还包括悬浮结构，被测微球(11)通过悬浮结构呈悬浮状态，被测微球(11)的球心与显微物镜(10)的焦点重合。
4.根据权利要求3所述的暗场成像结合空间移相干涉的微球缺陷检测装置，其特征在于，悬浮结构包括多孔基底和两个毛细驱动管，
多孔基底表面开有碗状凹槽，多孔基底向碗状凹槽开口方向输出气流，使得放置于碗状凹槽内的被测微球(11)与被测微球(11)之间形成气膜，
两个毛细驱动管能够为被测微球(11)提供两个不同方向的气流。
5.根据权利要求1或2所述的暗场成像结合空间移相干涉的微球缺陷检测装置，其特征在于，激光器(1)的出射线偏振激光波长为523nm，输出功率为300mw。
6.根据权利要求1或2所述的暗场成像结合空间移相干涉的微球缺陷检测装置，其特征在于，高倍显微物镜(4)的放大倍率为50倍，数值孔径为0.75。
7.根据权利要求1或2所述的暗场成像结合空间移相干涉的微球缺陷检测装置，其特征在于，针孔反射镜(5)表面反射膜直径为100μm，针孔直径为1μm。
8.根据权利要求1或2所述的暗场成像结合空间移相干涉的微球缺陷检测装置，其特征在于，显微物镜(10)的放大倍率为20倍，数值孔径为0.45，工作距离为3mm。
9.根据权利要求1或2所述的暗场成像结合空间移相干涉的微球缺陷检测装置，其特征在于，掩膜板(13)的遮光面直径为100μm。
10.根据权利要求1或2所述的暗场成像结合空间移相干涉的微球缺陷检测装置，其特征在于，成像CCD(14)的分辨率为2048×2048，像元尺寸为4.5μm。
11.根据权利要求1或2所述的暗场成像结合空间移相干涉的微球缺陷检测装置，其特征在于，波片组(17)包括λ/2子波片(20)和λ/4子波片(21)，λ/2子波片(20)和λ/4子波片(21)上均开有两个通孔，
λ/2子波片(20)和λ/4子波片(21)重叠设置，使得λ/2子波片(20)的一个通孔和λ/4子波片(21)的一个通孔重合，λ/2子波片(20)的另一个通孔被λ/4子波片(21)遮挡，λ/4子波片(21)的另一个通孔被λ/2子波片(20)遮挡。
12.根据权利要求1或2所述的暗场成像结合空间移相干涉的微球缺陷检测装置，其特征在于，大面阵高速相机(19)的分辨率为4096×4098，像元尺寸为4.5μm，最大支持位深为10位，全分辨率下帧频为400fps。
13.暗场成像结合空间移相干涉的微球缺陷检测方法，其特征在于，该微球表面缺陷检测方法基于以下装置实现，所述装置包括：λ/2波片(2)、4f扩束系统(3)、高倍显微物镜(4)、针孔反射镜(5)、D形反射镜(6)、第一准直透镜(7)、λ/4波片(8)、分光棱镜(9)、显微物镜(10)、成像透镜(12)、掩膜板(13)、成像CCD(14)、第二准直透镜(15)、分光棱镜组(16)、波片组(17)、检偏器(18)和大面阵高速相机(19)，
使线偏振光依次透过λ/2波片(2)、4f扩束系统(3)和高倍显微物镜(4)后入射至针孔反射镜(5)的针孔，经针孔反射镜(5)衍射出的光一部分经D形反射镜(6)反射至第二准直透镜(15)，经第二准直透镜(15)准直后构成参考光，经针孔反射镜(5)衍射出的光剩余部分依次透过第一准直透镜(7)、λ/4波片(8)、分光棱镜(9)和显微物镜(10)入射至被测微球(11)表面，被测微球(11)表面反射光经过显微物镜(10)入射至分光棱镜(9)的分光面，分光棱镜(9)的反射光通过成像透镜(12)和掩膜板(13)入射至成像CCD(14)构成被测微球(11)的二维信息图像，分光棱镜(9)的透射光依次经过λ/4波片(8)和第一准直透镜(7)入射至针孔反射镜(5)的反光面，反射镜(5)的反射光再经过反射镜(6)反射至第二准直透镜(15)，经第二准直透镜(15)准直后构成测量光，参考光和测量光叠加后经过分光棱镜组(16)分为相互平行的四束光，该四束光依次经过波片组(17)调制、检偏器(18)统一偏振方向使参考光和测量光产生干涉，之后入射至大面阵高速相机(19)构成被测微球(11)的三维信息图像。
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