CN113884505B - 球面元件表面缺陷散射探测装置和测量方法 - Google Patents

球面元件表面缺陷散射探测装置和测量方法 Download PDF

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Abstract

一种球面元件表面缺陷散射探测装置和测量方法，利用球面元件的轴对称性，通过球面元件快速旋转和散射暗场探测实现全口径快速高灵敏度测量。通过在不同方位角设置光电探测器采集表面缺陷的散射光，提升了对不同方向的线状表面缺陷探测能力。本发明实现了原位球面元件定中调节和表面缺陷测量，避免了分离调节测量引起的定位误差，同时避免了已有的暗场成像测量系统结构和光源调节的复杂性。

Description

球面元件表面缺陷散射探测装置和测量方法
技术领域
本发明涉及光学元件缺陷检测，特别是一种球面元件表面缺陷的探测装置和测量方法。
背景技术
球面元件在光刻系统、航天相机、空间望远系统和高功率激光系统等精密光学仪器和设备中具有广泛的应用。在加工过程中，球面元件表面容易产生划痕、麻点和崩边等缺陷。表面缺陷诱导杂散光，对弱光成像具有显著影响。缺陷对光束的衍射和吸收效应对光场进行调制，在强激光系统中容易导致元件损伤和炸裂。
目前对于球面元件表面缺陷的检测，还主要依赖人工目视。人工检测存在主观性强、缺陷尺寸和位置结果不准确，以及不能连续工作等问题。近年来，多家科研单位针对表面缺陷发展了多种检测技术。CN1313821C公布的暗场散射成像技术、CN106442564B公布的点阵线扫描技术、CN110441309A公布的显微散射偏振成像技术以及CN112229606A公布的多模态原位缺陷测量技术只能用于平面元件表面缺陷检测，若用于球面元件，由于表面不同位置的法线方向一直变化，其散射信号探测系统易受表面反射光影响，而且大面积二维测量时，表面容易离焦，导致无法成像或探测散射信号。CN103293162B和CN104215646B公布的球面光学元件暗场检测技术要求光源根据元件的曲面半径调整聚焦程度，而且球面元件的定中系统与表面扫描成像系统分离，不能原位测量。系统复杂，操作繁琐。CN112229854A公布的球面光学元件表面缺陷测量技术根据表面反射光和缺陷的散射光的偏振特性差异去除反射光对暗场成像的影响，无需根据元件的曲率改变照明光源的聚焦程度。但该技术也减弱了缺陷的散射信号强度。且上述两种技术都采用单一方向成像方式，影响缺陷探测能力；单孔径成像视场小，测量速度慢。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种球面元件表面缺陷散射探测装置和测量方法。该装置在定中的基础上实现原位表面测量，采用微米尺度聚焦光斑，并结合球面元件的旋转实现全口径快速扫描。通过不同方位角测量提高表面缺陷的测量灵敏度。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种球面元件表面缺陷散射探测装置，其特点在于，包括照明光源、半波片、偏振片、扩束器、反射镜、偏振分束器、四分之一波片、第一会聚透镜、球面元件、第二会聚透镜、光快门、四象限探测器、第三会聚透镜、第一针孔、第一光电探测器、第四会聚透镜、第二针孔、第二光电探测器、自定心夹具、旋转台、摆动台、精密位移台、控制器和计算机；
所述的球面元件固定在所述的自定心夹具上；
所述的照明光源发出的光束依次通过所述的半波片、偏振片、扩束器、反射镜、偏振分束器、四分之一波片和第一会聚透镜后，沿Z向垂直聚焦到所述的球面元件的待测表面；
所述的球面元件的待测表面的反射光依次通过所述的第一会聚透镜、四分之一波片，经所述的偏振分束器反射后，依次通过所述的第二会聚透镜和光快门，照射在所述的四象限探测器上；所述的第一会聚透镜和第二会聚透镜共焦；
所述的球面元件的待测表面的缺陷产生的一部分散射光依次经所述的第三会聚透镜和第一针孔，被所述第一光电探测器接收；所述的第一针孔位于散射光被所述的第三会聚透镜聚焦的聚焦光斑的位置，所述的第一针孔的直径等于聚焦光斑的直径；
所述的球面元件的待测表面的缺陷产生的另一部分散射光经依次经所述的第四会聚透镜和第二针孔，被所述第二光电探测器接收；所述的第二针孔位于散射光被所述的第四会聚透镜聚焦的聚焦光斑的位置，所述的第二针孔的直径等于聚焦光斑的直径；
所述的第三会聚透镜和第四会聚透镜的光轴分别与所述的第一会聚透镜的光轴的夹角均为θ(θ>0°)，即散射探测角度为θ；所述的第三会聚透镜的光轴的方位角与所述的第四会聚透镜的光轴的方位角相差90°的整数倍；所述的第三会聚透镜的光轴的方位角φ优选0°或180°，所述的第四会聚透镜的光轴的方位角φ优选90°或270°；
所述的自定心夹具置于所述的旋转台上，所述的旋转台位于所述的摆动台上，所述的摆动台位于所述的精密位移台上，所述的精密位移台包含X、Y和Z三维运动轴；
所述的旋转台的转轴与所述的第一会聚透镜的光轴平行；所述的摆动台的摆动轴沿X向或Y向；
所述的旋转台、摆动台和精密位移台分别与所述的控制器连接，所述的计算机分别与所述的四象限位置探测器、第一光电探测器、第二光电探测器和控制器的输出端连接。
利用上述球面元件表面缺陷散射探测装置进行球面元件表面缺陷的测量方法，该方法包括下列步骤：
1)将球面元件固定在所述的自定心夹具中，精密位移台将球面元件待测表面的顶点沿Z向移动到第一会聚透镜的焦点位置；
2)转动所述的半波片，使球面元件待测表面的反射光强度在所述的四象限探测器的承受范围内，打开所述的光开关；
3)所述的旋转台带动球面元件旋转360°，所述的四象限探测器同步等间隔采样记录N个反射光斑的坐标(xi,yi)，i＝1～N；坐标传输到所述的计算机；
4)所述的计算机根据反射光斑的坐标，利用椭圆方程，采用最小二乘法拟合椭圆，获得椭圆的长轴和短轴的长度a和b；
5)所述的精密位移台将球面元件在XOY平面内分别沿长轴和短轴的方向移动距离ka和kb，k为第一会聚透镜和第二会聚透镜组成的系统的倍率；
6)所述的旋转台带动球面元件再旋转360°，若反射光斑的坐标不变，则球面元件的定中调节完毕；否则，重复步骤3)～5)，直至完成球面元件的定中调节；
7)关闭所述的光开关，转动所述的半波片，使聚焦到球面元件表面的光斑的强度满足表面缺陷测量要求；
8)所述的旋转台和摆动台搭配使聚焦照明光斑对球面元件待测表面按同心圆路线扫描；球面元件待测表面的半径为R，口径为D，照明光聚焦光斑的直径为d，摆动台的摆动角度间隔为Δθ＝2arcsin(d/2R)，摆动次数为M＝INT[arcsin(D/2R)/Δθ]+1，INT为取整函数；测量不同圆周时，旋转台的旋转角度间隔为Δφ＝2arcsin{d/[2Rsin(mΔθ)]}，m＝1～M；每一周旋转次数为T＝INT(2π/Δφ)+1；
9)所述的第一光电探测器和第二光电探测器采集完球面元件待测表面的顶点的散射信号后，摆动台摆动一次，旋转台使球面元件按旋转角度间隔运动一周，每转动一次，所述的第一光电探测器和第二光电探测器同时采集当前点的散射信号；一周测量完成后，旋转台回到初始旋转位置；
10)重复步骤9)，完成球面元件待测表面所有区域的扫描；
11)所述的第一光电探测器和第二光电探测器采集的散射信号传输到所述的计算机；将散射强度信号转换为0～255的灰度值，得到两幅不同方位角但空间位置坐标一致的全口径灰度图像；利用二值化等算法分别对全口径灰度图像进行分割；将两幅全口径二值化图像通过或操作进行融合，即对两幅二值化图像中相同空间位置的值进行或运算；利用特征提取算法从融合图像中提取表面缺陷的位置和尺寸。
本发明的优点如下：
本发明球面元件表面缺陷散射探测装置和测量方法实现了原位球面元件定中调节和表面缺陷测量，避免了分离调节测量引起的定位误差，避免了已有的暗场成像测量系统结构和光源调节的复杂性，而且不会减弱缺陷散射信号强度。利用球面元件的轴对称性，通过球面元件快速旋转和散射暗场探测实现全口径快速高灵敏度测量。通过设置不同方位角的光电探测器提升了球面元件表面缺陷探测能力。
附图说明
图1是本发明球面元件表面缺陷散射探测装置的示意图
图2是本发明第一光电探测器和第二光电探测器的方位角设置的示意图
图3是本发明对球面元件全口径按同心圆路线扫描的示意图
图中：1-照明光源；2-半波片；3-偏振片；4-扩束器；5-反射镜；6-偏振分束器；7-四分之一波片；8-第一会聚透镜；9-球面元件；10-第二会聚透镜；11-光快门；12-四象限探测器；13-第三会聚透镜；14-第一针孔；15-第一光电探测器；16-第四会聚透镜；17-第二针孔；18-第二光电探测器；19-自定心夹具；20-旋转台；21-摆动台；22-精密位移台；23-控制器；24-计算机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细阐述，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例
图1为本发明实施例球面光学元件表面缺陷散射探测装置示意图，由图可见，本发明球面光学元件表面缺陷散射探测装置包括照明光源1、半波片2、偏振片3、扩束器4、反射镜5、偏振分束器6、四分之一波片7、第一会聚透镜8、球面元件9、第二会聚透镜10、光快门11、四象限探测器12、第三会聚透镜13、第一针孔14、第一光电探测器15、第四会聚透镜16、第二针孔17、第二光电探测器18、自定心夹具19、旋转台20、摆动台21、精密位移台22、控制器23和计算机24；所述的球面元件9固定在所述的自定心夹具19上；所述的照明光源1发出的光束依次通过所述的半波片2、偏振片3、扩束器4、反射镜5、偏振分束器6、四分之一波片7和第一会聚透镜8后，沿Z向垂直聚焦到所述的球面元件9的待测表面；所述的球面元件9的待测表面反射光依次通过所述的第一会聚透镜8、四分之一波片7，经所述的偏振分束器6反射后，依次通过所述的第二会聚透镜10和光快门11，照射在所述的四象限探测器12上；所述的第一会聚透镜8和第二会聚透镜10共焦；所述的球面元件9的待测表面缺陷产生的一部分散射光依次经所述的第三会聚透镜13和第一针孔14，被所述第一光电探测器15接收；所述的第一针孔14位于散射光被所述的第三会聚透镜13聚焦的聚焦光斑的位置，所述的第一针孔14的直径等于聚焦光斑的直径；所述的球面元件9的待测表面缺陷产生的另一部分散射光经依次经所述的第四会聚透镜16和第二针孔17，被所述第二光电探测器18接收；所述的第二针孔17位于散射光被所述的第四会聚透镜16聚焦的聚焦光斑的位置，所述的第二针孔17的直径等于聚焦光斑的直径；所述的第三会聚透镜13和第四会聚透镜16的光轴分别与所述的第一会聚透镜8的光轴的夹角均为θ(θ>0°)，即散射探测角度为θ；如图2所示，所述的第三会聚透镜13的光轴的方位角φ为0°，所述的第四会聚透镜16的光轴的方位角φ为90°；所述的自定心夹具19置于所述的旋转台20上，所述的旋转台20位于所述的摆动台21上，所述的摆动台21位于所述的精密位移台22上，所述的精密位移台22包含X、Y和Z三维运动轴；所述的旋转台20的转轴与所述的第一会聚透镜8的光轴平行；所述的摆动台2的摆动轴沿Y向；
所述的旋转台20、摆动台21和精密位移台22分别与所述的控制器23连接，所述的计算机24分别与所述的四象限位置探测器12、第一光电探测器15、第二光电探测器18和控制器23的输出端连接。
利用所述的球面元件表面缺陷散射探测装置进行球面元件表面缺陷的测量方法，包括下列步骤：
1)将球面元件9固定在所述的自定心夹具19中，精密位移台22将球面元件待测表面的顶点沿Z向移动到第一会聚透镜8的焦点位置；
2)转动所述的半波片2，使球面元件待测表面的反射光强度在所述的四象限探测器12的承受范围内，打开所述的光开关11；
3)所述的旋转台20带动球面元件9旋转360°，所述的四象限探测器12同步等间隔采样记录N个反射光斑的坐标(xi,yi)，i＝1～N；坐标传输到所述的计算机24；
4)所述的计算机24根据反射光斑的坐标，利用椭圆方程，采用最小二乘法拟合椭圆，获得椭圆的长轴和短轴的长度a和b；
5)所述的精密位移台22将球面元件9在XOY平面内分别沿长轴和短轴的方向移动距离ka和kb，k为第一会聚透镜8和第二会聚透镜10组成的系统的倍率；
6)所述的旋转台21带动球面元件9再旋转360°，若反射光斑的坐标不变，则球面元件的定中调节完毕；否则，重复步骤3)～5)，直至完成球面元件9的定中调节；
7)关闭所述的光开关11，转动所述的半波片2，使聚焦到球面元件表面的光斑的强度满足表面缺陷测量要求；
8)所述的旋转台20和摆动台21搭配使聚焦照明光斑对球面元件待测表面按同心圆路线扫描，如图3所示；球面元件待测表面的半径为R，口径为D，照明光聚焦光斑的直径为d，摆动台21的摆动角度间隔为Δθ＝2arcsin(d/2R)，摆动次数为M＝INT[arcsin(D/2R)/Δθ]+1，INT为取整函数；测量不同圆周时，旋转台20的旋转角度间隔为Δφ＝2arcsin{d/[2Rsin(mΔθ)]}，m＝1～M；每一周旋转次数为T＝INT(2π/Δφ)+1；
9)所述的第一光电探测器15和第二光电探测器18采集完球面元件待测表面的顶点的散射信号后，摆动台21摆动一次，旋转台20使球面元件9按旋转角度间隔运动一周，每转动一次，所述的第一光电探测器15和第二光电探测器18同时采集当前点的散射信号；一周测量完成后，旋转台20回到初始旋转位置；
10)重复步骤9)，完成球面元件待测表面所有区域的扫描；
11)所述的第一光电探测器15和第二光电探测器18采集的散射信号传输到所述的计算机24；将散射强度信号转换为0～255的灰度值，得到两幅不同方位角但空间位置坐标一致的全口径灰度图像；利用二值化等算法分别对全口径灰度图像进行分割；将两幅全口径二值化图像通过或操作进行融合，即对两幅二值化图像中相同空间位置的值进行或运算；利用特征提取算法从融合图像中提取表面缺陷的位置和尺寸。
实验表明，本发明球面元件表面缺陷散射探测装置在对球面元件定中调节后即可对待测表面进行原位快速扫描测量，避免了分离调节测量引起的定位误差，同时避免了已有的暗场成像测量系统结构和光源调节的复杂性。不同方位角采集的缺陷散射信号通过图像处理、融合后，提升了表面缺陷探测灵敏度。

Claims (3)

1.一种球面元件表面缺陷散射探测装置，其特征在于，包括照明光源(1)、半波片(2)、偏振片(3)、扩束器(4)、反射镜(5)、偏振分束器(6)、四分之一波片(7)、第一会聚透镜(8)、球面元件(9)、第二会聚透镜(10)、光快门(11)、四象限探测器(12)、第三会聚透镜(13)、第一针孔(14)、第一光电探测器(15)、第四会聚透镜(16)、第二针孔(17)、第二光电探测器(18)、自定心夹具(19)、旋转台(20)、摆动台(21)、精密位移台(22)、控制器(23)和计算机(24)；
所述的球面元件(9)固定在所述的自定心夹具(19)上；
所述的照明光源(1)发出的光束依次通过所述的半波片(2)、偏振片(3)、扩束器(4)、反射镜(5)、偏振分束器(6)、四分之一波片(7)和第一会聚透镜(8)后，沿Z向垂直聚焦到所述的球面元件(9)的待测表面；
所述的球面元件(9)的待测表面的反射光依次通过所述的第一会聚透镜(8)、四分之一波片(7)，经所述的偏振分束器(6)反射后，依次通过所述的第二会聚透镜(10)和光快门(11)，照射在所述的四象限探测器(12)上；所述的第一会聚透镜(8)和第二会聚透镜(10)共焦；
所述的球面元件(9)的待测表面的缺陷产生的一部分散射光依次经所述的第三会聚透镜(13)和第一针孔(14)，被所述的第一光电探测器(15)接收；所述的第一针孔(14)位于散射光被所述的第三会聚透镜(13)聚焦的聚焦光斑的位置，所述的第一针孔(14)的直径等于聚焦光斑的直径；
所述的球面元件(9)的待测表面的缺陷产生的另一部分散射光依次经所述的第四会聚透镜(16)和第二针孔(17)，被所述第二光电探测器(18)接收；所述的第二针孔(17)位于散射光被所述的第四会聚透镜(16)聚焦的聚焦光斑的位置，所述的第二针孔(17)的直径等于聚焦光斑的直径；
所述的第三会聚透镜(13)和第四会聚透镜(16)的光轴分别与所述的第一会聚透镜(8)的光轴的夹角均为θ，θ>0°，即散射探测角度为θ；所述的第三会聚透镜(13)的光轴的方位角与所述的第四会聚透镜(16)的光轴的方位角相差90°的整数倍；
所述的自定心夹具(19)置于所述的旋转台(20)上，所述的旋转台(20)位于所述的摆动台(21)上，所述的摆动台(21)位于所述的精密位移台(22)上，所述的精密位移台(22)包含X、Y和Z三维运动轴；
所述的旋转台(20)的转轴与所述的第一会聚透镜(8)的光轴平行；所述的摆动台(21)的摆动轴沿X向或Y向；
所述的旋转台(20)、摆动台(21)和精密位移台(22)分别与所述的控制器(23)连接，所述的计算机(24)分别与所述的四象限探测器(12)、第一光电探测器(15)、第二光电探测器(18)和控制器(23)的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的球面元件表面缺陷散射探测装置，其特征在于，所述的第三会聚透镜(13)的光轴的方位角φ为0°或180°，所述的第四会聚透镜(16)的光轴的方位角φ为90°或270°。
3.利用权利要求1所述的球面元件表面缺陷散射探测装置进行所述的球面元件(9)表面缺陷的测量方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
1)将所述的球面元件(9)固定在所述的自定心夹具(19)中，精密位移台(22)将球面元件待测表面的顶点沿Z向移动到第一会聚透镜(8)的焦点位置；
2)转动所述的半波片(2)，使所述的球面元件(9)的待测表面的反射光强度在所述的四象限探测器(12)的承受范围内，打开所述的光快门(11)；
3)所述的旋转台(20)带动所述的球面元件(9)旋转360°，所述的四象限探测器(12)同步等间隔地采样记录N个反射光斑的坐标(xi,yi)，i＝1～N；坐标传输到所述的计算机(24)；
4)所述的计算机(24)根据反射光斑的坐标，利用椭圆方程，采用最小二乘法拟合椭圆，获得椭圆的长轴和短轴的长度a和b；
5)所述的精密位移台(22)将所述的球面元件(9)在XOY平面内分别沿长轴和短轴的方向移动距离ka和kb，k为第一会聚透镜(8)和第二会聚透镜(10)组成的系统的倍率；
6)所述的旋转台(20)带动所述的球面元件(9)再旋转360°，若反射光斑的坐标不变，则所述的球面元件(9)的定中调节完毕；否则，重复步骤3)～5)，直至完成所述的球面元件(9)的定中调节；
7)关闭所述的光快门(11)，转动所述的半波片(2)，使聚焦到所述的球面元件(9)表面的光斑的强度满足表面缺陷测量要求；
8)所述的旋转台(20)和摆动台(21)搭配，使聚焦照明光斑对所述的球面元件(9)的待测表面按同心圆路线扫描；所述的球面元件(9)待测表面的半径为R，口径为D，照明光的聚焦光斑的直径为d，所述的摆动台(21)的摆动角度的间隔为Δθ＝2arcsin(d/2R)，摆动次数为M＝INT[arcsin(D/2R)/Δθ]+1，INT为取整函数；测量不同圆周时，所述的旋转台(20)的旋转角度的间隔为Δφ＝2arcsin{d/[2Rsin(mΔθ)]}，m＝1～M；每一周的旋转次数为T＝INT(2π/Δφ)+1；
9)所述的第一光电探测器(15)和第二光电探测器(18)采集完所述的球面元件(9)的待测表面的顶点的散射信号后，所述的摆动台(21)摆动一次，所述的旋转台(20)使所述的球面元件(9)按旋转角度间隔运动一周，每转动一次，所述的第一光电探测器(15)和第二光电探测器(18)同时采集当前点的散射信号；一周测量完成后，所述的旋转台(20)回到初始旋转位置；
10)重复步骤9)，完成所述的球面元件(9)的待测表面所有区域的扫描；
11)所述的第一光电探测器(15)和第二光电探测器(18)采集的散射信号传输到所述的计算机(24)；将散射强度信号转换为0～255的灰度值，得到两幅不同方位角但空间位置坐标一致的全口径灰度图像；利用二值化算法分别对全口径灰度图像进行分割；将两幅全口径二值化图像通过或操作进行融合，即对两幅二值化图像中相同空间位置的值进行或运算；利用特征提取算法从融合图像中提取表面缺陷的位置和尺寸。
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