CN113916891B - 基于光纤环形光束的暗场共焦布里渊显微测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

基于光纤环形光束的暗场共焦布里渊显微测量装置与方法，属于光学精密测量技术领域。本发明装置包括光纤环形光照明模块、环形光扫描模块、明场共聚焦模块、暗场共焦布里渊频谱分析模块；通过光纤产生环形照明光束与互补孔径遮挡探测，有效分离样品表面反射信号与亚表面散射信号，可同时获取微米级表面及亚表面划痕、磨损及亚表面裂痕、气泡等缺陷的三维分布信息；共聚焦及布里渊频谱立体测量可对样品机械性质进行三维检测。

Description

基于光纤环形光束的暗场共焦布里渊显微测量装置与方法

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，主要涉及一种基于光纤环形光束的暗场共焦布里渊显微测量装置与方法。通过光纤产生环形照明光束与互补孔径遮挡探测，有效分离样品表面反射信号与亚表面散射信号，可同时获取纳米级表面划痕、磨损及亚表面裂痕、气泡等缺陷的三维分布信息；共焦布里渊频谱立体测量可对样品机械性质进行三维检测。

背景技术

高性能光学元件及光学材料在精密仪器制造和重大光学工程研究中有着广泛的应用，是光学系统性能的根基，因此对光学元件及光学材料在表面和亚表面中的机械结构、化学成分以及晶格结构缺陷高分辨率精密检测起着重要的作用。

共焦显微测量技术由于其良好的光学层析能力和高分辨率成像的优势，已成为光学元件无损检测的重要手段。其中，暗场共聚焦测量技术作为共聚焦显微测量技术的重要分支，利用在暗场背景条件下对样品中光源的散射信号进行收集从而实现无荧光标记、高对比度、高分辨率的显微成像。由于暗场共聚焦显微技术能够有效抑制表面反射光，因此为光学元件表面及亚表面检测提供了新的途径。

然而普通光学暗场共聚焦显微测量技术的测量需要引入环形光生成部件如锥透镜对、空间光调制器等，大大增加了系统的调试难度；另一方面，普通光学暗场或明场范围均局限于几何缺陷的检测，如划痕、弯曲、阶跃、磨损等，无法获取样品的其他化学特性，一定程度上限制了光学元件检测及分析的全面性。本发明公开基于光纤环形光束的暗场共焦布里渊显微测量装置与方法，在获取表面划痕、磨损及亚表面裂痕、气泡等缺陷的几何三维分布信息的同时，可通过布里渊频谱的测量对样品表面及亚表面的力学性质如声速、声阻抗等性质进行检测，兼具表面及亚表面缺陷一体化检测功能；该技术利用光纤生成环形光，压缩成像系统整体体积的同时可降低系统的调试难度，该技术可有效填补上述需求。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明公开了一种基于光纤环形光束的暗场共焦布里渊显微测量装置与方法，该装置与方法同现有技术相比，解决了普通暗场共聚焦技术无法对样品机械声学性质进行检测的缺陷，在保证高对比度、高分辨率、高信噪比的同时有效压缩了整个显微测量系统的体积。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种基于光纤环形光束的暗场共焦布里渊显微测量装置，包括环形光照明模块、环形光扫描模块、明场共焦探测模块、暗场共焦布里渊频谱分析模块；

环形光照明模块按照光线传播方向依次为：激光器一、单模光纤一、双模光纤、激光器二、单模光纤二、波分复用器、光纤准直器、扩束器、半波片和孔径光阑一；

环形光扫描模块按照光线传播方向依次为：半反半透膜、二维扫描振镜、扫描透镜、管镜、物镜和待测样品；

明场共焦探测模块按照光线传播方向依次为：二向色镜、聚焦透镜一、针孔和PMT探测器；

暗场共焦布里渊频谱分析模块按照光线传播方向依次为：孔径光阑二、聚焦透镜二、单模光纤二、虚拟成像相控阵列光谱仪和sCMOS相机；

进一步地：单模光纤一截止波长为400nm-500nm，纤芯直径为3μm-3.5μm；双模光纤截止波长为550nm-600nm，纤芯直径为3.5μm-4.5μm。

进一步地：单模光纤一与双模光纤错位熔接，通过准直器、扩束器生成平行光束。

进一步地：通过缠绕双模光纤并旋转半波片可以调节光场分布至环形光束。

进一步地：双模光纤输出环形光波长范围为500nm～550nm，单模光纤二输出实心光波长范围为600nm-650nm；双模光纤与单模光纤二输出端连接波分复用器，输出双波长照明。

进一步地：孔径光阑一滤出经过扫描系统后能匹配物镜入射孔径的环形光斑。

进一步地：二向色镜将光路分成两路探测光束：明场共焦探测光路及暗场共焦布里渊探测光路，同时实现样品的表面定位及表面和亚表面的布里渊散射信号收集；

进一步地：孔径光阑二的孔径与双模光纤产生、并由扩束器扩束后的环形光孔径严格互补匹配，调节至1.5mm～2mm，以完全遮挡来自样品的反射光束，只允许携带待测样品信息的散射光进入后续探测光路，有效分离来自样品的反射信号与散射信号；

进一步地：经过孔径光阑二滤除反射光的信号由聚焦透镜聚焦至单模光纤二的输入端进行共聚焦探测，单模光纤二输出端连接高分辨率虚拟成像相控阵列，sCMOS相机放置于虚拟成像相控阵列之后。

本发明提供了一种基于光纤环形光束的暗场共焦布里渊显微测量方法，该方法是基于所述基于光纤环形光束的暗场共焦布里渊显微测量装置实现的，具体步骤：

步骤a、激光器一所发激光光束，经过单模光纤一耦合进入双模光纤后变为部分环形光，激光器二所发激光光束注入单模光纤二输出实心光，双模光纤3和单模光纤二连接波分复用器，波分复用器输出双波长照明光；

步骤b、波分复用器输出的部分环形光以及实心光经过准直器7和扩束器被准直放大为大孔径平行光束并入射至半波片，旋转半波片至激光器一所发入射光束被整形为标准环形光束，平行光束经孔径光阑一截取光斑中心部分，使环形光外径匹配物镜入射孔径；

步骤c、处理后的双波长照明光经过半反半透膜、二维扫描振镜反射，通过扫描透镜聚焦至管镜前焦面处，通过管镜产生环形平行光束入射物镜，在待测样品上形成聚焦光斑，实现对待测样品的双波长照明；

步骤d、控制二维扫描振镜偏转使聚焦光斑在待测样品上进行二维扫描，待测样品表面及亚表面中的直接反射光与散射光依次经过物镜、管镜、扫描透镜、二维扫描振镜后，透射半反半透膜，实现对样品的双波长扫描；

步骤e、竖直方向移动待测样品，进行对待测样品不同轴向位置的横向二维扫描，实现对待测样品的三维显微测量；

步骤f、二向色镜将光束分为两路：明场共焦探测光路及暗场共焦布里渊探测光路，其中，反射光路为明场共焦探测光路，实心光经过聚焦透镜一聚焦至针孔，由PMT探测器收集信号；

步骤g、二向色镜透射光路传输环形光，入射到孔径光阑二的光束被滤去反射光成分，只留下散射光信号，散射光束经过聚焦透镜二，被聚焦至单模光纤三入射端端面纤芯位置从而耦合进单模光纤三，散射光信号通过单模光纤三输出端入射虚拟成像相控阵列光谱仪，sCMOS相机对散射信号进行布里渊频谱采集与分析，完成对待测样品的暗场共焦布里渊探测。

进一步地：激光器一所发激光光束的波长范围为500nm～550nm，激光器二所发激光光束的波长范围为600nm-650nm。

有益效果：

第一、使用光纤中的模式耦合生成环形光束，并使用环形光互补孔径遮挡反射光，有效隔离样品表面反射信号，同时保留表面及亚表面的散射信号，实现高对比度光学器件的表面及亚表面缺陷检测；

第二、装置采用暗场共焦布里渊探测模块，可以以无标记方式感知样品三维力学信息，可以测量样品形貌以外的化学缺陷。

附图说明

图1附图为本发明提供的基于光纤环形光束的暗场共焦布里渊显微测量装置结构示意图。

图中：1激光器一、2单模光纤一、3双模光纤、4激光器二、5单模光纤二、6波分复用器、7准直器、8扩束器、9半波片、10孔径光阑一、11半反半透膜、12二维扫描振镜、13扫描透镜、14管镜、15物镜、16待测样品、17二向色镜、18聚焦透镜一、19针孔、20PMT探测器、21孔径光阑二、22聚焦透镜二、23单模光纤三、24虚拟成像相控阵列、25sCMOS相机；

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

实施例1：如附图1所示本实施例提供了一种基于光纤环形光束的暗场共焦布里渊显微测量装置，用于实现样品的明场共聚焦与暗场布里渊一体化探测功能。

包括环形光照明模块、环形光扫描模块、明场共焦探测模块、暗场布里渊频谱分析模块；

环形光照明模块按照光线传播方向依次为：激光器一1、单模光纤一2、双模光纤3、激光器二4、单模光纤二5、波分复用器6、光纤准直器7、扩束器8、半波片9、孔径光阑一10；

激光器一1所发激光光束，经过单模光纤一2耦合进入双模光纤3后变为部分环形光，激光器二4所发激光光束注入单模光纤二5输出实心光，双模光纤3和单模光纤二5连接波分复用器6，波分复用器6输出双波长照明光，输出端通过准直器7和扩束器8被准直放大为大孔径平行光束并入射至半波片9，旋转半波片9至激光器一1所发入射光束被整形为环形光束，平行光束经孔径光阑一10截取光斑中心部分，使环形光外径匹配物镜15入射孔径；

环形光扫描模块按照光线传播方向依次为：半反半透膜11、二维扫描振镜12、扫描透镜13、管镜14、物镜15、待测样品16；

双波长照明光经半反半透膜11、二维扫描振镜12反射，通过扫描透镜13聚焦至管镜14前焦面处，通过管镜14产生环形平行光束入射物镜15，在待测样品16上形成聚焦光斑，实现对待测样品16的双波长照明；

明场共焦探测模块按照光线传播方向依次为：二向色镜17、聚焦透镜一18、针孔19、PMT探测器20；

二向色镜17将光束分为两路：明场共焦探测光路及暗场共焦布里渊探测光路，其中，反射光路为明场共焦探测光路，实心光经过聚焦透镜一18聚焦至针孔19，由PMT探测器20收集信号；

暗场布里渊频谱分析模块按照光线传播方向依次为：孔径光阑二21、聚焦透镜二22、单模光纤三23、虚拟成像相控阵列光谱仪24、sCMOS相机25；

环形光入射到孔径光阑二21的光束被滤去反射光成分，只留下散射光信号，散射光束经过聚焦透镜二22，被聚焦至单模光纤三23入射端端面纤芯位置从而耦合进单模光纤三23，散射光信号通过单模光纤三23输出端入射虚拟成像相控阵列光谱仪24，sCMOS相机25对散射信号进行布里渊频谱采集与分析，完成对待测样品16的暗场共焦布里渊探测。

更为具体地：单模光纤一2截止波长为400nm～500nm，纤芯直径为3μm～3.5μm；双模光纤3截止波长为550nm～600nm，纤芯直径为3.5μm～4.5μm。

更为具体地：单模光纤一2与双模光纤3错位熔接，错位量控制为4μm-4.5μm，通过准直器7、扩束器8生成平行光束，双模光纤输出的环形光束暗斑直径为1.5mm-2mm。

更为具体地：通过缠绕双模光纤3并旋转半波片9可以调节光场分布至标准环形光束。

更为具体地：双模光纤3传输波长为500nm-550nm环形光，单模光纤二5传输波长600nm-650nm实心光，双模光纤3与单模光纤二5输出端连接波分复用器6，输出双波长照明光。

更为具体地：孔径光阑一10滤出经过扫描模块后能匹配物镜15入射孔径的环形光斑。

更为具体地：二向色镜17将光路分成两路探测光束：明场共焦探测光路及暗场共焦布里渊探测光路，同时实现待测样品16的表面定位及表面和亚表面的布里渊散射信号收集。

更为具体地：孔径光阑二21的孔径与环形光孔径严格互补匹配，孔径光阑二21应完全遮挡来自待测样品16的反射光束，只允许携带待测样品16信息的散射光进入后续探测光路，有效分离来自样品16的反射信号与散射信号；

更为具体地：经过孔径光阑二21滤除反射光的信号由聚焦透镜22聚焦至单模光纤三23的输入端进行共聚焦探测，单模光纤三23输出端连接高分辨率虚拟成像相控阵列24，其后摆放sCMOS相机25。

实施例2：本实施例提供了一种基于光纤环形光束的暗场共焦布里渊显微测量方法，用于实现样品的明场共聚焦与暗场布里渊一体化探测功能。具体步骤：

步骤a、激光器一1所发激光光束，经过单模光纤一2耦合进入双模光纤3后变为部分环形光，激光器二4所发激光光束注入单模光纤二5输出实心光，双模光纤3和单模光纤二5连接波分复用器6，波分复用器6输出双波长照明光；

步骤b、波分复用器6输出的部分环形光以及实心光经过准直器7和扩束器8被准直放大为大孔径平行光束并入射至半波片9，旋转半波片9至激光器一1所发入射光束被整形为标准环形光束，平行光束经孔径光阑一10截取光斑中心部分，使环形光外径匹配物镜15入射孔径；

步骤c、生成的双波长照明光经过半反半透膜11、二维扫描振镜12反射，通过扫描透镜13聚焦至管镜14前焦面处，通过管镜14产生环形平行光束入射物镜15，在待测样品16上形成聚焦光斑，实现对待测样品16的双波长照明；

步骤d、控制二维扫描振镜12偏转使聚焦光斑在待测样品16上进行二维扫描，待测样品16表面及亚表面中的直接反射光与散射光依次经过物镜15、管镜14、扫描透镜13、二维扫描振镜12后，透射半反半透膜11，实现对样品16的双波长扫描；

步骤e、竖直方向移动待测样品16，进行对待测样品16不同轴向位置的横向二维扫描，实现对待测样品16的三维显微测量；

步骤f、二向色镜17将光束分为两路：明场共焦探测光路及暗场共焦布里渊探测光路，其中，反射光路为明场共焦探测光路，实心光经过聚焦透镜一18聚焦至针孔19，由PMT探测器20收集信号；

步骤g、二向色镜17透射光路传输环形光，入射到孔径光阑二21的光束被滤去反射光成分，只留下散射光信号，散射光束经过聚焦透镜二22，被聚焦至单模光纤三23入射端端面纤芯位置从而耦合进单模光纤三23，散射光信号通过单模光纤三23输出端入射虚拟成像相控阵列光谱仪24，sCMOS相机25对散射信号进行布里渊频谱采集与分析，完成对待测样品16的暗场共焦布里渊探测。

更为具体地：激光器一1所发激光光束的波长范围为500nm～550nm，激光器二4所发激光光束的波长范围为600nm-650nm。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (4)

1.基于光纤环形光束的暗场共焦布里渊显微测量装置，其特征在于：包括环形光照明模块、环形光扫描模块、明场共焦探测模块和暗场布里渊频谱分析模块；

环形光照明模块按照光线传播方向依次为：激光器一（1）、单模光纤一（2）、双模光纤（3）、激光器二（4）、单模光纤二（5）、波分复用器（6）、光纤准直器（7）、扩束器（8）、半波片（9）和孔径光阑一（10）；

环形光扫描模块按照光线传播方向依次为：半反半透膜（11）、二维扫描振镜（12）、扫描透镜（13）、管镜（14）、物镜（15）和待测样品（16）；

明场共焦探测模块按照光线传播方向依次为：二向色镜（17）、聚焦透镜一（18）、针孔（19）和PMT探测器（20）；

暗场布里渊频谱分析模块按照光线传播方向依次为：孔径光阑二（21）、聚焦透镜二（22）、单模光纤三（23）、虚拟成像相控阵列光谱仪（24）和sCMOS相机（25）；

单模光纤一（2）与双模光纤（3）错位熔接，通过准直器（7）、扩束器（8）生成平行光束；通过缠绕双模光纤（3）并旋转半波片（9）调节光场分布至环形光；

双模光纤（3）输出环形光波长范围为500nm~550nm，单模光纤二（5）输出实心光波长范围为600nm-650nm；双模光纤（3）与单模光纤二（5）输出端连接波分复用器（6），输出双波长照明光；

孔径光阑一（10）滤出匹配物镜（15）入射孔径的环形光斑；孔径光阑二（21）的孔径与双模光纤（3）产生、并由扩束器（8）扩束后的环形光孔径互补匹配，调节至1.5mm~2mm，只允许携带待测样品（16）信息的散射光进入后续探测光路。

2.根据权利要求1所述的基于光纤环形光束的暗场共焦布里渊显微测量装置，其特征在于：单模光纤一（2）截止波长为400nm~500nm，纤芯直径为3μm~3.5μm；双模光纤（3）截止波长为550nm~600nm，纤芯直径为3.5μm ~4.5μm。

3.基于光纤环形光束的暗场共焦布里渊显微测量方法，该方法是基于权利要求1或2所述基于光纤环形光束的暗场共焦布里渊显微测量装置实现的，其特征在于：具体步骤包括：

步骤a、激光器一（1）所发激光光束，经过单模光纤一（2）耦合进入双模光纤（3）后变为部分环形光，激光器二（4）所发激光光束注入单模光纤二（5）输出实心光，双模光纤（3）和单模光纤二（5）连接波分复用器（6），波分复用器（6）输出双波长照明光；

步骤b、波分复用器（6）输出的部分环形光以及实心光经过准直器（7）和扩束器（8）被准直放大为大孔径平行光束并入射至半波片（9），旋转半波片（9）至激光器一（1）所发入射光束被整形为标准环形光束，平行光束经孔径光阑一（10）截取光斑中心部分，使环形光外径匹配物镜（15）入射孔径；

步骤c、处理后的双波长照明光经过半反半透膜（11）、二维扫描振镜（12）反射，通过扫描透镜（13）聚焦至管镜（14）前焦面处，通过管镜（14）产生环形平行光束入射物镜（15），在待测样品（16）上形成聚焦光斑，实现对待测样品（16）的双波长照明；

步骤d、控制二维扫描振镜（12）偏转使聚焦光斑在待测样品（16）上进行二维扫描，待测样品（16）表面及亚表面中的直接反射光与散射光依次经过物镜（15）、管镜（14）、扫描透镜（13）、二维扫描振镜（12）后，透射半反半透膜（11），实现对样品（16）的双波长扫描；

步骤e、竖直方向移动待测样品（16），进行对待测样品（16）不同轴向位置的横向二维扫描，实现对待测样品（16）的三维显微测量；

步骤f、二向色镜（17）将光束分为两路：明场共焦探测光路及暗场共焦布里渊探测光路，其中，反射光路为明场共焦探测光路，实心光经过聚焦透镜一（18）聚焦至针孔（19），由PMT探测器（20）收集信号；

步骤g、二向色镜（17）透射光路传输环形光，入射到孔径光阑二（21）的光束被滤去反射光成分，只留下散射光信号，散射光束经过聚焦透镜二（22），被聚焦至单模光纤三（23）入射端端面纤芯位置从而耦合进单模光纤三（23），散射光信号通过单模光纤三（23）输出端入射虚拟成像相控阵列光谱仪（24），sCMOS相机（25）对散射信号进行布里渊频谱采集与分析，完成对待测样品（16）的暗场共焦布里渊探测。

4.根据权利要求3所述的基于光纤环形光束的暗场共焦布里渊显微测量方法，激光器一（1）所发激光光束的波长为500nm~550nm，激光器二（4）所发激光光束的波长为600nm-650nm。