CN113959357A - 一种表面及亚表面一体化共焦显微测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了表面及亚表面一体化共焦显微测量装置和方法，装置包括环形光照明扫描模块、暗场共焦探测模块和反射共焦探测模块；环形光照明扫描模块包括激光器、扩束镜、偏振片一、衍射型平板锥透镜一、衍射型平板锥透镜二、分光棱镜、物镜、三维位移台；反射共焦探测模块包括带通光孔的反射镜、偏振片一、聚焦透镜一、针孔一和相机一；暗场共焦探测模块包括偏振片二、聚焦透镜二、针孔二和相机二。本发明通过照明光束整形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，兼具表面及亚表面缺陷一体化检测功能。
Description
技术领域
本发明涉及光学精密测量技术领域，更具体的说是涉及一种表面及亚表面一体化共焦显微测量装置和方法。
背景技术
高性能光学元件及微机电元件是现代高端装备的核心组成部分，为保障其加工质量和服役可靠性需要对其进行表面形貌测量和亚表面缺陷检测。
国内外现有表面形貌无损测量技术主要包括：共焦显微测量技术、白光干涉显微测量技术和变焦显微测量技术。其中共焦显微测量技术相比于另外两种技术具有测量样品适用性宽、可以测量复杂样品结构的特点，因而在工业检测领域广泛应用。亚表面缺陷无损检测技术主要包括：激光调制散射技术，全内反射显微技术，光学相干层析技术，高频扫描声学显微技术，X射线显微成像技术。其普遍存在深度定位精度不高、信噪比低、检测效率不高，检测样品受限等不足。且目前国内外尚无设备能够同时实现表面形貌测量和亚表面缺陷检测这两种功能。
因此，如何提供一种表面及亚表面一体化共焦显微测量装置是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
针对此问题，不同于发明人前期提出的表面及亚表面一体化共焦显微测量装置，本发明的创新点在于：使用两个同轴衍射型平板锥透镜将高斯光束整形为环形光束，同时利用带通光孔的反射镜，实现环形光照明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，同时实现表面形貌测量和亚表面缺陷检测这两种功能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
表面及亚表面一体化共焦显微测量装置，包括环形光照明扫描模块、暗场共焦探测模块和反射共焦探测模块；
环形光照明扫描模块按照光线传播方向依次包括：激光器、扩束镜、偏振片一、衍射型平板锥透镜一、衍射型平板锥透镜二、分光棱镜、物镜和三维位移台；
反射共焦探测模块按照光线传播方向依次包括：带通光孔的反射镜、偏振片二、聚焦透镜一、针孔一和相机一；
所述暗场共焦探测模块按照光线传播方向依次包括：偏振片三、聚焦透镜二、针孔二和相机二。
进一步，衍射型平板锥透镜一与衍射型平板锥透镜二组合将线偏振高斯光束整形为线偏振环形光束，通过调节衍射型平板锥透镜一与衍射型平板锥透镜二之间的距离d改变线偏振环形光束内外径的大小，且所述整形后的线偏振环形光束充满物镜的入瞳，实现对样品的暗场观察需求。
进一步，带通光孔的反射镜的通光孔径与所述线偏振环形光束的内径相同。
表面及亚表面一体化共焦显微测量方法，包括以下具体步骤：
步骤一、激光器所发平行激光光束，通过扩束镜放大平行激光光束的直径，经过偏振片一变为线偏振高斯光束，经过衍射型平板锥透镜一与衍射型平板锥透镜二后，线偏振高斯光束整形为线偏振环形光束，线偏振环形光束透射通过分光棱镜入射至物镜，在待测样品上形成聚焦光斑，实现对待测样品环形光照明；
控制三维位移台三维移动，使聚焦光斑在待测样品上进行三维扫描，待测样品表面及亚表面中反射光与散射光经过物镜，并通过分光棱镜反射，实现对待测样品的环形光扫描成像；
步骤二、经过分光棱镜反射至带通光孔的反射镜的光束分为两路探测光束：反射光束依次经过偏振片二和聚焦透镜一聚焦至针孔一的中心处，离焦光束被所述针孔一阻挡，准焦光束携带待测样品的反射信息至相机一；透射光束依次经过偏振片三和聚焦透镜二聚焦至针孔二的中心处，离焦光束被针孔二阻挡，准焦光束携带待测样品的散射信息至相机二。
进一步，经衍射型平板锥透镜一与衍射型平板锥透镜二整形后的线偏振环形光束充满物镜的入瞳，实现对样品的暗场观察需求。
进一步，带通光孔的反射镜的通光孔径与线偏振环形光束的内径相同。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种表面及亚表面一体化共焦显微测量装置和方法，通过照明光束整形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，兼具表面及亚表面缺陷一体化检测功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的表面及亚表面一体化共焦显微测量装置的结构示意图。
其中，
1激光器、2扩束镜、3偏振片一、4衍射型平板锥透镜一、5衍射型平板锥透镜二、6分光棱镜、7物镜、8三维位移台、9带通光孔的反射镜、10偏振片二、11聚焦透镜一、12针孔一、13相机一、14偏振片三、15聚焦透镜二、16针孔二、17相机二。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种表面及亚表面一体化共焦显微测量装置，实现待测样品纳米级表面及亚表面缺陷一体化检测功能。
包括环形光照明扫描模块、反射共焦探测模块、暗场共焦探测模块；
环形光照明扫描模块按照光线传播方向依次包括：激光器1、扩束镜2、偏振片一3、衍射型平板锥透镜一4、衍射型平板锥透镜二5、分光棱镜6、物镜7、三维位移台8；
激光器1所发平行激光光束，通过扩束镜2放大平行激光光束的直径，经过偏振片一3变为线偏振高斯光束，经过衍射型平板锥透镜一4与衍射型平板锥透镜二5后，线偏振高斯光束整形为线偏振环形光束，线偏振环形光束透射通过分光棱镜6入射至物镜7，在待测样品上形成聚焦光斑，实现对所述待测样品环形光照明；控制三维位移台8三维移动，使聚焦光斑在待测样品上进行三维扫描，待测样品表面及亚表面中反射光与散射光经过物镜7，并通过分光棱镜6反射，实现对待测样品的环形光扫描成像；
反射共焦探测模块按照光线传播方向依次包括：带通光孔的反射镜9、偏振片二10、聚焦透镜一11、针孔一12和相机一13；
经过分光棱镜6反射至带通光孔的反射镜9的光束分为两路探测光束：其中一路反射光束依次经过偏振片二10和聚焦透镜一11聚焦至针孔一12的中心处，离焦光束被针孔一12阻挡，准焦光束携带待测样品的反射信息至相机一13；
暗场共焦探测模块按照光线传播方向依次包括：偏振片三14、聚焦透镜二15、针孔二16和相机二17；
另一路透射光束依次经过偏振片三14和聚焦透镜二15聚焦至针孔二16的中心处，离焦光束被针孔二16阻挡，准焦光束携带待测样品的散射信息至相机二17。
更为具体地：衍射型平板锥透镜一4与衍射型平板锥透镜二5组合将线偏振高斯光束整形为线偏振环形光束，通过调节衍射型平板锥透镜一4与衍射型平板锥透镜二5之间的距离d改变线偏振环形光束内外径的大小，且整形后的线偏振环形光束充满物镜的入瞳，实现对样品的暗场观察需求。
更为具体地：带通光孔的反射镜9的通光孔径与线偏振环形光束的内径相同，使得来自待测样品的直接反射光与散射光分离，同时实现对样品的表面及亚表面中的散射、反射光束的探测收集。
一种表面及亚表面一体化共焦显微测量方法，用于实现待测样品纳米级表面及亚表面缺陷一体化检测功能，具体步骤包括：
步骤一、激光器1所发平行激光光束，通过扩束镜2放大平行激光光束的直径，经过偏振片一3变为线偏振高斯光束，经过衍射型平板锥透镜一4与衍射型平板锥透镜二5后，线偏振高斯光束整形为线偏振环形光束，线偏振环形光束透射通过分光棱镜6入射至物镜7，在待测样品上形成聚焦光斑，实现对待测样品环形光照明；控制三维位移台8三维移动，使聚焦光斑在待测样品上进行三维扫描，待测样品表面及亚表面中反射光与散射光经过物镜7，并通过分光棱镜6反射，实现对待测样品的环形光扫描成像；
步骤二、经过分光棱镜6反射至带通光孔的反射镜9的光束分为两路探测光束：反射光束依次经过偏振片二10和聚焦透镜一11聚焦至针孔一12的中心处，离焦光束被针孔一12阻挡，准焦光束携带待测样品的反射信息至相机一13；透射光束依次经过偏振片三14和聚焦透镜二15聚焦至针孔二16的中心处，离焦光束被针孔二16阻挡，准焦光束携带待测样品的散射信息至相机二17。
本发明有益效果：
1)使用两个同轴衍射型平板锥透镜将高斯光束整形为环形光束，同时利用带通光孔的反射镜，实现环形光照明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，实现高性能光学元件及微机电元件的亚表面缺陷检测。
2)装置包括暗场共焦探测与反射共焦探测两个探测模块，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，兼具表面及亚表面缺陷一体化检测功能。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.表面及亚表面一体化共焦显微测量装置，其特征在于，包括环形光照明扫描模块、暗场共焦探测模块和反射共焦探测模块；
环形光照明扫描模块按照光线传播方向依次包括：激光器(1)、扩束镜(2)、偏振片一(3)、衍射型平板锥透镜一(4)、衍射型平板锥透镜二(5)、分光棱镜(6)、物镜(7)和三维位移台(8)；
反射共焦探测模块按照光线传播方向依次包括：带通光孔的反射镜(9)、偏振片二(10)、聚焦透镜一(11)、针孔一(12)和相机一(13)；
暗场共焦探测模块按照光线传播方向依次包括：偏振片三(14)、聚焦透镜二(15)、针孔二(16)和相机二(17)。
2.根据权利要求1所述的表面及亚表面一体化共焦显微测量装置，其特征在于，衍射型平板锥透镜一(4)与衍射型平板锥透镜二(5)组合将线偏振高斯光束整形为线偏振环形光束，通过调节衍射型平板锥透镜一(4)与衍射型平板锥透镜二(5)之间的距离d改变线偏振环形光束内外径的大小，且整形后的线偏振环形光束充满物镜(7)的入瞳，实现对样品的暗场观察需求。
3.根据权利要求2所述的表面及亚表面一体化共焦显微测量装置，其特征在于，带通光孔的反射镜(9)的通光孔径与线偏振环形光束的内径相同。
4.表面及亚表面一体化共焦显微测量方法，该方法是基于权利要求1～3任一所述表面及亚表面一体化共焦显微测量装置实现，其特征在于，包括以下具体步骤：
步骤一、激光器(1)所发平行激光光束，通过扩束镜(2)放大平行激光光束的直径，经过偏振片一(3)变为线偏振高斯光束，经过衍射型平板锥透镜一(4)与衍射型平板锥透镜二(5)后，线偏振高斯光束整形为线偏振环形光束，线偏振环形光束透射通过分光棱镜(6)入射至物镜(7)，在待测样品上形成聚焦光斑，实现对待测样品环形光照明；
控制三维位移台(8)三维移动，使聚焦光斑在待测样品上进行三维扫描，待测样品表面及亚表面中反射光与散射光经过物镜(7)，并通过分光棱镜(6)反射，实现对待测样品的环形光扫描成像；
步骤二、经过分光棱镜(6)反射至带通光孔的反射镜(9)的光束分为两路探测光束：反射光束依次经过偏振片二(10)和聚焦透镜一(11)聚焦至针孔一(12)的中心处，离焦光束被所述针孔一(12)阻挡，准焦光束携带待测样品的反射信息至相机一(13)；透射光束依次经过偏振片三(14)和聚焦透镜二(15)聚焦至针孔二(16)的中心处，离焦光束被针孔二(16)阻挡，准焦光束携带待测样品的散射信息至相机二(17)。
5.根据权利要求4所述的表面及亚表面一体化共焦显微测量方法，其特征在于，经衍射型平板锥透镜一(4)与衍射型平板锥透镜二(5)整形后的线偏振环形光束充满物镜(7)的入瞳，实现对样品的暗场观察需求。
6.根据权利要求5所述的表面及亚表面一体化共焦显微测量方法，其特征在于，带通光孔的反射镜(9)的通光孔径与线偏振环形光束的内径相同。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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