CN114136978A - 光学元件亚表面缺陷深度和密度同步检测的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学元件亚表面缺陷深度和密度同步检测的装置及方法，涉及精密光学检测技术领域。为了在检测光学元件损伤密度的同时检测出缺陷的深度，本发明提供了一种光学元件亚表面缺陷深度和密度同步检测的装置，由光源调制组件、缺陷检测组件、放置待测件的位移台以及计算机组成，光源调制组件的光路与待测件表面的法线成夹角布置；缺陷检测组件的光路与待测件表面的法线成夹角布置；计算机分别与荧光CCD探测器和位移台相连；位移台为三维电控机构。本发明提供一种光学元件亚表面缺陷深度和密度同步检测的装置，突出缺陷深度和密度同步快速测量，既可以测量被测件不同位置的亚表面缺陷，也可以适应不同厚度的被测件的测量。

Description

光学元件亚表面缺陷深度和密度同步检测的装置及方法
技术领域
本发明涉及精密光学检测技术领域，特别涉及一种光学元件亚表面缺陷深度和密度同步检测的装置及方法。
技术背景
所谓光学元件亚表面缺陷是指传统的接触式加工方法中不可避免地会对光学元件表面施加一定的压力，从而造成表面以下产生微裂纹、杂质等缺陷的现象。亚表面缺陷一般分布在表面以下几微米到一百微米的范围内，会直接影响到材料的使用性能和寿命等重要指标。随着强激光领域、光刻领域以及相关光学技术领域的发展，对光学元件的质量要求越来越高，有效的对亚表面缺陷进行检测显得尤为重要。
目前对光学元件亚表面缺陷深度和密度的检测都是评价缺陷性能的重要表征参数。在现有的检测装置中，一般都包括：激光光源、能量调节波片、显微镜、数据采集卡、供待测件放置的三维样品运动电机控制器、和计算机这些装置，可以实现一定范围内的光学元件损伤密度的统计，但检测过程较为复杂，且不能同时检测出缺陷的深度。
发明内容
本发明提供一种光学元件亚表面缺陷深度和密度同步检测的装置及方法，以克服现有技术存在的检测过程复杂、不能同时检测出缺陷深度和密度的缺点。
为了达到本发明的目的，本发明提供的技术方案是：一种光学元件亚表面缺陷深度和密度同步检测的装置，由光源调制组件、缺陷检测组件、放置待测件的位移台以及计算机组成，所述光源调制组件的光路与待测件表面的法线成夹角布置，从上至下依次包括线激光器、可变光衰减片；所述缺陷检测组件的光路与待测件表面的法线成夹角布置，从下至上依次包括窄带滤光片、显微物镜、荧光CCD探测器；计算机分别与荧光CCD探测器和位移台相连；所述位移台为三维电控机构。
上述装置进行光学元件亚表面缺陷深度和密度同步检测的方法，包括如下步骤：
1)将待测件放置于位移台，线激光器发射线激光经过可变光衰减片调节出能够激发残留荧光物质的激光，穿过待测件的表面激发其亚表面微裂纹中的残留物质；
2)被测件亚表面微裂纹中的残留物质受激散射荧光信号，经过窄带滤光片筛选波长后通过显微物镜成像于荧光CCD探测器；
3)计算机根据荧光CCD探测器的成像结果，结合CCD相机的标定结果，利用斜射式激光三角法原理得出待测件亚表面缺陷的深度；
4)计算机根据荧光像素点的个数，结合标定结果，得待测件单位长度内的缺陷裂纹的实际数量；线激光扫描待测区域，得数组单次测量缺陷密度值，叠加计算待测区域内缺陷点总数量来实现缺陷密度的统计；
5)计算机控制位移台实时三维运动，实现对待测件的不同位置的亚表面缺陷的测量，以及对不同厚度的待测件进行测量，实时得到待测件的不同位置亚表面缺陷的疵病信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明不仅可以测量深度信息，还提供了一种测量密度的检测方法。主要突出缺陷深度和密度同步快速测量，进一步得到可以表征精密光学元件的抗损伤性能的参数。通过调整位移台的方向，可以计算出待测区域内的缺陷点的总数量，实现缺陷密度的统计。
2、本发明不采用后期往亚表面缺陷中嵌入量子点的方法，直接激发的是光学元件在加工时缺陷中残留的荧光物质，省去后期加入量子点的繁琐步骤，结构设计合理，检测过程简单明了，易操作，适于广泛推广。
3、本发明将点光源替换成线光源，可以大幅提高缺陷检测效率，并且还可以利用线激光对光学元件进行扫描，可以实现大口径光学元件的亚表面缺陷的快速测量。
4、本发明中采用的线光源并不需要窄带滤波片，而是换成了可变光衰减片，通过衰减激光光功率来实时调控光信号的强度，精准的调节激发微裂纹中残留物质发出荧光的激光所需的能量，并且不需要光束整行组件。
5、本发明将二维位移台替换成三维位移台，既可以测量被测件不同位置的亚表面缺陷，也可以适应不同厚度的被测件的测量。
附图说明
图1为本发明中所用亚表面缺陷深度和密度检测的斜射式激光三角法原理示意图；
图2为本发明实施例提供的光学元件亚表面缺陷检测装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的单次测量下亚表面缺陷在荧光CCD探测器上的成像示意图。
附图标记说明：
1、线激光器；2、可变光衰减片；3、待测件；4、窄带滤光片；5、显微物镜；6、荧光CCD探测器；7、计算机；8、位移台。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地描述。
参见图2，一种光学元件亚表面缺陷深度和密度同步检测的装置，由光源调制组件、缺陷检测组件、放置待测件3的位移台8以及计算机7组成，其特征在于：所述光源调制组件的光路与待测件3表面的法线成夹角布置，从上至下依次包括线激光器1、可变光衰减片2；所述缺陷检测组件的光路与待测件3表面的法线成夹角布置，从下至上依次包括窄带滤光片4、显微物镜5、荧光CCD探测器6，为避免入射激光、环境光对信息采集造成影响，散射光通过窄带滤光片4筛选特定的荧光波长，因所激发的荧光极其微弱且亚表面缺陷裂纹长度的范围也只在1～100μm，故显微物镜5选用的是大倍率物镜，将微米级别的微裂纹更清晰的成像在CCD相机上；计算机7分别与荧光CCD探测器6和位移台8相连；所述位移台8为三维电控机构。
一种进行光学元件亚表面缺陷深度和密度同步检测的方法，包括如下步骤：
1)将待测件3放置于位移台8，线激光器1发射线激光经过可变光衰减片2调节出能够激发残留荧光物质的激光，穿过待测件3的表面激发其亚表面微裂纹中的残留物质；
2)被测件3亚表面微裂纹中的残留物质受激散射荧光信号，经过窄带滤光片4筛选波长后通过显微物镜5成像于荧光CCD探测器6；
3)计算机7根据荧光CCD探测器6的成像结果，结合CCD相机的标定结果，因CCD接收到的散射光极其微弱利用斜射式激光三角法原理得出待测件3亚表面缺陷的深度，因CCD接收到的散射光极其微弱，所以采用的是斜射式激光三角法原理，斜射式比直射式分辨率要高；
4)通过编写计算机7的密度检测程序，根据荧光像素点的个数，结合标定结果，可得待测件3单位长度内的缺陷裂纹的实际数量；线激光扫描待测区域，可得数组单次测量缺陷密度值，叠加计算待测区域内缺陷点总数量来实现缺陷密度的统计；
5)同时，计算机7可以控制位移台8实时三维运动，实现对待测件3的不同位置的亚表面缺陷的测量，以及对不同厚度的待测件3进行测量，可实时得到待测件3的不同位置亚表面缺陷的疵病信息
参见图1，激光穿过待测件3的表面，激发待测件3的亚表面微裂纹中残留物质受激散射荧光信号，荧光CCD探测器6接收信号并成像。A′、B′为探测面荧光区域图像的左右端点，
Figure BDA0003371229500000044
表示待测件亚表面缺陷的深度。
f为显微物镜的焦距，l1为入射光点A到显微物镜5中心点的距离，l2为显微镜5中心点到成像物点A′的距离，α1表示入射光束与被测件3表面法线的夹角，α2表示散射光与被测件3表面法线的夹角，β表示荧光CCD探测器6与待测件3表面散射光之间的夹角。
根据几何光路和三角形相似原理，图1中ΔOBC相似于ΔOB′D，即可得到公式如下：
Figure BDA0003371229500000041
由图中边角关系：|B′D|＝A′B′sinβ，|BC|＝|AB|sin(α1+α2)，|OA′|＝l2，|OA|＝l1，|DA′|＝A′B′cosβ，|AC|＝|AB|cos(α1+α2)，
Figure BDA0003371229500000045
可将式(1)进一步写为：
Figure BDA0003371229500000042
成像透镜组的焦距f已知，在理想成像条件下，根据高斯成像定理可知：
Figure BDA0003371229500000043
于是可得：荧光CCD探测器6光敏面上像面大小A′B′与亚表面缺陷深度
Figure BDA0003371229500000046
之间的关系表达式为：
Figure BDA0003371229500000051
Figure BDA0003371229500000052
为A′B′在荧光CCD探测器6光敏面上的荧光区域长度的像素值，
Figure BDA0003371229500000053
表示待测件亚表面缺陷的深度，cal为所选取的CCD相机的标定值，可得荧光CCD探测器6光敏面上像素值
Figure BDA0003371229500000054
与亚表面缺陷深度
Figure BDA0003371229500000055
之间的关系表达式为：
Figure BDA0003371229500000056
经过三维电控机构8的移动，荧光CCD探测器6探测荧光尺寸得到A′B′，结合CCD相机的标定结果，即可得到亚表面缺陷的深度信息。
参见图3，x方向为线激光的轮廓线方向，y方向为线激光的工作方向，可以看到，我们所计算的亚表面微裂纹的密度是x方向的密度，根据CCD光敏面上x方向上的缺陷点的总数量，即可得到此次测量的裂纹密度。y方向则是所需计算的亚表面缺陷深度。ab为CCD标定后对应光学元件单位长度的值，在长度ab中，可以看出此时单位长度内亚表面缺陷裂纹数量为6条，则其裂纹密度为6条/毫米。通过这种方式，结合CCD相机的标定结果，即可得到待检测区域内的微裂纹的密度信息。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种光学元件亚表面缺陷深度和密度同步检测的装置，由光源调制组件、缺陷检测组件、放置待测件（3）的位移台（8）以及计算机（7）组成，其特征在于：所述光源调制组件的光路与待测件（3）表面的法线成夹角布置，从上至下依次包括线激光器（1）、可变光衰减片（2）；所述缺陷检测组件的光路与待测件（3）表面的法线成夹角布置，从下至上依次包括窄带滤光片（4）、显微物镜（5）、荧光CCD探测器（6）；计算机（7）分别与荧光CCD探测器（6）和位移台（8）相连；所述位移台（8）为三维电控机构。
2.如权利要求1所述装置进行光学元件亚表面缺陷深度和密度同步检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将待测件（3）放置于位移台（8），线激光器（1）发射线激光经过可变光衰减片（2）调节出能够激发残留荧光物质的激光，穿过待测件（3）的表面激发其亚表面微裂纹中的残留物质；
2）被测件（3）亚表面微裂纹中的残留物质受激散射荧光信号，经过窄带滤光片（4）筛选波长后通过显微物镜（5）成像于荧光CCD探测器（6）；
3）计算机（7）根据荧光CCD探测器（6）的成像结果，结合CCD相机的标定结果，利用斜射式激光三角法原理得出待测件（3）亚表面缺陷的深度；
4）计算机根据荧光像素点的个数，结合标定结果，得待测件（3）单位长度内的缺陷裂纹的实际数量；线激光扫描待测区域，得数组单次测量缺陷密度值，叠加计算待测区域内缺陷点总数量来实现缺陷密度的统计；
5）计算机（7）控制位移台（8）实时三维运动，实现对待测件（3）的不同位置的亚表面缺陷的测量，以及对不同厚度的待测件（3）进行测量，实时得到待测件（3）的不同位置亚表面缺陷的疵病信息。
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