CN116087225A - 一种光学元件亚表面缺陷分布检测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学器件检测技术领域，具体公开了一种光学元件亚表面缺陷分布检测装置及其方法；其中检测装置包括用于安装光学元件的隔振平台、位于隔振平台上方且与光学元件间形成光束传输路径一的激光光源模块、位于隔振平台上方且与光学元件形成光束传输路径二的光束探测接收模块、以及设置在隔振平台上的光束检测模块；激光光源模块发射光束沿光束传输路径一照射在光学元件上；光学元件表面的光束和缺陷上的光束发生散射现象，散射光沿原光路返回并进入光束探测接收模块。以及公开了检测方法，本发明能够有效的实现对于光学元件的表面形态及内部亚表面缺陷进行检测评估。

Description

一种光学元件亚表面缺陷分布检测装置及其方法

技术领域

本发明涉及光学器件检测技术领域，更具体地讲，涉及一种光学元件亚表面缺陷分布检测装置及其方法。

背景技术

随着高功率激光装备的广泛应用，不可避免地出现了光学材料激光诱导损伤问题。因此，现代大型激光装备的快速发展对光学元件的加工质量提出了越来越严苛的要求，特别是大口径光学元件的制造工艺中，要求具备大口径、高精度面形、超光滑、低亚表面缺陷的特点。如何快速高效地对光学元件表面及亚表面进行检测，也是目前亟待解决的问题，经调研，也有不少论文专利对此进行了研究，但在检测的稳定性和精度方面各有差异。

光学元件良好的表面质量和较强的抗激光损伤能力，是高能激光装备顺利安全运行的前提和保障。但在实际的工程应用中，经常会出现由于加工工艺而导致光学元件表面出现中高频、划痕麻点等质量问题，使得元件的抗激光损伤能力相对减弱，对高能激光装备的顺利安全运行造成一定的潜在风险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种光学元件亚表面缺陷分布检测装置及其方法；

本发明解决技术问题所采用的解决方案是：

一方面：

一种光学元件亚表面缺陷分布检测装置，包括用于安装光学元件的隔振平台、位于隔振平台上方且与光学元件间形成光束传输路径一的激光光源模块、位于隔振平台上方且与光学元件形成光束传输路径二的光束探测接收模块、以及设置在隔振平台上的光束检测模块；

激光光源模块发射光束沿光束传输路径一照射在光学元件上；光学元件接收光束并反射散射光并进入光束探测接收模块。

在一些可能的实施方式中，

在光学元件上方设置有色散镜头；在所述光束传输路径一上且沿光束发射依次设置有偏振片、分光镜；

激光光源发射光束经过通过偏振片后变成具有一定振动方向的线偏振光，并通过分光镜后入射至色散镜头，色散镜头用于对线偏振光进行光谱色散，发生光谱色散后，在光轴上形成连续的单色光焦点，且每一个单色光焦点到被测物体的距离不同，将其分解为一定波长范围内的各种单色光，随后入射至光学元件上。其中聚焦在光学元件表面的光束λ2，聚焦在亚表面缺陷上的光束λ3，不聚焦在光学元件表面的光束为λ1；

在一些可能的实施方式中，

在所述光束传输路径二上且沿传输路径依次设置有滤光片、偏振分光棱镜。

在一些可能的实施方式中，

所述光束探测接收模块包括与偏振分光棱镜形成光学检测路径一的探测组件一、与偏振分光棱镜形成光学检测路径二的探测组件二、以及分别与探测组件一和探测组件二连接的处理模块。

探测组件一、探测组件二分别收集待测光学元件表面上和亚表面缺陷上的散射光谱信号并传递给处理模块；

在一些可能的实施方式中，

所述探测组件一包括沿光学检测路径一依次设置的平面反射光栅、凹面反射镜、探测器一。

在一些可能的实施方式中，

所述探测组件二包括沿光学检测路径二依次设置的透射光栅、探测器二。

在一些可能的实施方式中，

所述探测器一、探测器二为InGaAs、PbS、PMT中的任意一种。

在一些可能的实施方式中，

所述隔振平台上设置有用于对于光学元件表面扫描的扫描模块、以及用于光学组件固定的装夹模块。

另一方面；

本发明公开了一种光学元件亚表面缺陷分布检测的方法，具体包括以下步骤:

步骤S1:激光光源模块发射多波长激光光束通过色散镜头将多波长激光光束分解为不同波长的单色光，所有的单色光聚焦在光学元件上；其中，不聚焦在光学元件表面的光束为光束λ1，聚焦在光学元件表面的光束为光束λ2，聚焦在光学元件亚表面缺陷上的光束为光束λ3；

步骤S2:光束λ2、光束λ3、以及空气中的杂光在光学元件表面上发生散射后沿原光路返回，并通过色散镜头会聚、滤光片过滤后，入射至偏振分光棱镜；此时进入偏振分光棱镜的光束为光束λ2和光束λ3；

步骤S3:光束λ2的散射光经过偏振分光棱镜透过后，通过平面反射光栅、凹面反射镜后，被探测器一接收并将相关信息传递给处理模块；

步骤S4:光束λ3中的部分散射光经过偏振分光棱镜反射后，通过透射光栅被探测器二接收并将相关信息传递给处理模块；

同时，另一部分光束λ3的部分散射光经过偏振分光棱镜透过后，通过平面反射光栅、凹面反射镜被探测器一接收并将相关信息传递给处理模块；

步骤S5:处理模块根据探测器一和探测器二所传输的光谱信息，通过波长与位移的关系得到位移信息，确定亚表面缺陷的位置信息和深度信息，根据光谱信号的带宽得到亚表面缺陷的宽度信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明能够有效的实现对于光学元件的表面形态及内部亚表面缺陷进行检测评估；

本发明采用了光谱共焦技术，使得具有良好的层析特性，提高了检测分辨率；即使被测物存在倾斜或者翘曲，也可以进行高精度的测量，对测量点不会改变。

附图说明

图1为本发明中检测装置的结构关系示意图；

图2为本发明中波长光强信号图、波长与位移转换图；

其中：1、隔振平台；2、激光光源；3、偏振片；4、分光镜；5、准直镜；6、能量探测器；7、色散镜头；8、滤光片；9、偏振分光棱镜；10、透射光栅；11、探测器二；12、平面反射光栅；13、凹面反射镜；14、探测器一；100、光学元件。

具体实施方式

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。本申请所提及的"第一"、"第二"以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，"一个"或者"一"等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本申请实施中，“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个定位柱是指两个或两个以上的定位柱。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面对本发明进行详细说明。

一方面：

一种光学元件100亚表面缺陷分布检测装置，包括用于安装光学元件100的隔振平台1、位于隔振平台1上方且与光学元件100间形成光束传输路径一的激光光源2模块、位于隔振平台1上方且与光学元件100形成光束传输路径二的光束探测接收模块、以及设置在隔振平台1上的光束检测模块；

激光光源2模块发射光束沿光束传输路径一照射在光学元件100上；光学元件100表面的光束和亚表面缺陷上的光束发生散射现象，散射光沿原光路返回并进入光束探测接收模块。

在一些可能的实施方式中，

在光学元件100上方设置有色散镜头7；在所述光束传输路径一上且沿光束发射依次设置有偏振片3、分光镜4；

激光光源2发射光束经过通过偏振片3后变成具有一定振动方向的线偏振光，并通过分光镜4后入射至色散镜头7，色散镜头7用于对线偏振光进行光谱色散，将其分解为一定波长范围内的各种单色光，随后入射至光学元件100上；

进一步的，在分光镜4远离偏振片3的一侧还设置有准直镜5，在准直镜5远离分光镜4的一侧还设置有能量探测器6；光束从分光镜4透射过去再经准直镜5准直后，被能量探测器6接收测量，可以测得激光的测试效率；多余的杂散光可以通过截止器进行截止回收；

在一些可能的实施方式中，

在所述光束传输路径二上且沿传输路径依次设置有滤光片8、偏振分光棱镜9。

光学元件100表面上的光束λ2和亚表面缺陷上的光束λ3发生散射现象，通过色散镜头7后会聚，由于返回去的散射光包含了其它方向的杂光，因此需要滤光片8滤除多余方向的光线进入偏振分光棱镜9，随后通过偏振分光棱镜9进行分光；

在一些可能的实施方式中，

所述光束探测接收模块包括与偏振分光棱镜9形成光学检测路径一的探测组件一、与偏振分光棱镜9形成光学检测路径二的探测组件二、以及分别与探测组件一和探测组件二连接的处理模块。

经过光谱色散后光束λ2聚焦在光学元件100表面，满足共焦原理，沿原路返回时透过偏振分光棱镜9后被探测组件一接收，

而聚焦在元件亚表面缺陷上的光束λ3通过偏振分光棱镜9后，一部分光束透过偏振分光棱镜9被探测组件一接收，另一部分经偏振分光棱镜9反射后被探测组件二接收。

探测组件一、探测组件二分别收集待测光学元件100表面上和亚表面缺陷上的散射光谱信号；

需要说明的是；从光学元件上反射回去的散射光，不仅是光源色散后的单色光束，还有其他方向会聚在物体表面的杂光，因此入射到PBS上的散射光既不是P光，也不是S光，而是两个方向的合成光，偏振态也随之改变；

光源发生光谱色散后，刚好聚焦在光学元件100表面上的单色光束λ2，该波长的光由于满足共焦条件，所以其散射光透过PBS后被探测组件一接收；聚焦在光学元件100亚表面缺陷上的单色光束λ3，在光学元件100表面处于离焦状态，而亚表面缺陷上反射回去的散射光由于偏振态发生改变，其中一部分光束透过PBS被探测器一接收，另一部分经PBS反射被探测组件二接收。

在一些可能的实施方式中，

所述探测组件一包括沿光学检测路径一依次设置的平面反射光栅12、凹面反射镜13、探测器一14。

在一些可能的实施方式中，

所述探测组件二包括沿光学检测路径二依次设置的透射光栅10、探测器二11；探测器二11前放置透射光栅，用于只透过光学元件100亚表面缺陷上的光波长

在一些可能的实施方式中，

所述探测器一14、探测器二11为InGaAs、PbS、PMT中的任意一种。

在一些可能的实施方式中，

所述隔振平台1上设置有用于对于光学元件100表面扫描的扫描模块、以及用于光学组件固定的装夹模块。

装夹模块用于对于光学元件100的装夹，2.隔振平台1上设有夹持待测光学元件100的装夹模块，扫描模块设有水平扫描模块、竖直扫描模块和进出扫描模块；激光光源2模块和检测模块设于水平扫描模块和竖直扫描模块上，装夹模块设于进出扫描模块上，以形成水平扫描模块的运动方向为X方向，进出扫描模块的运动方向为Y方向，竖直扫描模块的运动方向为Z方向，且X、Y、Z方向之间互相垂直；

本发明中，激光光源2模块为光束波段范围可选的多波长激光器，与探测器一14、探测器二11的可接收波段相对应；

本发明利用光谱共焦原理，激光光源2通过色散镜头7发生光谱色散后照射在光学元件100上，不同波长的单色光在光轴上对应不同的聚焦光斑，从而对应不同的焦距值，光学元件100表面及亚表面缺陷上的散射光沿传输光路返回被探测一和/或探测器二11接收；探测一、探测器二11用于接收光学元件100表面上和亚表面缺陷上的散射光信号；通过扫描模块扫描光学元件100表面即可得到元件表面的形貌信息；探测器一12、探测器二11分别采集光谱信号，处理模块通过波长和位移的关系解码得到位移信息，从而得到亚表面缺陷的位置信息和深度信息，并通过光谱信号带宽得到亚表面缺陷的宽度信息。

本发明中，分光镜4的角度设置为45°；滤光片3用于去除多余方向的杂光，仅透过测量范围内的光波长；平面光栅，用于分解光谱和光波长测量；

另一方面：

一种光学元件100亚表面缺陷分布检测的方法，具体包括以下步骤:

步骤S1:激光光源2模块发射多波长激光光束通过色散镜头7将多波长激光光束分解为不同波长的单色光；其中，不聚焦在光学元件100表面的光束为光束λ1，聚焦在光学元件100表面的光束为光束λ2，聚焦在光学元件100亚表面缺陷上的光束为光束λ3；

步骤S2:光束λ2、光束λ3、以及空气中的杂光在光学元件100上发生散射后沿原光路返回，并通过色散镜头7会聚、滤光片8过滤后，入射至偏振分光棱镜9，此时进入偏振分光棱镜9的光束为光束λ2和光束λ3；

步骤S3:光束λ2的散射光经过偏振分光棱镜9透过后，通过平面反射光栅12、凹面反射镜13后，被探测器一14接收并将相关信息传递给处理模块；

步骤S4:光束λ3中的部分散射光经过偏振分光棱镜9反射后，通过透射光栅10被探测器二11接收并将相关信息传递给处理模块；

同时，另一部分光束λ3的部分散射光经过偏振分光棱镜9透过后，通过平面反射光栅12、凹面反射镜13被探测器一14接收并将相关信息传递给处理模块；

步骤S5:处理模块根据探测器一14和探测器二11所传输的光谱信息，通过波长与位移的关系得到位移信息，确定亚表面缺陷的位置信息和深度信息，根据光谱信号的带宽得到亚表面缺陷的宽度信息。

如图2所示，图2中(1)为探测器一所采集的波长光强信号图；由于光学元件100表面上的散射光信号比亚表面缺陷上的散射光信号强得多，因此焦点聚焦在光学元件100表面上的光束λ2在探测器一14中表现为波峰，而亚表面缺陷上的散射光信号λ3几乎不太明显；通过扫描模块的三维扫描，即可得到光学元件100的表面形貌信息；

如图2中(2)探测器二所采集的波长光强信号图；探测器二11只用于收集亚表面缺陷上的散射光信号，优选的，通过PMT对采集到的微弱散射光信号放大后得到元件内部亚表面缺陷上的散射光信号λ3；

如图2中(3)所示，根据波长与位移的转换关系得到，光学元件100表面散射光λ2对应位移d2，亚表面缺陷上的散射光λ3对应位移d3，则亚表面缺陷深度为d3-d2；再根据光谱信号的带宽可知亚表面缺陷的大小。

实施例1：

本实施例对于内部有一个弥散麻点的光学元件100进行检测；

光源通过偏振片3后变成具有一定振动方向的线偏振光，再经分光镜4反射到色散镜头7上发生光谱色散，聚焦到光学元件100上。每一束单色光λi都有一个对应的焦点距离Fi，刚好聚焦在光学元件100表面上的光束为光束λ2，聚焦在点亚表面缺陷上的光束为光束λ3，光束λ2和光束λ3发生散射后沿传输光路返回，光束λ2因满足共焦条件而透过PBS(偏振分光棱镜9)被探测器一14接收；光束λ3因偏振态发生改变，一部分透过PBS被探测器一14接收，另一部分经PBS反射后再被探测器二11接收；通过波长光强分布和波长与位移的转换图可以得到元件内部的亚表面缺陷分布情况、位置信息、深度信息和宽度信息。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种光学元件亚表面缺陷分布检测装置，其特征在于，包括用于安装光学元件的隔振平台、位于隔振平台上方且与光学元件间形成光束传输路径一的激光光源模块、位于隔振平台上方且与光学元件形成光束传输路径二的光束探测接收模块、以及设置在隔振平台上的光束检测模块；

激光光源模块发射光束沿光束传输路径一照射在光学元件上；光学元件表面的光束和亚表面缺陷上的光束发生散射现象，散射光沿原光路返回并进入光束探测接收模块。

2.根据权利要求1所述的一种光学元件亚表面缺陷分布检测装置，其特征在于，在所述光束传输路径一上且沿光束发射依次设置有偏振片、分光镜、色散镜头。

3.根据权利要求2所述的一种光学元件亚表面缺陷分布检测装置，其特征在于，在所述光束传输路径二上且沿传输路径依次设置有滤光片、偏振分光棱镜。

4.根据权利要求3所述的一种光学元件亚表面缺陷分布检测装置，其特征在于，所述光束探测接收模块包括与偏振分光棱镜形成光学检测路径一的探测组件一、与偏振分光棱镜形成光学检测路径二的探测组件二、以及分别与探测组件一和探测组件二连接的处理模块。

5.根据权利要求4所述的一种光学元件亚表面缺陷分布检测装置，其特征在于，所述探测组件一包括沿光学检测路径一依次设置的平面反射光栅、凹面反射镜、探测器一。

6.根据权利要求5所述的一种光学元件亚表面缺陷分布检测装置，其特征在于，所述探测组件二包括沿光学检测路径二依次设置的透射光栅、探测器二。

7.根据权利要求6所述的一种光学元件亚表面缺陷分布检测装置，其特征在于，所述探测器一、探测器二为InGaAs、PbS、PMT中的任意一种。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种光学元件亚表面缺陷分布检测装置，其特征在于，所述隔振平台上设置有用于对于光学元件表面扫描的扫描模块、以及用于光学组件固定的装夹模块。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种光学元件亚表面缺陷分布检测的方法，其特征在于，具体包括以下步骤:

步骤S1:激光光源模块发射多波长激光光束通过色散镜头将多波长激光光束分解为不同波长的单色光，所有的单色光聚焦在光学元件上；其中，不聚焦在光学元件表面的光束为光束λ1，聚焦在光学元件表面的光束为光束λ2，聚焦在光学元件亚表面缺陷上的光束为光束λ3；

步骤S2:光束λ2、光束λ3、以及空气中的杂光在光学元件表面上发生散射后沿原光路返回，并通过色散镜头会聚、滤光片过滤后，入射至偏振分光棱镜；

步骤S3:光束λ2的散射光经过偏振分光棱镜透过后，通过平面反射光栅、凹面反射镜后，被探测器一接收并将相关信息传递给处理模块；

步骤S4:光束λ3中的部分散射光经过偏振分光棱镜反射后，通过透射光栅被探测器二接收并将相关信息传递给处理模块；

同时，另一部分光束λ3的部分散射光经过偏振分光棱镜透过后，通过平面反射光栅、凹面反射镜被探测器一接收并将相关信息传递给处理模块；

步骤S5:处理模块根据探测器一和探测器二所传输的光谱信息，通过波长与位移的关系得到位移信息，确定亚表面缺陷的位置信息和深度信息，根据光谱信号的带宽得到亚表面缺陷的宽度信息。

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