CN116141199A - 一种抛光阶段光学元件表面形貌检测装置与方法 - Google Patents

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CN116141199A CN202211667483.1A CN202211667483A CN116141199A CN 116141199 A CN116141199 A CN 116141199A CN 202211667483 A CN202211667483 A CN 202211667483A CN 116141199 A CN116141199 A CN 116141199A
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Abstract

本发明涉及一种抛光阶段光学元件表面形貌检测装置包括宽带光源；光纤耦合器，用于将探照光，分为第一光源与第二光源；样品臂，用于将第一光源经过样品臂照射到待测光学元件后，生成的带有光学元件信息的样品光，返回至光纤耦合器；载物台，用于放置待测光学元件；可移动支撑台，包括平移台与设置于平移台上的旋转台，用于带动样品臂按照预设方式移动，提供多种扫描路径；参考臂，用于将第二光源经过参考臂，照射到参考反射镜后生成的参考光，返回至光纤耦合器，以便参考光与样品光在光纤耦合器中发生干涉，生成干涉光谱；光谱仪，连接光纤耦合器，获取干涉光谱；上位机，与光谱仪通讯连接，获取干涉光谱进行图像处理，还原出光学元件的表面形貌。

Description

一种抛光阶段光学元件表面形貌检测装置与方法
技术领域
本发明涉及光学元件表面形貌检测技术领域，尤其是指一种抛光阶段光学元件表面形貌检测装置及方法。
背景技术
光学元件的加工需要经历切割、研磨、抛光等加工过程。抛光作为光学元件最终加工工序,其目的是获得理想的面形精度、降低表面粗糙度及表面疵病，并去除研磨产生的损伤层,从而获得光滑、无损伤的加工表面，所以在抛光阶段及时掌握加工样品的抛光程度是十分必要的。专利CN202121065867.提供了一种高精度光学元件抛光表面质量检测装置用于对旋转的光学元件抛光表面进行检测，但是未说明是否需要清洗抛光液后进行检测。专利CN202010916390.2提出了一种球面光学元件表面缺陷测量装置和测量方法，可以实现对球面光学元件表面残留的抛光液等缺陷的原位同步检测，但是仍需要清洗抛光液后才能检测光学元件面型。
综上，现有的光学元件表面形貌检测方法在检测抛光后的光学元件表面形貌时，因为抛光液的散射度较高，所以需要先对粘附在光学元件表面的抛光液进行清洗后再进行表面形貌检测，影响检测效率。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中检测元件形貌时需要先清洗抛光液，导致检测效率低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种抛光阶段光学元件表面形貌检测装置，包括：
宽带光源，用于发出探照光；
光纤耦合器，通过光纤与所述宽带光源连接，用于将所述探照光，分为第一光源与第二光源；
样品臂，设置于所述第一光源光束传播路径上，用于将第一光源经过所述样品臂照射到待测光学元件后，生成的带有光学元件信息的样品光，返回至所述光纤耦合器；
载物台，设置于所述第一光源经过样品臂之后的光束传播路径上，用于放置待测光学元件；
可移动支撑台，包括平移台与设置于所述平移台上的旋转台，所述旋转台与所述样品臂的一端固定连接，用于带动所述样品臂按照预设方式移动，提供多种扫描路径；
参考臂，设置于所述第二光源的光束传播路径上，用于将所述第二光源经过所述参考臂，照射到参考反射镜后生成的参考光，返回至所述光纤耦合器，以便所述参考光与所述样品光在光纤耦合器中发生干涉，生成干涉光谱；
光谱仪，连接所述光纤耦合器，获取干涉光谱；
上位机，与所述光谱仪通讯连接，获取干涉光谱，根据所述干涉光谱进行图像处理，还原出光学元件的表面形貌。
在本发明的一个实施例中，所述样品臂包括按照光束传播方向设置在所述第一光源光路上的样品准直透镜、第一空间光调制器与样品聚焦透镜；
所述第一空间光调制器，设置于所述样品准直透镜与所述样品聚焦透镜之间，与上位机连接，以便上位机根据干涉光谱调节所述第一空间光调制器，改变第一光源的透过率。
在本发明的一个实施例中，所述参考臂包括按照光束传播方向设置在所述第二光源光路上的参考准直透镜、第二空间光调制器与参考聚焦透镜；
所述第二空间光调制器，设置于所述参考准直透镜与所述参考聚焦透镜之间，连接上位机，以便上位机根据干涉光谱调节所述第二空间光调制器，改变第二光源的透过率。
在本发明的一个实施例中，所述样品臂与所述参考臂均采用笼式结构。
在本发明的一个实施例中，还包括：
参考反射镜，按照光束传播方向设置在所述第二光源经过所述参考臂之后的光路上；
移相器，设置于所述参考反射镜下端，用于携带所述参考反射镜沿着光束传播方向移动，以便利用五步移相法消除镜像干扰。
在本发明的一个实施例中，还包括：
第一偏振控制器，设置于所述光纤耦合器与所述样品臂之间的第一光源光束传输路径上；
第二偏振控制器，设置于所述光纤耦合器与所述参考臂之间的第二光源光束传输路径上。
本发明还提供了一种抛光阶段光学元件表面形貌检测方法，包括：
将未抛光的待测元件置于载物台上，调节光路使待测元件与参考反射镜处于零光程差位置，根据预设扫描路径扫描未抛光的待测元件；
利用第一空间光调制器调节第一光源的光透过率，直至第一光源经过样品臂照射到待测元件后返回的元件光的光强度与预设探照光强度相等，获取元件光；
利用第二空间光调制器调节第二光源的光透过率，直至第二光源经过参考臂照射到参考反射镜后返回的参考光光强度与预设探照光强度相等，获取第一参考光；
令元件光与参考光在光纤耦合器中进行干涉，生成元件干涉条纹；利用光谱仪对所述元件干涉条纹进行采样，生成元件干涉光谱；对所述元件干涉光谱进行图像处理，还原获取待测元件的初始表面形貌；
保持样品臂与参考臂不动，对所述待测元件进行抛光，得到待测样品，并置于载物台上；
获取第一光源照射待测样品返回的样品光与第二光源照射参考反射镜返回的第二参考光，进行干涉，生成样品干涉条纹；利用光谱仪对所述样品干涉条纹进行采样，生成样品干涉光谱；对所述样品干涉光谱进行图像处理，还原获取待测样品的当前表面形貌；
对比所述当前表面形貌与所述初始表面形貌，分析待测样品的抛光程度。
在本发明的一个实施例中，所述预设扫描路径包括栅格式、同心圆式与子午式。
在本发明的一个实施例中，所述图像处理包括：
顺序读取干涉光谱的横向扫描数据，获取光谱数据，进行波长定标；
利用五步移相法对波长标定后的光谱数据进行去直流与去镜像，得到目标光谱数据；
对所述目标光谱数据进行CCD线性补偿与重采样后，进行傅里叶变换与灰度图像重建，映射重建出光学元件的表面形貌图像。
在本发明的一个实施例中，所述五步移相法为样品臂每扫描一个点，参考反射镜移动五个预设距离长度；所述预设距离为π/2。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的抛光阶段光学元件表面形貌检测装置，设计可移动支撑台，令平移台与旋转台按照预设方式进行移动与旋转，进而携带样品臂进行移动，实现了多种灵活的扫描方式，避免了直接移动待测光学元件造成抛光液在待测光学元件表面流动，干扰实验结果的问题。基于上述装置，利用谱域光学相干层析成像技术，在非入侵、非基础、无损伤的前提下，高精度还原出待测元件的表面形貌，通过对比待测元件抛光前与抛光后的表面形貌，获取待测元件的抛光程度；且利用谱域光学相干层析成像技术进行扫描，可以穿透高散射介质，因此，在检测抛光后的待测元件表面形貌时，无需清洗抛光液，提高了抛光程度检测效率。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明所提供的谱域光学相干层析成像技术原理结构图；
图2是本发明所提供的抛光阶段光学元件表面形貌检测装置示意图；
图3是本发明所提供的抛光阶段光学元件表面形貌检测方法步骤图；
图4是本发明所提供的抛光阶段光学元件表面形貌检测方法提供的栅格式扫描路径；
图5是本发明所提供的抛光阶段光学元件表面形貌检测方法提供的同心圆式扫描路径；
图6是本发明所提供的抛光阶段光学元件表面形貌检测方法提供的子午式扫描路径；
图7是本发明所提供的抛光阶段光学元件表面形貌检测方法中进行图像处理的步骤流程图；
说明书附图标记说明：1、宽带光源；2、光纤耦合器；3、偏振控制器；4、参考臂；4-1、参考准直透镜；4-2、参考聚焦透镜；5、参考反射镜；6、移相器；7、旋转台；8、二维平移台；9、样品臂；9-1、样品准直透镜；9-2、样品聚焦透镜；10、第一空间光调制器；11、待测样品；12、光谱仪；13、上位机；14、第二空间调制器；15、准直透镜；16、光栅；17、透镜组；18、探测器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，为谱域光学相干层析成像技术原理结构图；宽带光源SLD发出的低相干光由光纤传输进入到光纤耦合器中，光纤耦合器将入射光分成两束，一束光进入参考臂，经过偏振控制器后，参考光依次经过准直透镜和聚焦透镜，最后聚焦在参考反射镜中。另一束光进入样品臂，经过与参考臂参数相同的偏振控制器，准直透镜和聚焦透镜，聚焦在处于抛光阶段，未清洗抛光液的光学元件上。带有样品信息的后向散射光与返回的参考光在光纤耦合器处重新汇合发生干涉，干涉信号通过准直透镜准直，光栅分光，再通过透镜组，被探测器接收，输出到计算机；带有样品结构信息的干涉光谱经过图像处理后可以还原出待测样品的结构。
基于上述原理，参照图2所示，本发明的抛光阶段光学元件表面形貌检测装置，包括：
宽带光源，用于发出探照光；
光纤耦合器，通过光纤与所述宽带光源连接，用于将所述探照光，分为第一光源与第二光源；
样品臂，设置于所述第一光源光束传播路径上，用于将第一光源经过所述样品臂照射到待测光学元件后，生成的带有光学元件信息的样品光，返回至所述光纤耦合器；
载物台，设置于所述第一光源经过样品臂之后的光束传播路径上，用于放置待测光学元件；
可移动支撑台，包括平移台与设置于所述平移台上的旋转台，所述旋转台与所述样品臂的一端固定连接，用于带动所述样品臂按照预设方式移动，提供多种扫描路径；
参考臂，设置于所述第二光源的光束传播路径上，用于将所述第二光源经过所述参考臂，照射到参考反射镜后生成的参考光，返回至所述光纤耦合器，以便所述参考光与所述样品光在光纤耦合器中发生干涉，生成干涉光谱；
光谱仪，连接所述光纤耦合器，获取干涉光谱；
上位机，与所述光谱仪通讯连接，获取干涉光谱，根据所述干涉光谱进行图像处理，还原出光学元件的表面形貌。
具体地，样品臂与所述参考臂均采用笼式结构。样品臂包括按照光束传播方向设置在所述第一光源光路上的样品准直透镜、第一空间光调制器与样品聚焦透镜；所述第一空间光调制器，设置于所述样品准直透镜与所述样品聚焦透镜之间，与上位机连接，以便上位机根据干涉光谱调节所述第一空间光调制器，改变第一光源的透过率。参考臂包括按照光束传播方向设置在所述第二光源光路上的参考准直透镜、第二空间光调制器与参考聚焦透镜；所述第二空间光调制器，设置于所述参考准直透镜与所述参考聚焦透镜之间，连接上位机，以便上位机根据干涉光谱调节所述第二空间光调制器，改变第二光源的透过率。
在本实施例中，抛光阶段光学元件表面形貌检测装置还包括：参考反射镜，按照光束传播方向设置在所述第二光源经过所述参考臂之后的光路上；移相器，设置于所述参考反射镜下端，用于携带所述参考反射镜沿着光束传播方向移动，以便利用五步移相法消除镜像干扰。第一偏振控制器，设置于所述光纤耦合器与所述样品臂之间的第一光源光束传输路径上；第二偏振控制器，设置于所述光纤耦合器与所述参考臂之间的第二光源光束传输路径上。
具体地，由于不同样品的反射能力不同，通过设置，空间光调制器可以根据上位机接收到的光谱信号反馈，来调节光路中第一光源与第二光源的透过率，防止因为光强过大而无法产生干涉信号。参考臂采用与样品臂同样的笼式结构、准直透镜、聚焦透镜以及空间光调制器，以平衡色散，调节光强。由于谱域光学相干层析成像技术在干涉信息进行傅里叶逆变换时会产生镜像，造成图像重叠，影响实验结果，故采用五步移相法消除镜像干扰。在本实施例中，将参考反射镜放置在移相器上，样品臂每扫描一个点，参考镜移动五段距离，每段距离间隔π/2。
本发明所述的抛光阶段光学元件表面形貌检测装置，设计可移动支撑台，令平移台与旋转台按照预设方式进行移动与旋转，进而携带样品臂进行移动，实现了多种灵活的扫描方式，避免了直接移动待测光学元件造成抛光液在待测光学元件表面流动，干扰实验结果的问题；通过在参考臂与样品臂中设置空间光调制器，调节光路中光的透过率，改变光强信号，使反射的样品光与参考光容易实现实现信号干涉。
基于上述实施例，参照图3所示，本发明提供了抛光阶段光学元件表面形貌检测方法，包括：
S1：将未抛光的待测元件置于载物台上，调节光路使待测元件与参考反射镜处于零光程差位置，根据预设扫描路径扫描未抛光的待测元件；
所述预设扫描路径包括栅格式、同心圆式与子午式；
S2：利用第一空间光调制器调节第一光源的光透过率，直至第一光源经过样品臂照射到待测元件后返回的元件光的光强度与预设探照光强度相等，获取元件光；
S3：利用第二空间光调制器调节第二光源的光透过率，直至第二光源经过参考臂照射到参考反射镜后返回的参考光光强度与预设探照光强度相等，获取第一参考光；
S4：令元件光与参考光在光纤耦合器中进行干涉，生成元件干涉条纹；利用光谱仪对所述元件干涉条纹进行采样，生成元件干涉光谱；对所述元件干涉光谱进行图像处理，还原获取待测元件的初始表面形貌；
S5：保持样品臂与参考臂不动，对所述待测元件进行抛光，得到待测样品，并置于载物台上；
S6：重复步骤S1至S4，获取第一光源照射待测样品返回的样品光与第二光源照射参考反射镜返回的第二参考光，进行干涉，生成样品干涉条纹；利用光谱仪对所述样品干涉条纹进行采样，生成样品干涉光谱；对所述样品干涉光谱进行图像处理，还原获取待测样品的当前表面形貌；
S7：对比所述当前表面形貌与所述初始表面形貌，分析待测样品的抛光程度。
本实施例基于可移动支撑台提供多种扫描方式；参照图4所示，为栅格式扫描路径；参照图5所示，为同心圆式扫描路径；参照图6所示，为子午式扫描路径；若已知待测样品的目标面型信息，还可以采取法线扫描方式，在被测物曲率差较大的情况下，可以更准确地检测表面形貌信息；相较于现有的扫描方式如振镜等，本实施例提供的扫描方式在检测路径上更加灵活多样。
具体地，参照图7所示，所述图像处理包括：顺序读取干涉光谱的横向扫描数据，获取光谱数据，进行波长定标；利用五步移相法对波长标定后的光谱数据进行去直流与去镜像，得到目标光谱数据；对所述目标光谱数据进行CCD线性补偿与重采样后，进行傅里叶变换与灰度图像重建，映射重建出光学元件的表面形貌图像。所述五步移相法是每当样品臂扫描一个点，参考反射镜移动五个预设距离长度；所述预设距离为π/2。
本发明所述的抛光阶段光学元件表面形貌检测装置，设计可移动支撑台，令平移台与旋转台按照预设方式进行移动与旋转，进而携带样品臂进行移动，实现了多种灵活的扫描方式，避免了直接移动待测光学元件造成抛光液在待测光学元件表面流动，干扰实验结果的问题；通过在参考臂与样品臂中设置空间光调制器，调节光路中光的透过率，改变光强信号，使反射的样品光与参考光容易实现实现信号干涉。本发明所述的抛光阶段光学元件表面形貌检测方法本发明基于谱域光学层析成像技术检测处于抛光阶段的光学元件，还原出待测样品表面形貌和亚表面损伤，同时无需额外清洗抛光液再进行形貌检测；利用谱域光学相干层析成像技术，在非入侵、非基础、无损伤的前提下，高精度还原出待测元件的表面形貌，通过对比待测元件抛光前与抛光后的表面形貌，获取待测元件的抛光程度；且在检测抛光后的待测元件表面形貌时，无需清洗抛光液，提高了抛光程度检测效率。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种抛光阶段光学元件表面形貌检测装置，其特征在于，包括：
宽带光源，用于发出探照光；
光纤耦合器，通过光纤与所述宽带光源连接，用于将所述探照光，分为第一光源与第二光源；
样品臂，设置于所述第一光源光束传播路径上，用于将第一光源经过所述样品臂照射到待测光学元件后，生成的带有光学元件信息的样品光，返回至所述光纤耦合器；
载物台，设置于所述第一光源经过样品臂之后的光束传播路径上，用于放置待测光学元件；
可移动支撑台，包括平移台与设置于所述平移台上的旋转台，所述旋转台与所述样品臂的一端固定连接，用于带动所述样品臂按照预设方式移动，提供多种扫描路径；
参考臂，设置于所述第二光源的光束传播路径上，用于将所述第二光源经过所述参考臂，照射到参考反射镜后生成的参考光，返回至所述光纤耦合器，以便所述参考光与所述样品光在光纤耦合器中发生干涉，生成干涉光谱；
光谱仪，连接所述光纤耦合器，获取干涉光谱；
上位机，与所述光谱仪通讯连接，获取干涉光谱，根据所述干涉光谱进行图像处理，还原出光学元件的表面形貌。
2.根据权利要求1所述的抛光阶段光学元件表面形貌检测装置，其特征在于，所述样品臂包括按照光束传播方向设置在所述第一光源光路上的样品准直透镜、第一空间光调制器与样品聚焦透镜；
所述第一空间光调制器，设置于所述样品准直透镜与所述样品聚焦透镜之间，与上位机连接，以便上位机根据干涉光谱调节所述第一空间光调制器，改变第一光源的透过率。
3.根据权利要求1所述的抛光阶段光学元件表面形貌检测装置，其特征在于，所述参考臂包括按照光束传播方向设置在所述第二光源光路上的参考准直透镜、第二空间光调制器与参考聚焦透镜；
所述第二空间光调制器，设置于所述参考准直透镜与所述参考聚焦透镜之间，连接上位机，以便上位机根据干涉光谱调节所述第二空间光调制器，改变第二光源的透过率。
4.根据权利要求1所述的抛光阶段光学元件表面形貌检测装置，其特征在于，所述样品臂与所述参考臂均采用笼式结构。
5.根据权利要求1所述的抛光阶段光学元件表面形貌检测装置，其特征在于，还包括：
参考反射镜，按照光束传播方向设置在所述第二光源经过所述参考臂之后的光路上；
移相器，设置于所述参考反射镜下端，用于携带所述参考反射镜沿着光束传播方向移动，以便利用五步移相法消除镜像干扰。
6.根据权利要求1所述的抛光阶段光学元件表面形貌检测装置，其特征在于，还包括：
第一偏振控制器，设置于所述光纤耦合器与所述样品臂之间的第一光源光束传输路径上；
第二偏振控制器，设置于所述光纤耦合器与所述参考臂之间的第二光源光束传输路径上。
7.一种抛光阶段光学元件表面形貌检测方法，应用于如权利要求1至6任一项所述抛光阶段光学元件表面形貌检测装置，其特征在于，包括：
将未抛光的待测元件置于载物台上，调节光路使待测元件与参考反射镜处于零光程差位置，根据预设扫描路径扫描未抛光的待测元件；
利用第一空间光调制器调节第一光源的光透过率，直至第一光源经过样品臂照射到待测元件后返回的元件光的光强度与预设探照光强度相等，获取元件光；
利用第二空间光调制器调节第二光源的光透过率，直至第二光源经过参考臂照射到参考反射镜后返回的参考光光强度与预设探照光强度相等，获取第一参考光；
令元件光与参考光在光纤耦合器中进行干涉，生成元件干涉条纹；利用光谱仪对所述元件干涉条纹进行采样，生成元件干涉光谱；对所述元件干涉光谱进行图像处理，还原获取待测元件的初始表面形貌；
保持样品臂与参考臂不动，对所述待测元件进行抛光，得到待测样品，并置于载物台上；
获取第一光源照射待测样品返回的样品光与第二光源照射参考反射镜返回的第二参考光，进行干涉，生成样品干涉条纹；利用光谱仪对所述样品干涉条纹进行采样，生成样品干涉光谱；对所述样品干涉光谱进行图像处理，还原获取待测样品的当前表面形貌；
对比所述当前表面形貌与所述初始表面形貌，分析待测样品的抛光程度。
8.根据权利要求7所述的抛光阶段光学元件表面形貌检测方法，其特征在于，所述预设扫描路径包括栅格式、同心圆式与子午式。
9.根据权利要求7所述的抛光阶段光学元件表面形貌检测方法，其特征在于，所述图像处理包括：
顺序读取干涉光谱的横向扫描数据，获取光谱数据，进行波长定标；
利用五步移相法对波长标定后的光谱数据进行去直流与去镜像，得到目标光谱数据；
对所述目标光谱数据进行CCD线性补偿与重采样后，进行傅里叶变换与灰度图像重建，映射重建出光学元件的表面形貌图像。
10.根据权利要求7所述的抛光阶段光学元件表面形貌检测方法，其特征在于，所述五步移相法为样品臂每扫描一个点，参考反射镜移动五个预设距离长度；所述预设距离为π/2。
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