CN116256377A - 基于圆二向色性的暗场共焦显微测量装置与方法 - Google Patents

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CN116256377A CN202310242652.5A CN202310242652A CN116256377A CN 116256377 A CN116256377 A CN 116256377A CN 202310242652 A CN202310242652 A CN 202310242652A CN 116256377 A CN116256377 A CN 116256377A
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刘俭
华子杰
邹重亮
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Abstract

本发明公开了基于圆二向色性的暗场共焦显微测量装置与方法，该装置包括圆二色性光束生成模块、环形光产生模块、光束扫描照明模块、暗场共焦探测模块；将线偏振光入射偏振光栅，同时产生第一偏振光和第二偏振光，并控制声光调制器将光束调制为脉冲形式，实现在同一周期内，偏振光交替进行照明。经由锥透镜组将光束调制成环形照明光束，同时利用互补孔径光阑，收集散射信号，并对第一偏振光和第二偏振光的收集散射信号进行差分。直接分析单一偏振态下的散射信号，可提取表面划痕、磨损及亚表面裂痕、气泡等缺陷的三维分布信息；分析左右旋环形光照明下的散射信号差值，可获取微纳结构材料的光学手性信息，提升手性检测的灵敏度。

Description

基于圆二向色性的暗场共焦显微测量装置与方法
技术领域
本发明涉及光学精密测量技术领域，主要涉及基于圆二向色性的暗场共焦显微测量装置与方法。
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污染性缺陷以及晶格结构性缺陷，进行高分辨率精密检测有着重要的作用。其中，光学元件的手性结构会对出射光束的光场分布产生严重影响情况，降低光斑质量，影响光学元件的使用寿命。
暗场共焦显微测量技术具有良好的光学层析能力、较高的成像分辨率以及暗背景带来的较高成像对比度等优势，已成为光学元件无损三维检测的重要手段。普通光学暗场共焦显微测量技术仅能实现样品的几何缺陷检测，如划痕、气泡等，但其无法获取缺陷的其他物理化学性质。
为了更为全面地表征光学元件及材料的缺陷特性，以更准确地实现缺陷识别及分类，集成多种模态的显微测量方式被更多地应用在了缺陷测量领域。然而针对样品的手性信息仍然缺少有效方法实现有效检测。
发明内容
本发明的目的在于提供基于圆二向色性的暗场共焦显微测量装置与方法，解决了普通暗场共焦技术成像模式单一，无法获取样品手性信息的缺陷。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
本发明提供基于圆二向色性的暗场共焦显微测量装置，包括：圆二色性光束生成模块、环形光产生模块、光束扫描照明模块和暗场共焦探测模块；
所述圆二色性光束生成模块，按照光线传播方向依次为：激光器、偏振片、半波片、直角反射镜、偏振光栅、调制光路模块和光纤耦合器；
所述光束扫描照明模块，按照光线传播方向依次为：非偏振分束器、物镜和三维位移台；所述三维位移台用于放置待测样品，且所述待测样品位于所述物镜的光路上；
所述暗场共焦探测模块，按照光线传播方向依次为：孔径光阑二、聚焦透镜、单模光纤和PMT探测器；
其中，所述激光器经偏振片出射线偏振激光，由半波片调节光束偏振方向，经直角反射镜入射偏振光栅，同时产生第一偏振光和第二偏振光；
所述第一偏振光和第二偏振光经所述调制光路模块在对应的周期内进行调制，通过所述光纤耦合器，进入后续光路；
经所述光纤耦合器射出的调制光，经所述环形光产生模块，进行光束整形，出射光束为环形光束；经所述非偏振分束器一，通过入射物镜，在待测样品上形成聚焦光斑，并通过驱动三维位移台，实现对待测样品的光束扫描；孔径光阑二阻挡环形反射光，透过光斑中心的散射光，只携带待测样品信息的散射光经聚焦透镜，进入单模光纤和PMT探测器收集探测。
进一步地，所述调制光模块包括：设置在所述偏振光栅出射第一光路上的第一声光调制单元、以及设置在所述偏振光栅出射第二光路上的第二声光调制单元；
所述第一声光调制单元包括沿光线传播方向的声光调制器一、透镜一和单模光纤一；所述第二声光调制单元包括沿光线传播方向的声光调制器二、透镜二和单模光纤二；
所述单模光纤一和单模光纤二接入所述光纤耦合器。
进一步地，所述声光调制器一对第一偏振光进行调制，第一偏振光只在每一周期的后半段实现照明，由透镜一耦合进单模光纤一；
所述声光调制器二对第二偏振光进行调制，第二偏振光只在每一周期的前半段实现照明，由透镜二耦合进单模光纤二。
进一步地，所述环形光产生模块，按光线传播方向依次为：扩束器、锥透镜一、锥透镜二和孔径光阑一。
进一步地，所述锥透镜一和锥透镜二构成锥透镜组，采用背对背的安装方式。
进一步地，所述锥透镜二出射圆偏振的环形光束，经所述孔径光阑一后生成匹配物镜入射孔径的环形光束。
进一步地，所述孔径光阑二的孔径与锥透镜组产生、并由孔径光阑一后出射的环形光孔径互补匹配，只允许携带待测样品信息的散射光进入后续探测光路。
进一步地，所述激光器所发激光光束波长为400nm-620nm，经过孔径光阑一调节至匹配物镜，光斑直径为5mm-5.5mm。
第二方面，本发明实施例还提供基于圆二向色性的暗场共焦显微测量方法，使用如上述任一的基于圆二向色性的暗场共焦显微测量装置，实现对待测物品的手性信息测量，具体步骤包括：
步骤1、激光器经偏振片出射线偏振激光，由半波片调节光束偏振方向，经直角反射镜入射偏振光栅，同时产生第一偏振光和第二偏振光；
步骤2、所述第一偏振光和第二偏振光经调制光路模块在对应的周期内进行调制，通过光纤耦合器，进入后续光路；
步骤3、经所述光纤耦合器出射的圆偏振光经环形光产生模块，进行光束整形，出射光束为环形光束；
步骤4、环形光束的经非偏振分束器一，通过入射物镜，在待测样品上形成聚焦光斑，并通过驱动三维位移台，实现对待测样品的光束扫描；
步骤5、暗场共焦探测路中，孔径光阑二阻挡环形反射光，透过光斑中心的散射光，聚焦透镜聚焦散射光至单模光纤，单模光纤接PMT探测器记录；
步骤6、对第一偏振光和第二偏振光照明下PMT探测器记录的散射信号作差，得到手性散射信号，进而得到样品的光学手性信息。
进一步地，所述步骤2包括：
步骤2-1、通过声光调制器一对第一偏振光进行调制，第一偏振光只在每一周期的后半段实现照明，由透镜一耦合进单模光纤一；
步骤2-2、通过声光调制器二对第二偏振光进行调制，第二偏振光只在每一周期的前半段实现照明，由透镜二耦合进单模光纤二；
步骤2-3、通过光纤耦合器将两路光纤和为一路，进入后续光路；
步骤3还包括：环形光束经过孔径光阑一滤光，使输出光束经过光束扫描模块后匹配物镜入射孔径。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)锥透镜组生成圆二向色环形光束能够改变圆偏振光的偏振态，实现多功能检测。左旋偏振光和右旋偏振光照明下的暗场共焦散射差分信号可以实现微纳结构手性信息的提取；
(2)装置采用暗场探测的测量方案，将反射信号和散射信号进行分离，提升手性检测的灵敏度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的扫描式辐射固化装置的结构图；
附图中，1激光器、2偏振片、3半波片、4直角反射镜、5偏振光栅、6声光调制器一、7透镜一、8单模光纤、9声光调制器二、10透镜二、11单模光纤、12光纤耦合器、13扩束器、14锥透镜一、15锥透镜二、16孔径光阑一、17非偏振分束器、18物镜、19待测样品、20三维位移台、21孔径光阑二、22聚焦透镜、23单模光纤、24PMT探测器。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1所示，本发明提供的基于圆二向色性的暗场共焦显微测量装置，用于实现样品的暗场手性测量功能，原理为：通过圆二色性光束生成模块和环形光产生模块同时产生旋向不同的圆偏振环形照明光，实现在同一周期内，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光交替进行照明，时间占比均为50％。利用互补孔径遮挡探测，有效分离样品表面反射信号与亚表面散射信号并进行双路同步收集，同时对左旋圆偏振光和右旋偏振光照明下的散射信号作差，利用圆二向色性，可获取微纳材料的结构特征，同时获取其手性信息。
该测量装置具体包括：圆二色性光束生成模块、环形光产生模块、光束扫描照明模块、暗场共焦探测模块；
圆二色性光束生成模块，按照光线传播方向依次为：激光器1、偏振片2、半波片3、直角反射镜4、偏振光栅5、调制光路模块和光纤耦合器12；
调制光模块包括：设置在偏振光栅5出射第一光路上的第一声光调制单元、以及设置在偏振光栅5出射第二光路上的第二声光调制单元；
第一声光调制单元包括沿光线传播方向的声光调制器一6、透镜一7和单模光纤一8；第二声光调制单元包括沿光线传播方向的声光调制器二9、透镜二10和单模光纤二11；单模光纤一8和单模光纤二11接入光纤耦合器12。
激光器1经偏振片2出射线偏振激光，由半波片3调节光束偏振方向，经直角反射镜4入射偏振光栅5，同时产生第一偏振光和第二偏振光，即：右旋圆偏振光和左旋圆偏振光。
环形光产生模块，按照光线传播方向依次为：扩束器13、锥透镜一14、锥透镜二15和孔径光阑一16；
经扩束器13进入由锥透镜一14锥透镜二15构成锥透镜组，采用“背对背”的安装方式，对入射光束进行光束整形，出射光束为环形光束。
光束扫描照明模块，按照光线传播方向依次为：非偏振分束器17、物镜18和待测样品19和三维位移台20；
圆偏振光经非偏振分束器一17，通过入射物镜18，在待测样品19上形成聚焦光斑，并通过驱动三维位移台20，实现对待测样品19的光束扫描；
暗场共焦探测模块，按照光线传播方向依次为：孔径光阑二21、聚焦透镜22、单模光纤23和PMT探测器24。
孔径光阑二21阻挡环形反射光，透过光斑中心的散射光，只携带待测样品19信息的散射光经聚焦透镜22，进入单模光纤23和PMT探测器24收集探测。
在一个实施例中，通过声光调制器一6对右旋圆偏振光进行调制，右旋圆偏振光只在每一周期的后半段实现有效照明，由透镜一7耦合进单模光纤一8。
通过声光调制器二9对左旋圆偏振光进行调制，左旋圆偏振光只在每一周期的前半段实现有效照明，由透镜二10耦合进单模光纤二11。
然后，通过光纤耦合器12将两路光纤和为一路，进入后续光路。
在一个实施例中，锥透镜二15出射圆偏振的环形光束，经孔径光阑一16后生成匹配物镜18入射孔径的环形光束。孔径光阑二21的孔径与锥透镜二15产生、并由孔径光阑一16后出射的环形光孔径互补匹配，只允许携带待测样品19信息的散射光进入后续探测光路。其中，在具体实施时，激光器1所发激光光束波长为400nm-620nm，经过孔径光阑一16调节至匹配物镜18，光斑直径为5mm-5.5mm。
本发明实施例提供的基于圆二向色性的暗场共焦显微测量装置，将线偏振光入射偏振光栅，同时产生左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，并控制声光调制器将光束调制为脉冲形式，实现在同一周期内，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光交替进行照明，时间占比均为50％。经由锥透镜组将光束调制成环形照明光束，同时利用互补孔径光阑，收集散射信号，并对圆偏振光的左旋光的和右旋光的收集的散射信号进行差分。直接分析单一偏振态下的散射信号，可提取表面划痕、磨损及亚表面裂痕、气泡等缺陷的三维分布信息；分析左右旋环形光照明下的散射信号差值，可获取微纳结构材料的光学手性信息。
即：在利用单一旋向的圆偏振光照明下的暗场共焦测量技术获取微纳结构样品的结构信息和工业光学样品表面划痕、磨损等缺陷信息的同时，利用圆二向色性分析获取微纳结构的手性信息，为微纳结构检测提供一种新的途径。
实施例2：本实施例还提供了基于圆二向色性的暗场共焦显微测量方法，用于实现样品的暗场共焦探测及手性检测功能。具体步骤包括：
步步骤a、激光器1经偏振片2出射线偏振激光，由半波片3调节光束偏振方向，经直角反射镜4入射偏振光栅5，同时产生右旋圆偏振光和左旋圆偏振光；
步骤b、通过声光调制器一6对右旋圆偏振光进行调制，右旋圆偏振光只在每一周期的后半段实现有效照明，由透镜一7耦合进单模光纤一8；
步骤c、通过声光调制器二9对左旋圆偏振光进行调制，左旋圆偏振光只在每一周期的前半段实现有效照明，由透镜二10耦合进单模光纤二11；
步骤d、通过光纤耦合器12将两路光纤和为一路，进入后续光路；
步骤e、圆偏振光经扩束器13进入由锥透镜一14锥透镜二15构成锥透镜组，采用“背对背”的安装方式，对入射光束进行光束整形，出射光束为环形光束；
步骤f、环形光束经过孔径光阑一15滤光，使输出光束经过光束扫描模块后匹配物镜18入射孔径；
步骤g、圆偏振光经非偏振分束器一17，通过入射物镜18，在待测样品19上形成聚焦光斑，并通过驱动三维位移台20，实现对待测样品19的光束扫描；
步骤h、暗场共焦探测路中，孔径光阑二21阻挡环形反射光，透过光斑中心的散射光，聚焦透镜23聚焦散射光至单模光纤24，单模光纤24接PMT探测器25记录；
步骤j、对左旋圆偏振光和右旋偏振光照明下PMT探测器24记录的散射信号作差，得到手性散射信号，进而得到样品的光学手性信息。
其中，激光器1所发激光光束波长为400nm-620nm，经过孔径光阑一16调节至匹配物镜18，光斑直径为5mm-5.5mm。
该方法中锥透镜组生成圆二向色环形光束能够改变圆偏振光的偏振态，实现多功能检测。右旋偏振光和左旋偏振光照明下的暗场共焦散射差分信号可以实现微纳结构手性信息的提取；另外，通过装置采用暗场探测的测量方案，将反射信号和散射信号进行分离，可有效提升手性检测的灵敏度。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.基于圆二向色性的暗场共焦显微测量装置，其特征在于，包括：圆二色性光束生成模块、环形光产生模块、光束扫描照明模块和暗场共焦探测模块；
所述圆二色性光束生成模块，按照光线传播方向依次为：激光器(1)、偏振片(2)、半波片(3)、直角反射镜(4)、偏振光栅(5)、调制光路模块和光纤耦合器(12)；
所述光束扫描照明模块，按照光线传播方向依次为：非偏振分束器(17)、物镜(18)和三维位移台(20)；所述三维位移台(20)用于放置待测样品(19)，且所述待测样品(19)位于所述物镜(18)的光路上；
所述暗场共焦探测模块，按照光线传播方向依次为：孔径光阑二(21)、聚焦透镜(22)、单模光纤(23)和PMT探测器(24)；
其中，所述激光器(1)经偏振片(2)出射线偏振激光，由半波片(3)调节光束偏振方向，经直角反射镜(4)入射偏振光栅(5)，同时产生第一偏振光和第二偏振光；
所述第一偏振光和第二偏振光经所述调制光路模块在对应的周期内进行调制，通过所述光纤耦合器(12)，进入后续光路；
经所述光纤耦合器(12)射出的调制光，经所述环形光产生模块，进行光束整形，出射光束为环形光束；经所述非偏振分束器一(17)，通过入射物镜(18)，在待测样品(19)上形成聚焦光斑，并通过驱动三维位移台20，实现对待测样品(19)的光束扫描；孔径光阑二(21)阻挡环形反射光，透过光斑中心的散射光，只携带待测样品(19)信息的散射光经聚焦透镜(22)，进入单模光纤(23)和PMT探测器(24)收集探测。
2.根据权利要求1所述的基于圆二向色性的暗场共焦显微测量装置，其特征在于，所述调制光模块包括：设置在所述偏振光栅(5)出射第一光路上的第一声光调制单元、以及设置在所述偏振光栅(5)出射第二光路上的第二声光调制单元；
所述第一声光调制单元包括沿光线传播方向的声光调制器一(6)、透镜一(7)和单模光纤一(8)；所述第二声光调制单元包括沿光线传播方向的声光调制器二(9)、透镜二(10)和单模光纤二(11)；
所述单模光纤一(8)和单模光纤二(11)接入所述光纤耦合器(12)。
3.根据权利要求2所述的基于圆二向色性的暗场共焦显微测量装置，其特征在于，所述声光调制器一(6)对第一偏振光进行调制，第一偏振光只在每一周期的后半段实现照明，由透镜一(7)耦合进单模光纤一(8)；
所述声光调制器二(9)对第二偏振光进行调制，第二偏振光只在每一周期的前半段实现照明，由透镜二(10)耦合进单模光纤二(11)。
4.根据权利要求1所述的基于圆二向色性的暗场共焦显微测量装置，其特征在于，所述环形光产生模块，按光线传播方向依次为：扩束器(13)、锥透镜一(14)、锥透镜二(15)和孔径光阑一(16)。
5.根据权利要求4所述的基于圆二向色性的暗场共焦显微测量装置，其特征在于，所述锥透镜一(14)和锥透镜二(15)构成锥透镜组，采用背对背的安装方式。
6.根据权利要求5所述的基于圆二向色性的暗场共焦显微测量装置，其特征在于，所述锥透镜二(15)出射圆偏振的环形光束，经所述孔径光阑一(16)后生成匹配物镜(18)入射孔径的环形光束。
7.根据权利要求6所述的基于圆二向色性的暗场共焦显微测量装置，其特征在于，所述孔径光阑二(21)的孔径与锥透镜组产生、并由孔径光阑一(16)后出射的环形光孔径互补匹配，只允许携带待测样品(19)信息的散射光进入后续探测光路。
8.根据权利要求7所述的基于圆二向色性的暗场共焦显微测量装置，其特征在于，所述激光器(1)所发激光光束波长为400nm-620nm，经过孔径光阑一(16)调节至匹配物镜(18)，光斑直径为5mm-5.5mm。
9.基于圆二向色性的暗场共焦显微测量方法，其特征在于，使用如权利要求1～8任一所述的基于圆二向色性的暗场共焦显微测量装置，实现对待测物品的手性信息测量，具体步骤包括：
步骤1、激光器(1)经偏振片(2)出射线偏振激光，由半波片(3)调节光束偏振方向，经直角反射镜(4)入射偏振光栅(5)，同时产生第一偏振光和第二偏振光；
步骤2、所述第一偏振光和第二偏振光经调制光路模块在对应的周期内进行调制，通过光纤耦合器(12)，进入后续光路；
步骤3、经所述光纤耦合器(12)出射的圆偏振光经环形光产生模块，进行光束整形，出射光束为环形光束；
步骤4、环形光束的经非偏振分束器一(17)，通过入射物镜(18)，在待测样品(19)上形成聚焦光斑，并通过驱动三维位移台(20)，实现对待测样品(19)的光束扫描；
步骤5、暗场共焦探测路中，孔径光阑二(21)阻挡环形反射光，透过光斑中心的散射光，聚焦透镜(22)聚焦散射光至单模光纤(23)，单模光纤(23)接PMT探测器(24)记录；
步骤6、对第一偏振光和第二偏振光照明下PMT探测器(24)记录的散射信号作差，得到手性散射信号，进而得到样品的光学手性信息。
10.根据权利要求9所述的基于圆二向色性的暗场共焦显微测量方法，其特征在于，所述步骤2包括：
步骤2-1、通过声光调制器一(6)对第一偏振光进行调制，第一偏振光只在每一周期的后半段实现照明，由透镜一(7)耦合进单模光纤一(8)；
步骤2-2、通过声光调制器二(9)对第二偏振光进行调制，第二偏振光只在每一周期的前半段实现照明，由透镜二(10)耦合进单模光纤二(11)；
步骤2-3、通过光纤耦合器(12)将两路光纤和为一路，进入后续光路；
步骤3还包括：环形光束经过孔径光阑一(15)滤光，使输出光束经过光束扫描模块后匹配物镜(18)入射孔径。
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