CN116297486A - 基于螺旋谱提取的暗场共焦显微测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于螺旋谱提取的暗场共焦显微测量装置与方法，属于光学精密测量技术领域。包括涡旋照明光产生模块、光束扫描照明模块和螺旋谱提取模块；通过液晶空间光调制器加载叉形光栅相位调制样品反射至探测路的光束，同时利用孔径光阑遮挡环形光探测光斑中心光强，提取对应涡旋阶数的螺旋谱分量强度。可提取亚表面划痕、磨损及亚表面裂痕、气泡等缺陷的三维分布信息；分析反射光螺旋谱可获取样品的相位等信息；能够准确地实现光学元件相位缺陷与振幅缺陷的识别及分类。

Description

基于螺旋谱提取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，更具体的说是涉及一种基于螺旋谱提取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机械结构、化学成分以及晶格结构缺陷高分辨率精密检测起着重要的作用。其中，光学元件的相位缺陷会导致入射光束在局部形成聚焦光场，使元件局部过热，造成不可逆损伤。

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，但其对相位缺陷的响应率较低，无法准确获取光学元件中的相位缺陷的其他物理化学性质。

因此，如何更为全面地表征光学元件及材料的缺陷特性，并准确地实现光学元件相位缺陷与振幅缺陷的识别及分类是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于螺旋谱提取的暗场共焦显微测量装置与方法，在利用一阶涡旋光照明下的暗场共聚焦获取微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，利用涡旋散射二向色性谱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。解决了普通暗场共聚焦技术成像模态单一，无法实现相位缺陷检测的瓶颈，一定程度实现了缺陷的物性检测分析。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一方面提供了一种基于螺旋谱提取的暗场共焦显微测量装置，包括涡旋照明光产生模块、光束扫描照明模块和螺旋谱提取模块；

所述涡旋照明光产生模块，用于产生用于照明的低阶涡旋光束；

所述光束扫描照明模块，用于将涡旋照明光产生模块产生的低阶涡旋光束传递到待测样品产生待测样品的信号光；

所述螺旋谱提取模块用于接收待测样品的信号光，并利用液晶空间光调制器加载叉形光栅相位调制所述信号光，获取包含对应阶数涡旋分量的待测样品的螺旋谱。

进一步地：涡旋照明光产生模块按照光线传播方向依次包括：激光器、半波片、偏振片一、非偏振分束器一和液晶空间光调制器一。

进一步地：光束扫描照明模块按照光线传播方向依次包括：孔径光阑一、非偏振分束器二、二维扫描振镜、扫描透镜、管镜、物镜和待测样品。

进一步地：螺旋谱提取模块按照光线传播方向依次包括：偏振片二、非偏振分束器三、液晶空间光调制器二、孔径光阑二、聚焦透镜、单模光纤和PMT探测器。

进一步地：激光器用于发出线偏振光，并由半波片和偏振片一调节线偏振光的光束偏振方向与液晶空间光调制器一的液晶e轴平行，调节后的线偏振光经过非偏振分束器一反射后入射到液晶空间光调制器一。

进一步地：液晶空间光调制器一上加载固定阶数的低阶叉形光栅，并输出相应的低阶涡旋光束。

进一步地：偏振片二用于调节光束扫描照明模块收集的待测样品的信号光，使所述信号光的光束偏振方向与液晶空间光调制器二的液晶e轴平行，所述信号光透过非偏振分束器三入射到液晶空间光调制器二。

进一步地：液晶空间光调制器二上依次加载±n阶叉形光栅，其中n＝0，1，2，3，…10，叉形光栅周期为5-10个像素点的长度，液晶空间光调制器二产生包含对应阶数涡旋分量的涡旋光。

进一步地：孔径光阑二的孔径与液晶空间光调制器二产生的包含对应阶数涡旋分量的涡旋光互补匹配，只允许包含对应阶数涡旋分量的涡旋光的光斑中心透过孔径光阑二。

进一步地：PMT探测器用于记录待测样品得到的螺旋谱。

本发明另一方面公开了一种基于螺旋谱提取的暗场共焦显微测量方法，该方法是基于螺旋谱提取的暗场共焦显微测量装置实现的，具体步骤：

步骤a、激光器发射的线偏振光经过半波片和偏振片一调节后，使得线偏振光的光束偏振方向平行于液晶空间光调制器一的液晶e轴；

步骤b、调节后的线偏振光经过非偏振分束器一反射到液晶空间光调制器一，并在液晶空间光调制器一上加载固定的低阶叉形光栅相位，使液晶空间光调制器一产生对应的低阶涡旋光束；

步骤c、控制非偏振分束器一的倾角，使液晶空间光调制器一产生的低阶涡旋光束能够透过非偏振分束器一，并由孔径光阑一进行隔离；

步骤d、隔离后的低阶涡旋光束透过非偏振分束器二后，经二维扫描振镜进行反射，反射后的低阶涡旋光束依次通过扫描透镜、管镜和入射物镜后在待测样品上形成聚焦光斑，实现对待测样品的照明；

步骤e、待测样品产生的信号光依次返回入射物镜、管镜、透镜和二维扫描振镜后，由非偏振分束器二进行反射，反射后的信号光由偏振片二进行调节，将信号光的光束偏振方向调节为与液晶空间光调制器二的液晶e轴平行；

步骤f、调节后的信号光透过非偏振分束器三后入射到液晶空间光调制器二，在液晶空间光调制器二上加载变化的±n阶叉形光栅，产生包含对应阶数涡旋分量的涡旋光；

步骤g、控制非偏振分束器三的倾角，使步骤f产生的包含对应阶数涡旋分量的涡旋光能够通过非偏振分束器三进行反射，并使反射后的包含对应阶数涡旋分量的涡旋光的进入孔径光阑二，所述包含对应阶数涡旋分量的涡旋光的光束中心与孔径光阑二的孔径中心重合；

步骤h、调节孔径光阑二的孔径，使孔径光阑二中只透过包含对应阶数涡旋分量的涡旋光的光斑中心；

步骤i、将经过孔径光阑二调解后的包含对应阶数涡旋分量的涡旋光通过聚焦透镜后聚焦至单模光纤，并由单模光纤传输到PMT探测器进行记录；

步骤j、依次改变液晶空间光调制器二上加载的±n阶叉形光栅的阶数值，重复步骤a-i，得到待测样品的螺旋谱。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了基于螺旋谱提取的暗场共焦显微测量装置与方法，具有以下有益效果。

第一、根据提取的螺旋谱一阶谱分量，可实现样品的普通暗场测量；根据提取的螺旋谱高阶谱分量分析，可以得到固定结构样品的相位信息，同时，也可以获取固定相位分布的样品的振幅信息。

第二、装置采用高斯光照明，避开了传统暗场共焦测量对物镜通光孔径大于环形光内径的要求，有利于使用大数值孔径物镜进行高分辨率暗场成像。

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为本发明提供的基于螺旋谱提取的暗场共焦显微测量装置结构示意图；

图中：1激光器、2半波片、3偏振片一、4非偏振分束器一、5液晶空间光调制器一、6孔径光阑一、7非偏振分束器二、8二维扫描振镜、9扫描透镜、10管镜、11物镜、12待测样品、13偏振片二、14非偏振分束器三、15液晶空间光调制器二、16孔径光阑二、17聚焦透镜、18单模光纤、19PMT探测器。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

实施例1：如附图1所示本实施例提供了一种基于螺旋谱提取的暗场共焦显微测量装置，用于实现样品的相位缺陷暗场测量功能。

包括涡旋照明光产生模块、光束扫描照明模块和螺旋谱提取模块；

涡旋照明光产生模块，用于产生用于照明的低阶涡旋光束；

光束扫描照明模块，用于将涡旋照明光产生模块产生的低阶涡旋光束传递到待测样品产生待测样品的信号光；

螺旋谱提取模块用于接收待测样品的信号光，并利用液晶空间光调制器加载叉形光栅相位调制所述信号光，获取包含对应阶数涡旋分量的待测样品的螺旋谱。

涡旋照明光产生模块按照光线传播方向依次为：激光器1、半波片2、偏振片一3、非偏振分束器一4和液晶空间光调制器一5；

激光器一1出射线偏振光，由半波片一2和偏振片3调整偏振态，通过非偏振分束器一4入射液晶空间光调制器5，通过在液晶空间光调制器5上加载叉形光栅产生涡旋光；

具体地：激光器1出射线偏振激光，由半波片2和偏振片一3调节线偏振光的光束偏振方向与液晶空间光调制器一5的液晶e轴平行，即使线偏振光透过非偏振分束器一4入射液晶空间光调制器一5的衍射光能量集中于一级衍射。

在液晶空间光调制器一5上加载固定的低阶叉形光栅，具体为exp(imφ)相位与闪耀光栅的叠加，低阶叉形光栅相位阶数为m阶，m＝0，1，2，出射光束相应为m阶的涡旋光束，低阶叉形光栅周期为5-10个像素点长度。

经液晶空间光调制器一5调制的光束角度由非偏振分束器一4控制，调节非偏振分束器一4倾角使液晶空间光调制器一5的一级衍射光进入后续光路(待测样品信号光产生光路)，孔径光阑一6隔离其他级数衍射光。

孔径光阑一6滤出液晶空间光调制器5产生的涡旋光束(本实施例中特指一级衍射光)，通过二维扫描振镜8、扫描透镜9、管镜10入射到物镜11，对待测样品12实现二维点扫描照明；

光束扫描照明模块按照光线传播方向依次为：孔径光阑一6、非偏振分束器二7、二维扫描振镜8、扫描透镜9、管镜10、物镜11和待测样品12；

螺旋谱提取模块按照光线传播方向依次为：偏振片二13、非偏振分束器三14、液晶空间光调制器二15、孔径光阑二16、聚焦透镜17、单模光纤18和PMT探测器19；

物镜11收集待测样品的信号光经过非偏振分束器二7反射进入螺旋谱提取模块，偏振片二13调节偏振态后通过非偏振分束器三14入射液晶空间光调制器二15，通过在液晶空间光调制器二15加载叉形光栅提取对应阶数的涡旋分量，孔径光阑二16阻挡环形涡旋光，透过光斑中心，聚焦透镜17聚焦散射光至单模光纤18，并由PMT探测器19记录。

更为具体地：

偏振片二13调节物镜11收集的信号光束的偏振方向与液晶空间光调制器二15的液晶e轴平行，即观测出射光束，使其能量集中于一级衍射，信号光透过非偏振分束器三14入射液晶空间光调制器二15。

样品回光携带反映样品信息的螺旋谱，在液晶空间光调制器二15上依次加载n阶叉形光栅相位(n＝0，1，2，3…)，若样品回光存在-n阶螺旋分量，则经过液晶空间光调制器二15调制的光斑中心光强相应为入射光束在对应螺旋阶数上的分量强度，若样品回光不会包含-n阶螺旋分量，则经过液晶空间光调制器二15调制的光斑中心光强为0，光强呈现环形分布。

更为具体地：孔径光阑二16的孔径设置为0.5mm-1mm，只允许液晶空间光调制器二15调制后的光斑中心透过孔径光阑二16，通过孔径光阑二16后由单模光纤18和PMT探测器19收集探测。

实施例2：本实施例提供了一种基于螺旋谱提取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：

步骤a、激光器1所发激光光束经过半波片2和偏振片一3调节偏振方向平行于液晶空间光调制器一5的液晶e轴；

步骤b、线偏振光经过非偏振分束器一4入射液晶空间光调制器一5，并在液晶空间光调制器一5上加载阶数较低的固定的m阶叉形相位(m＝0，1，2)，使其输出光束为对应阶数的涡旋光；

步骤c、控制非偏振分束器一4的倾角，使液晶空间光调制器一5产生的一级衍射光光轴与后续光路(待测样品信号光产生光路)重合，孔径光阑一6隔离其他级数的衍射光；

步骤d、涡旋光经非偏振分束器二7和二维扫描振镜8反射后，经过通过扫描透镜9和管镜10入射物镜11，在待测样品12上形成聚焦光斑，实现对待测样品12的照明；

步骤e、样品信号光被物镜收集经原照明光路返回后由非偏振分束器二7反射后，由偏振片二13调节为偏振态平行于液晶空间光调制器二15的液晶e轴的线偏振光；

步骤f、信号光透过非偏振分束器三14入射液晶空间光调制器二15，在液晶空间光调制器二5上加载±n阶叉形相位(n＝0，1，2，3…)；

步骤g、控制非偏振分束器三14的倾角，使液晶空间光调制器二15产生的包含对应阶数涡旋分量的涡旋光进入后续光路(螺旋谱产生光路)，光束中心与孔径光阑二16重合；

步骤h、调节孔径光阑二16孔径至1mm，阻挡环形光，透过包含对应阶数涡旋分量的涡旋光的光斑中心；

步骤i、将经过孔径光阑二16调解后的包含对应阶数涡旋分量的涡旋光通过聚焦透镜17后聚焦至单模光纤18，并由单模光纤18传输到PMT探测器19进行记录；

步骤j、依次改变液晶空间光调制器二15上加载的±n阶叉形光栅的阶数值，重复步骤a-i，得到待测样品的螺旋谱。

更为具体的，本发明实施例中激光器1所发激光光束波长为400nm-620nm。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

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 (10)

1.基于螺旋谱提取的暗场共焦显微测量装置，其特征在于：包括涡旋照明光产生模块、光束扫描照明模块和螺旋谱提取模块；

所述涡旋照明光产生模块，用于产生用于照明的低阶涡旋光束；

所述光束扫描照明模块，用于将涡旋照明光产生模块产生的低阶涡旋光束传递到待测样品产生待测样品的信号光；

所述螺旋谱提取模块用于接收待测样品的信号光，并利用液晶空间光调制器加载叉形光栅相位调制所述信号光，获取包含对应阶数涡旋分量的待测样品的螺旋谱。

2.根据权利要求1所述的基于螺旋谱提取的暗场共焦显微测量装置，其特征在于：

涡旋照明光产生模块按照光线传播方向依次包括：激光器(1)、半波片(2)、偏振片一(3)、非偏振分束器一(4)和液晶空间光调制器一(5)。

3.根据权利要求1所述的基于螺旋谱提取的暗场共焦显微测量装置，其特征在于：

光束扫描照明模块按照光线传播方向依次包括：孔径光阑一(6)、非偏振分束器二(7)、二维扫描振镜(8)、扫描透镜(9)、管镜(10)、物镜(11)和待测样品(12)。

4.根据权利要求1所述的基于螺旋谱提取的暗场共焦显微测量装置，其特征在于：

螺旋谱提取模块按照光线传播方向依次包括：偏振片二(13)、非偏振分束器三(14)、液晶空间光调制器二(15)、孔径光阑二(16)、聚焦透镜(17)、单模光纤(18)和PMT探测器(19)。

5.根据权利要求2所述的基于螺旋谱提取的暗场共焦显微测量装置，其特征在于：激光器(1)用于发出线偏振光，并由半波片(2)和偏振片一(3)调节线偏振光的光束偏振方向与液晶空间光调制器一(5)的液晶e轴平行，调节后的线偏振光经过非偏振分束器一(4)反射后入射到液晶空间光调制器一(5)。

6.根据权利要求5所述的基于螺旋谱提取的暗场共焦显微测量装置，其特征在于：所述液晶空间光调制器一(5)上加载固定阶数的低阶叉形光栅，并输出相应的低阶涡旋光束。

7.根据权利要求4所述的基于螺旋谱提取的暗场共焦显微测量装置，其特征在于：偏振片二(13)用于调节光束扫描照明模块收集的待测样品的信号光，使所述信号光的光束偏振方向与液晶空间光调制器二(15)的液晶e轴平行，所述信号光透过非偏振分束器三(14)入射到液晶空间光调制器二(15)。

8.根据权利要求7所述的基于螺旋谱提取的暗场共焦显微测量装置，其特征在于：液晶空间光调制器二(15)上依次加载±n阶叉形光栅，其中n＝0，1，2，3，…10，叉形光栅周期为5-10个像素点的长度，液晶空间光调制器二(15)产生包含对应阶数涡旋分量的涡旋光。

9.根据权利要求8所述的基于螺旋谱提取的暗场共焦显微测量装置，其特征在于：孔径光阑二(16)的孔径与液晶空间光调制器二(15)产生的包含对应阶数涡旋分量的涡旋光互补匹配，只允许包含对应阶数涡旋分量的涡旋光的光斑中心透过孔径光阑二(16)。

10.基于螺旋谱提取的暗场共焦显微测量方法，其特征在于：具体步骤包括：

步骤a、激光器(1)发射的线偏振光经过半波片(2)和偏振片一(3)调节后，使得线偏振光的光束偏振方向平行于液晶空间光调制器一(5)的液晶e轴；

步骤b、调节后的线偏振光经过非偏振分束器一(4)反射到液晶空间光调制器一(5)，并在液晶空间光调制器一(5)上加载固定的低阶叉形光栅相位，使液晶空间光调制器一(5)产生对应的低阶涡旋光束；

步骤c、控制非偏振分束器一(4)的倾角，使液晶空间光调制器一(5)产生的低阶涡旋光束能够透过非偏振分束器一(4)，并由孔径光阑一(6)进行隔离；

步骤d、隔离后的低阶涡旋光束透过非偏振分束器二(7)后，经二维扫描振镜(8)进行反射，反射后的低阶涡旋光束依次通过扫描透镜(9)、管镜(10)和入射物镜(11)后在待测样品(12)上形成聚焦光斑，实现对待测样品(12)的照明；

步骤e、待测样品(12)产生的信号光依次返回入射物镜(11)、管镜(10)、透镜(9)和二维扫描振镜(8)后，由非偏振分束器二(7)进行反射，反射后的信号光由偏振片二(13)进行调节，将信号光的光束偏振方向调节为与液晶空间光调制器二(15)的液晶e轴平行；

步骤f、调节后的信号光透过非偏振分束器三(14)后入射到液晶空间光调制器二(15)，在液晶空间光调制器二(15)上加载变化的±n阶叉形光栅，产生包含对应阶数涡旋分量的涡旋光；

步骤g、控制非偏振分束器三(14)的倾角，使步骤f产生的包含对应阶数涡旋分量的涡旋光能够通过非偏振分束器三(14)进行反射，并使反射后的包含对应阶数涡旋分量的涡旋光的进入孔径光阑二(16)，所述包含对应阶数涡旋分量的涡旋光的光束中心与孔径光阑二(16)的孔径中心重合；

步骤h、调节孔径光阑二(16)的孔径，使孔径光阑二中只透过包含对应阶数涡旋分量的涡旋光的光斑中心；

步骤i、将经过孔径光阑二(16)调解后的包含对应阶数涡旋分量的涡旋光通过聚焦透镜(17)后聚焦至单模光纤(18)，并由单模光纤(18)传输到PMT探测器(19)进行记录；

步骤j、依次改变液晶空间光调制器二(15)上加载的±n阶叉形光栅的阶数值，重复步骤a-i，得到待测样品的螺旋谱。

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