CN204855407U - 一种基于反射型数字全息术的光学元件表面疵病检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及光学检测领域，具体涉及一种基于反射型数字全息术的光学元件表面疵病检测装置，它利用数字全息技术测量由表面疵病引起的元件反射波前的相位畸变，进而通过相位畸变与光程差的关系来获得表面疵病的形貌结构；本实用新型包括激光器、光学系统、CCD相机及计算机，其有益效果为：实现对于光学元件表面疵病三维形貌的实时快速全场定量检测，使用便携，易于操作。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学检测领域，特别是一种基于反射型数字全息术的光学元件表面疵病检测装置。
背景技术
光学元件表面疵病是由于元件表面在抛光过程中磨制不均匀所产生的，其表现为元件表面上存在一系列划痕或麻点，其会影响光学成像系统的成像质量并危害高功率激光系统的安全正常运行。光学元件表面疵病的检测结果是判断光学元件合格与否的重要指标之一。目前，在工程检测任务中，主要采用基于暗场散射成像法研制的设备仪器对于光学元件表面疵病进行定量检测，相关设备仪器可以对表面疵病的横向尺寸(划痕的宽度、长度，以及麻点的直径)进行定量测量，然而其不能获得表面疵病的纵向深度，截面形状等形貌信息，实现对于光学元件表面疵病的三维形貌检测，这不利于更加深入地了解和分析表面疵病对光学装置性能的影响。因此，在光学元件表面疵病的定量检测中，表面疵病三维形貌的精确测量具有重要意义。
依据现有的检测技术，可以利用白光干涉(WFL)光学轮廓仪或原子力显微镜(AFM)对光学元件表面疵病的形貌结构进行检测，但是这两种方法均存在测量速度缓慢，测量视场较小的缺点，无法适用于对元件表面疵病的实时快速、全场定量化检测。表面轮廓仪具有较高的检测精度，可以获得200nm量级的横向分辨率及nm量级的轴向分辨率，但测量视场较小，通常为毫米量级，且测量速度比较缓慢，其需要在测量过程中使用压电陶瓷(PZT)进行多步机械移相记录多帧图像；原子力显微镜的分辨率可以达到nm量级，但其测量视场一般只能在微米量级，且在测量过程中需要对元件表面进行逐点扫描，这一方面使得测量速度非常缓慢，另一方面探针有可能在测量过程中触碰元件表面而造成元件损伤。现有技术利用分光棱镜将光分为反射平行光和透射平行光，形成光程不同的两条光路，最终照射到待测样品的反射平行光经过待测样品反射后和直接照射到CCD相机上的透射平行光形成干涉图案，但部分相位畸变的高频信息将会在传播过程中损失，从而不能够被干涉记录，会直接影响样品形貌重建结果的横向分辨率。
实用新型内容
本实用新型克服了现有技术的不足，提供一种基于反射型数字全息术的光学元件表面疵病检测装置，通过在检测光路中设置显微物镜，利用显微物镜对由于表面疵病起伏引起的波前相位畸变中的高频信息进行收集，将尺寸微小的光学元件表面疵病放大成像在CCD相机的靶面上，有效解决了部分相位畸变的高频信息在传播过程中损失的问题，提高对于测试样品表面疵病的检测精度。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案概述如下：
一种基于反射型数字全息术的光学元件表面疵病检测装置，它包括激光器、CCD相机及计算机，它还包括光学系统；所述激光器设置在光学系统的光入射端，所述CCD相机(13)设置在光学系统的光射出端,所述CCD相机与计算机电连接；所述光学系统内部按光路依次设置有第一显微物镜、针孔、第一透镜、第一分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜、第二透镜、第二分光棱镜及第二显微物镜；所述第一分光棱镜与第二分光棱镜之间设置有可调衰减器；
细激光束由激光器发出，穿过第一显微物镜和针孔变为球面光束，球面光束穿过第一透镜变为平行光束后经过第一分光棱镜分为反射平行光和透射平行光；所述反射平行光经过第一反射镜、第二反射镜反射后照射到第二透镜，反射平行光再依次经第二透镜、第二分光棱镜和第二显微物镜透射后照射到测试样品上，反射平行光经测试样品反射后穿过第二显微物镜到达第二分光棱镜,并经第二分光棱镜反射到达CCD相机；所述透射平行光依次穿过可调衰减器和第二分光棱镜后到达CCD相机。
作为本实用新型的优选方案，所述的针孔位于第一显微物镜的焦点上。
作为本实用新型的优选方案，所述的第一透镜的焦点位于针孔上。
作为本实用新型的优选方案，所述的第二透镜的焦点位于第二显微物镜的焦点上。
作为本实用新型的优选方案，经过第一分光棱镜反射后的光束与经过第二反射镜反射后的光束平行。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型通过CCD相机和计算机记录待测光学元件和反射镜的数字干涉图样的相位分布，计算待检光学元件表面疵病的三维形貌分布ΔL，实现光学元件表面疵病三维形貌的实时快速全场定量检测，测试速度迅速，测量视场大，检测精度高；第二显微物镜将尺寸微小的光学元件表面疵病放大成像在CCD相机的靶面上，使其与参考光束在CCD相机的靶面上进行干涉，从而记录测试样品的像面全息图，避免由于表面疵病起伏引起的波前相位畸变中高频信息在传播过程中的损失，从而有助于提高待测样品形貌重建结果的横向分辨率，保证测量结果的精度和准确性。
2、本实用新型不需要对光学元件表面进行逐点扫描，避免了直接触碰对光学元件造成的元件损伤，保护了光学元件。
3、本实用新型光学系统内部结构简单，便于制造和安装，节约了成本，而且使用便携，易于操作。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图，带箭头的直线表示光的传播方向。
图中标记：1-激光器，2-第一显微物镜，3-针孔，4-第一透镜,5-第一分光棱镜,6-第一反射镜,7-第二反射镜,8-第二透镜,9-第二分光棱镜,10-第二显微物镜,11-可调衰减器,12-计算机,13-CCD相机,14-测试样品。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例1
如图1所示的一种基于反射型数字全息术的光学元件表面疵病检测装置,它包括激光器1、CCD相机13及计算机12，它还包括光学系统；所述激光器1设置在光学系统的光入射端，所述CCD相机(13)设置在光学系统的光射出端,所述CCD相机13与计算机12电连接；所述光学系统内部按光路依次设置有第一显微物镜2、针孔3、第一透镜4、第一分光棱镜5、第一反射镜6、第二反射镜7、第二透镜8、第二分光棱镜9及第二显微物镜10；所述第一分光棱镜5与第二分光棱镜9之间设置有可调衰减器11；第一显微物镜2为光学系统的光入射端，第二分光棱镜9则为光学系统的光射出端。
先将测试样品14放置在光学系统的第二显微物镜10的正下方，接通电源，激光器1发出的细激光束穿过第一显微物镜2和针孔3变为球面光束，由针孔3发出的球面光束经第一透镜4后准直为平行光束；经过第一透镜4后的平行光束由第一分光棱镜6分为反射平行光和透射平行光；所述反射平行光经过第一反射镜6和第二反射镜7反射后依次穿过第二透镜8、第二分光棱镜9及第二显微物镜10照射到测试样品14的表面上，再经测试样品14的表面反射后穿过第二显微物镜10到达第二分光棱镜9,经第二分光棱镜9反射，到达CCD相机13；所述透射平行光穿过可调衰减器11和第二分光棱镜9后到达CCD相机13；CCD相机13将采集的数字干涉图样传导至计算机12中。
本实施例工作流程为：
(1)选择反射镜作为测试样品，记录数字干涉图样A；
(2)选择待检光学元件作为测试样品，记录数字干涉图样B；
(3)分别计算数字干涉图样A和数字干涉图样B记录的相位分布和
(4)计算待检光学元件表面疵病的三维形貌分布ΔL，其中λ为激光器的波长。
在检测过程中，要保证照射到测试样品14表面的光束为平面波，且光波的传播方向与测试样品14表面垂直，这样如果样品表面存在疵病，其凹凸起伏将会对反射波前的相位分布进行调制，相位分布的变化量与表面疵病的三维形貌成正比关系。由于本实施例的光束是先经过第二显微10物镜后再照射到测试样品14上，通过使用第二透镜8与第二显微物10镜来使宽平行光束缩束为细平行光束，不仅保证了射到测试样品14表面的光束为平面波，而且第二显微物镜10同时用于对被测元件表面的放大成像，提高测量视场的横向分辨率和测量结果的精度和准确性。但是一束平面光波在经过透镜以后会变为球面光波，相应的波前相位分布会由平面变为曲面。在本实施例中，由于照射到测试样品14表面的光束为平面波，那么相应光波在经过第二显微物镜10后，同样会发生相位分布的弯曲畸变，这种相位分布的改变量并不是由于测试样品14表面疵病的三维起伏引起的，因此必须进行消除，才能得到仅由样品表面疵病的三维起伏引起的相位分布改变，进而根据相位分布与光程差的关系，求得样品表面疵病的三维分布；本实施例是进行两次测量，在其中的一次测量中放置待检光学元件，在另一次测试中放入反射镜，由于两次测量中均含有相同的由显微物镜引起的相位弯曲改变量，因此在进行相位相减以后，即可消除，得到只由待检光学元件表面疵病的三维起伏引起的相位分布改变量。
本实施例可以实现光学元件表面疵病三维形貌的实时快速全场定量检测，本实施例测试速度迅速，测量视场大，检测精度高，而且不需要对光学元件表面进行逐点扫描，避免了直接触碰对光学元件造成的元件损伤；本实施例光学系统内部结构简单，便于制造和安装，节约了成本，而且使用便携，易于操作。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上做了进一步的优化，如图1所示的一种基于反射型数字全息术的光学元件表面疵病检测装置，其针孔3位于第一显微物镜2的焦点上，减小了激光器1发出的细激光束变为球面光束时光信号的损耗；第一透镜4的焦点位于针孔3上,将针孔3发出的球面光束最大限度的变为平行光束，第二透镜8的焦点位于第二显微物镜10的焦点上，组成的共焦缩束系统，来使宽平行光束缩束为细平行光束，保证了检测装置的检测精度，提高测量视场的横向分辨率和测量结果的精度和准确性。
实施例3
本实施例在实施例1的基础上做了进一步的优化，如图1所示的一种基于反射型数字全息术的光学元件表面疵病检测装置，其经过第一分光棱镜5反射后的光束与经过第二反射镜7反射后的光束平行，从而保证了光束在光学系统中传播的通畅性。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于反射型数字全息术的光学元件表面疵病检测装置，它包括激光器（1）、CCD相机（13）及计算机（12），其特征在于：它还包括光学系统；所述激光器（1）设置在光学系统的光入射端，所述CCD相机（13）设置在光学系统的光射出端,所述CCD相机（13）与计算机（12）电连接；所述光学系统包括依次设置的第一显微物镜（2）、针孔（3）、第一透镜（4）、第一分光棱镜（5）、第一反射镜（6）、第二反射镜（7）、第二透镜（8）、第二分光棱镜（9）及第二显微物镜（10）；所述第一分光棱镜（5）与第二分光棱镜（9）之间设置有可调衰减器（11）；
细激光束由激光器（1）发出，穿过第一显微物镜（2）和针孔（3）变为球面光束，球面光束穿过第一透镜（4）变为平行光束后经过第一分光棱镜（5）分为反射平行光和透射平行光；所述反射平行光经过第一反射镜（6）、第二反射镜（7）反射后照射到第二透镜（8），反射平行光再依次经第二透镜（8）、第二分光棱镜（9）和第二显微物镜（10）透射后照射到测试样品（14）上，反射平行光经测试样品(14)反射后穿过第二显微物镜（10）到达第二分光棱镜（9）,并经第二分光棱镜（9）反射到达CCD相机（13）；所述透射平行光依次穿过可调衰减器（11）和第二分光棱镜（9）后到达CCD相机（13）。
2.根据权利要求1所述的一种基于反射型数字全息术的光学元件表面疵病检测装置，其特征在于，所述的针孔（3）位于第一显微物镜（2）的焦点上。
3.根据权利要求1所述的一种基于反射型数字全息术的光学元件表面疵病检测装置，其特征在于，所述的第一透镜（4）的焦点位于针孔（3）上。
4.根据权利要求1所述的一种基于反射型数字全息术的光学元件表面疵病检测装置，其特征在于，所述的第二透镜（8）的焦点位于第二显微物镜（10）的焦点上。
5.根据权利要求1所述的一种基于反射型数字全息术的光学元件表面疵病检测装置，其特征在于，经过第一分光棱镜（5）反射后的光束与经过第二反射镜（7）反射后的光束平行。
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| CN201520651774.0U CN204855407U (zh) | 2015-08-26 | 2015-08-26 | 一种基于反射型数字全息术的光学元件表面疵病检测装置 |
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| CN204855407U true CN204855407U (zh) | 2015-12-09 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109425621A (zh) * | 2017-09-05 | 2019-03-05 | 南京航空航天大学 | 基于数字全息的钢球表面缺陷检测方法 |
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2015
- 2015-08-26 CN CN201520651774.0U patent/CN204855407U/zh not_active Expired - Fee Related
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