CN220490702U - 一种基于光散射技术的晶体体缺陷三维检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于光学检测技术领域，提供了一种基于光散射技术的晶体体缺陷三维检测装置包括：光源模块；分束模块，用于将所述光源模块的初始光束分为第一光束和第二光束；调整模块，包括扩束镜、光均匀器、变形棱镜对、振镜和场镜；所述第一光束依次穿过所述扩束镜、所述光均匀器、所述变形棱镜对、所述振镜和所述场镜后，得到第三光束；平台模块，设置有待测晶体；所述第三光束在待测晶体产生散射，得到第四光束；控制模块，用于接收和处理所述第二光束和所述第四光束，得到待测晶体的体缺陷检测结果。采用振镜和光散射技术快速检测晶体的体缺陷，以实现对光学元件中的缺陷的类型、分布和形成机理等进行系统分析。

Description

一种基于光散射技术的晶体体缺陷三维检测装置

技术领域

本实用新型属于光学检测技术领域，尤其涉及一种基于光散射技术的晶体体缺陷三维检测装置。

背景技术

在空间光学、惯性约束核聚变、微光学、极紫外光刻、超大规模集成电路等光学领域，对高表面质量的超光滑光学元件存在着广泛的需求。光学元件的形貌误差、粗糙度、划痕、麻点等缺陷会造成散射、能量吸收、有害的耀斑、衍射花纹、膜层破坏、激光损伤等，直接影响整个光学系统的性能和正常运行。光学元件内部存在气泡、杂质颗粒或其他包裹物等体缺陷，可能会对入射光造成调制作用，使局部区域光强得到增强，吸收型体缺陷将吸收入射光能量，从而引起局部温升，这些都会对光学元件的质量造成严重言行。高端光学元件质量高精密检测有着重大科研需求，目前基于光散射和吸收的光学元件高精度质量检测技术及设备被国外垄断。

此外，随着高能激光的发展，对晶体材料提出越来越高的要求，需要突破优质大尺寸激光与非线性晶体的制备技术，而缺陷和损伤对强激光严重影响已引起了国内外研究人员的重视，而晶体材料由于制造工艺（生长工艺）、原材料杂质的存在，不可避免的存在各种类型缺陷，对晶体材料微小体缺陷的有效评价对性能提升至关重要，在晶体加工过程中，对晶体进行切割等处理时其内部缺陷对晶体的光学性能也会产生影响，包括损伤阈值、透过率、均匀性等。

因此，急需一套精密光学元件质量检测设备，用于快速检测光学元器件中缺陷。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的在于提供一种基于光散射技术的晶体体缺陷三维检测装置，旨在解决晶体体缺陷快速检测的问题。

本实用新型实施例是这样实现的，一种基于光散射技术的晶体体缺陷三维检测装置，所述基于光散射技术的晶体体缺陷三维检测装置包括：

光源模块；

分束模块，用于将所述光源模块的初始光束分为第一光束和第二光束；

调整模块，包括扩束镜、光均匀器、变形棱镜对、振镜和场镜；所述第一光束依次穿过所述扩束镜、所述光均匀器、所述变形棱镜对、所述振镜和所述场镜后，得到第三光束；

平台模块，设置有待测晶体；所述第三光束在待测晶体产生散射，得到第四光束；

控制模块，用于接收和处理所述第二光束和所述第四光束，得到待测晶体的体缺陷检测结果。

进一步，所述分束模块包括半波片、偏振片和分束镜；所述初始光束依次穿过所述半波片、所述偏振片和所述分束镜，所述初始光束被所述分束镜分为所述第一光束和所述第二光束。

进一步，所述振镜包括水平方向的X振镜和竖直方向的Y振镜，用于调整光斑的位置。

进一步，所述控制模块包括扫描同步控制单元，所述扫描同步控制单元与所述振镜、平台模块相连，用于同步时序和信号。

进一步，所述控制模块还包括信号采集单元和处理单元；所述第二光束被光功率计接收，所述第四光束被二维光电传感器接收；所述信号采集单元采集所述光功率计和所述二维光电传感器上的信号，所述处理单元检测是否存在缺陷。

进一步，所述基于光散射技术的晶体体缺陷三维检测装置还包括吸光幕布，所述第三光束穿透待测晶体得到第五光束，所述吸光幕布吸收所述第五光束。

本实用新型实施例提供的一种基于光散射技术的晶体体缺陷三维检测装置，针对激光透过被测光学系统表面及内部缺陷发生了光的散射现象，采用扫描振镜结合光散射技术从而对晶体体缺陷的光散射信号进行快速检测和分析，开展晶体光学元件微缺陷的成像系统研制，进而拓展到精密光学元件和大口径光学元器件，以实现对光学元件中的缺陷的类型、分布和形成机理等进行系统分析。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的基于光散射技术的晶体体缺陷三维检测装置结构图；

图2为本实用新型实施例提供的基于光散射技术的晶体体缺陷三维检测装置的光路图；

图3为本实用新型实施例提供的振镜控制光斑扫描轨迹示意图；

图4为本实用新型实施例提供的体缺陷深度信息的确定示意图。

附图标号：

100、光源模块；

200、分束模块；210、半波片；220、偏振片；230、分束镜；

300、调整模块；310、扩束镜；320、光均匀器；330、变形棱镜对；340、振镜；350、场镜；

400、平台模块；

500、控制模块；510、扫描同步控制单元；520、信号采集单元；530、处理单元；

600、光功率计接收；

700、二维光电传感器；

800、吸光幕布。

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仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但除非特别说明，这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。

在一个实施例中，如图1和2所示，提供了一种基于光散射技术的晶体体缺陷三维检测装置，其特征在于，所述基于光散射技术的晶体体缺陷三维检测装置包括：

光源模块100；

分束模块200，用于将所述光源模块100的初始光束分为第一光束和第二光束；

调整模块300，包括扩束镜310、光均匀器320、变形棱镜对330、振镜340和场镜350；所述第一光束依次穿过所述扩束镜310、所述光均匀器320、所述变形棱镜对330、所述振镜340和所述场镜后350，得到第三光束；

平台模块400，设置有待测晶体；所述第三光束在待测晶体产生散射，得到第四光束；

控制模块500，用于接收和处理所述第二光束和所述第四光束，得到待测晶体的体缺陷检测结果。

在本实施例中，光源模块100是波长为632.8nm的半导体激光光源，为晶体检测提供初始光束。分束模块200用于分光，调整模块300用于调整光束的形状和位置，平台模块400为承载待测晶体的三维运动平台。调整模块300的各个部件功用的说明如下：

所述扩束镜310，用于将初始光束从一个较小的尺寸扩展为一个较大的尺寸，扩束镜310位于光路特定焦平面位置，以对光斑实现预设的扩束比例；

所述光均匀器320的主要作用是将初始光束中的强度分布进行调整，使其在输出端实现均匀的光强分布，光均匀器320可以包括光学透镜、衍射元件、反射镜或其他光学组件，以实现所需的光束均匀化效果，通过灵活配置光均匀器的位置和光学系统的参数，可以根据具体需求实现不同的光束均匀化效果；

所述变形棱镜330对由两个棱镜组成，分别被称为棱镜A和棱镜B，棱镜A和棱镜B之间的相对位置和角度可以调整，以实现所需的光束偏移和变形效果；通过控制棱镜A和棱镜B之间的角度差，可以实现光束的偏移效果；角度差的变化会导致光线在棱镜对中发生折射和反射，从而改变光束的传播方向；本实施例中，变形棱镜对330的主要用途是通过调整棱镜A和棱镜B为预设的入射角度和位置关系，从而实现将光斑由椭圆形调整为圆形；

所述振镜340由两个相互垂直的振镜组成，为XY振镜组合，通过旋转镜片来控制光斑在水平（X）和垂直（Y）方向上的移动，振镜340与电机或驱动器相连，可以产生快速且精确的旋转，通过调整振镜340的参数和控制信号，可以实现不同速度和幅度的光斑移动，以满足特定应用的需求；

所述场镜350，可用于扩大或缩小视场，通过调整场镜350的位置、曲率或形状等参数，可以实现视场范围的调整以适应不同的观察需求，本实施例中主要用来放大激光光斑对被测光学元件的扫描范围。

本实施例针对激光透过被测光学系统表面及内部缺陷发生了光的散射现象，采用扫描振镜结合光散射技术从而对晶体体缺陷的光散射信号进行快速检测和分析，开展晶体光学元件微缺陷的成像系统研制，进而拓展到精密光学元件和大口径光学元器件，以实现对光学元件中的缺陷的类型、分布和形成机理等进行系统分析。在基于光散射技术的晶体体缺陷三维检测装置中，表面及体缺陷散射光场的分布直接影响了检测系统的准确性和精度。激光以某一角度入射到待测光学元件上，二维光电传感器700通过收集样品垂直于入射方向的散射花样对缺陷进行量化分析，通过分析以沿着入射方向进行分析，对于散射光强最强的位置，认定为该缺陷在被测光学元件的内部位置。

具体的，所述分束模块200包括半波片210、偏振片220和分束镜230；所述初始光束依次穿过所述半波片210、所述偏振片220和所述分束镜230，所述初始光束被所述分束镜230分为所述第一光束和所述第二光束。

在本实施例中，光源是波长为632.8nm的半导体激光光源，光源模块100输出光束经过半波片210和偏振片220后，其偏振态和入射光强受到了调节；所述半波片210是为具有特定波长范围内高透过率的半波片，半波片由具有适当光学特性的材料制成，例如石英或具有特定折射率的晶体材料；所述的半波片的波长为632.8nm。所述偏振片220是正交于光路方向，所使用的偏振片为可调节线偏振片，具有在特定波长范围内高透过率的特性；通过改变偏振片的角度，可以实现光学系统的对比度优化；通过调节偏振片的角度，可以改变透射光的偏振方向；所述的偏振片的波长范围为400-730nm。所述半波片210与所述的偏振片220配合使用，可以实现光的偏振分割、偏振旋转和调制等功能。

所述分束镜230将激光发出的光束分为两束，一束经过扩束镜310、光束均匀器320、变形棱镜对330、振镜340、场镜350后入射到待测晶体中；另一束光被光功率计接收600，用于实时检测入射激光的光强变化，从而实时修正入射激光的光强信息，避免因受外界影响或者暗电流等影响引起的入射激光功率变化而引起体缺陷产生的散射光强变化，从而造成被误判。

具体的，所述振镜340包括水平方向的X振镜和竖直方向的Y振镜，用于调整光斑的位置。

具体的，所述控制模块500包括扫描同步控制单元510，所述扫描同步控制单元510与所述振镜340、平台模块400相连，用于同步时序和信号。

在本实施例中，所述平台模块400与扫描同步控制单元510相连，用于承载待测光学元件，把待测光学元件移入检测区域，并带动待测光学元件沿着x方向、y方向和z方向步进运动的三维位移台。平台模块400上的编码器用于提供反馈信号，以便于系统实时监测平台的位置和姿态，并进行闭环控制。变形棱镜330对于椭圆光束的圆形化，由于二极管有源区的矩形形状，大多数激光二极管会产生在x轴和y轴上具有不同发散角的椭圆形光束，因为椭圆光束的聚焦光斑尺寸比圆形光束大，较大的光斑尺寸会导致焦点处的辐照度（每单位面积的辐射能量通量）较低，通过设定合适的角度变形棱镜可以将椭圆的光束圆形化。所述的扫描同步控制单元是一种用于控制和协调扫描系统中多个部件的设备或模块，与XY振镜组合和三维运动平台相连，它通过精确的时序控制和信号同步，使各个部件能够协同工作，实现精确的扫描运动，并且可以分别反馈XY振镜组和三维运动平台的空间位置信息，发送给计算机的处理单元530进行缺陷信息的三维重构成像。

具体的，所述控制模块500还包括信号采集单元520和处理单元530；所述第二光束被光功率计600接收，所述第四光束被二维光电传感器700接收；所述信号采集单元采集520所述光功率计和所述二维光电传感器上的信号，所述处理单元530检测是否存在缺陷。

在本实施例中，所述光功率计600是用于接收光信号并将其转换为电信号的装置，其类型是硅光电二极管或铟镓砷光电二极管或硅光平面二极管等；所述的光功率计600与信号采集单元520连接，用于放大、滤波和测量电信号，以确定光束的功率值；光功率计600可以测量连续光束的平均功率，也可以测量脉冲光束的峰值功率或能量；在本实施例中光功率计600实时检测入射激光的光强变化，用于修正入射激光的光强信息。

所述的二维光电传感器700是一种用于检测和测量二维空间中光强度分布的传感器；它通常由光敏元件阵列和信号处理电路组成，能够实时获取和处理光信号，并生成相应的二维图像或数据；所述的二维光电传感器700是照相机、CCD、CMOS图像传感器、二维光电探测器阵列中的一种，其探测面上接收光束经过被测光学元件后以某个角度散射的二维光强数据，并与数据采集与模数转化模块相连；所述的二维光电传感器700与激光入射方向呈某一角度α。

所述处理单元530用于光散射检测过程、存储测量数据，并对光功率计600采集的光强信号和二维光电传感器700采集的光散射数据进行处理与分析；处理单元530可根据二维光电传感器700采集的光散射数据结合三维运动控制的平台模块400和XY振镜340反馈的空间位置信息进行缺陷的三维拼接成像，进而判断晶体内部是否存在缺陷。

具体的，所述基于光散射技术的晶体体缺陷三维检测装置还包括吸光幕布800，所述第三光束穿透待测晶体得到第五光束，所述吸光幕布800吸收所述第五光束。

在本实施例中，所述的吸光幕布800是一种特殊的幕布材料，具有高度的光吸收和光散射能力，它通过特殊的表面处理和材料选择，实现对光线的吸收和衰减，从而显著降低反射和漏射，吸光幕布800的表面通常具有微细的纹理、涂层或颗粒结构，这些结构能够有效地散射光线并将其吸收。当光线照射在吸光幕布上时，大部分光线会被吸收和散射，而不是反射或穿透。

在另一个实施例中，提供了一种利用上述基于光散射技术的晶体体缺陷三维检测装置对光学元件开展体缺陷三维检测分析的检测，步骤如下：

1） 将二维光电传感器700与待测光学元件的坐标进行标定，建立待测光学元件坐标与二维光电传感器700直角平面坐标的映射关系；

2） 将待测光学元件固定在平台模块400上，以使待测光学元件可以随着平台模块400整体沿着x方向、y方向和z方向步进运动；

3） 扫描同步控制单元510控制平台模块400带动待测光学元件沿着x方向、y方向和z方向步进运动，以将待测光学元件移动至检测点位置；

4） 在计算机上设置检测的区域大小和扫描路径和步进量（如图3所示），使得待测光学元件可以在场镜350的扫描范围以内，则以△L为步进量将整个扫描范围分为M×N个点；

5） 开启光源模块100选择通过调节光束口径使发出预设光斑直径大小的激光光束，通过半波片210、偏振片220、分束镜230、光束均匀器320、变形棱镜对330、振镜340、场镜350，使其以预设的角度（例如θ=90°）入射到所述的平台模块400上的待测光学元件上；

6） 通过扫描同步控制单元510快速控制XY扫描振镜340上两个振镜的旋转角度，使得光斑在被测光学元件上以预设的如图3所示的轨迹进行快速移动，并实时将空间位置信息反馈给处理单元530；

7）光功率计600和二维光电传感器700同步采集每个采样点时的分束器分光的光强数据作为背景光强和待测光学元件垂直方向上散射的图像数据，将散射图像数据与的差值作为当前点的二维光电传感器采样图像结果；

8） 计算机的处理单元530分析采样结果，如图4所示，利用图像检测方法可以快速获得散射花样的中心位置作为该采样点的体缺陷，并将其映射到Z轴方向的像素坐标上，确定其Z轴方向的像素位置为Pk，根据步骤（1）中待测光学元件坐标与二维光电传感器700直角平面坐标的映射关系，从而可以确定出体缺陷的在Z轴方向上的深度信息；

9） 计算机控制系统自动重复步骤7-8的操作，从而获得了M×N个点的数据，并将其与编码器反馈的空间位置信息进行联立，从而获得了整个被测光学元件的体缺陷检测结果。

如果对较大尺寸的被测光学元件进行检测，则可以利用平台模块400进行协助，以平台模块400控制待测光学元件以较大的步进量，将整个待测元件区分为若干个检测区，然后利用上述的步骤分别测量，最终将其拼接起来，从而得到较大尺寸的被测光学元件的体缺陷空间信息。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

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 (6)

1.一种基于光散射技术的晶体体缺陷三维检测装置，其特征在于，所述基于光散射技术的晶体体缺陷三维检测装置包括：

光源模块；

分束模块，用于将所述光源模块的初始光束分为第一光束和第二光束；

调整模块，包括扩束镜、光均匀器、变形棱镜对、振镜和场镜；所述第一光束依次穿过所述扩束镜、所述光均匀器、所述变形棱镜对、所述振镜和所述场镜后，得到第三光束；

平台模块，设置有待测晶体；所述第三光束在待测晶体产生散射，得到第四光束；

控制模块，用于接收和处理所述第二光束和所述第四光束，得到待测晶体的体缺陷检测结果。

2.根据权利要求1所述的基于光散射技术的晶体体缺陷三维检测装置，其特征在于，所述分束模块包括半波片、偏振片和分束镜；所述初始光束依次穿过所述半波片、所述偏振片和所述分束镜，所述初始光束被所述分束镜分为所述第一光束和所述第二光束。

3.根据权利要求1所述的基于光散射技术的晶体体缺陷三维检测装置，其特征在于，所述振镜包括水平方向的X振镜和竖直方向的Y振镜，用于调整光斑的位置。

4.根据权利要求3所述的基于光散射技术的晶体体缺陷三维检测装置，其特征在于，所述控制模块包括扫描同步控制单元，所述扫描同步控制单元与所述振镜、平台模块相连，用于同步时序和信号。

5.根据权利要求4所述的基于光散射技术的晶体体缺陷三维检测装置，其特征在于，所述控制模块还包括信号采集单元和处理单元；所述第二光束被光功率计接收，所述第四光束被二维光电传感器接收；所述信号采集单元采集所述光功率计和所述二维光电传感器上的信号，所述处理单元检测是否存在缺陷。

6.根据权利要求1-5任一所述的基于光散射技术的晶体体缺陷三维检测装置，其特征在于，所述基于光散射技术的晶体体缺陷三维检测装置还包括吸光幕布，所述第三光束穿透待测晶体得到第五光束，所述吸光幕布吸收所述第五光束。