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快速三維探測光學元件亞表面缺陷的檢測裝置及檢測方法與流程

文檔序號:12451052閱讀:327來源:國知局
快速三維探測光學元件亞表面缺陷的檢測裝置及檢測方法與流程

本發(fā)明涉及一種檢測裝置及方法,尤其涉及一種快速三維探測光學元件亞表面缺陷的檢測裝置及檢測方法。



背景技術(shù):

為了獲得最大輸出,大型高功率/高能量激光裝置都在接近于光學元件損傷閾值的通量下運行,因此光學元件損傷性能尤其重要,是決定這類激光裝置輸出能力的關鍵。目前高通量下光學元件的損傷問題大部分都可歸結(jié)于光學元件亞表面各類缺陷,光學材料經(jīng)過切割、研磨、拋光等過程加工成光學元件,盡管表面看起來近乎完美無瑕,粗糙度在1nm以下,但其表面和亞表面層不可避免存在亞表面微裂紋和雜質(zhì)污染等微觀缺陷。這些缺陷深度在幾微米到數(shù)百微米,當激光輻照時會吸收激光能量導致局部材料高溫進而引發(fā)損傷。研究表明利用氫氟酸刻蝕處理可以有效去除亞表層缺陷,從而大幅度提高光學元件的抗損傷性能,但氫氟酸深度刻蝕會影響光學元件面形、表面疵病及引發(fā)再次污染。因此精確有效的測量光學元件亞表層缺陷的三維分布情況是非常必要的,一方面可有利于優(yōu)化研磨拋光工藝獲得高效率加工工藝,另一方面可為酸刻蝕處理提供刻蝕深度等參數(shù),為獲得低缺陷高閾值光學元件提供技術(shù)支持。

有關光學元件亞表面缺陷的測試有很多,可以分為兩大類:有損檢測和無損檢測。常用的有損檢測技術(shù)有截面顯微法、角度拋光法、逐層拋光刻蝕法、擊坑顯微法、磁流變拋光法、恒定化學刻蝕速率法等。這些方法都是通過物流或化學的方法將不同深度的缺陷暴露在外面,結(jié)合光學顯微鏡、掃描電鏡、原子力顯微鏡等技術(shù)獲取缺陷信息,這些方法盡管在加工行業(yè)普遍采用,但具有效率很低、有破壞性、信息也不全面等缺點。無損檢測技術(shù)主要包括共聚焦熒光掃描顯微技術(shù)、全內(nèi)反射檢測技術(shù)、光學相干層析技術(shù)、激光散射技術(shù)等。但共聚焦熒光掃描顯微技術(shù)速度非常慢,很難實現(xiàn)光學元件亞表層缺陷的三維成像;光學相干層析技術(shù)精度太低,難以滿足光學元件亞表面缺陷微觀尺寸的要求;其它的方法也難以實現(xiàn)光學元件亞表面缺陷的三維成像。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的就在于提供一種解決上述問題,特別適用于大口徑光學元件,能夠快速完成光學元件亞表面微觀缺陷的三維檢測的一種快速三維探測光學元件亞表面缺陷的檢測裝置及檢測方法。

為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案是這樣的:一種快速三維探測光學元件亞表面缺陷的檢測裝置,包括水平的樣品臺和計算機,所述樣品臺連接高精度三維電動移動平臺和壓電陶瓷z向平移臺,并能分別由二者驅(qū)動其運動,所述樣品臺內(nèi)設有光學元件的樣品;

樣品背面設有激光器和圖像采集單元,正面設有共聚焦成像系統(tǒng),激光經(jīng)激光器發(fā)出后,依次經(jīng)光束控制系統(tǒng)、高反射鏡單元后投射在樣品正面;

所述圖像采集單元包括依次連接的CCD、高通濾波器和成像鏡頭,所述成像鏡頭正對樣品上激光的投射處,用于采集激光投射在樣品上激發(fā)的熒光圖像,經(jīng)高通濾波器濾波后成像到CCD;

所述共聚焦成像系統(tǒng)也正對樣品上激光的投射處,用于采集樣品表面經(jīng)激光照射后產(chǎn)生的具有深度信息的熒光信號;

所述圖像采集單元、共聚焦成像系統(tǒng)、高精度三維電動移動平臺和壓電陶瓷z向平移臺均與計算機連接,所述計算機獲取圖像采集單元的圖像信號,以及共聚焦成像系統(tǒng)采集的帶深度信息的熒光信號進行處理,并控制高精度三維電動移動平臺和壓電陶瓷z向平移臺運動。

作為優(yōu)選:光路經(jīng)高反射鏡單元后投射在樣品表面后的反射方向上,設有一用于吸收殘余激光的殘余激光收集器,所述高反射鏡單元由數(shù)個高反射鏡構(gòu)成。

作為優(yōu)選:所述共聚焦成像系統(tǒng)包括依次設置的光電倍增管、高通濾波器、帶小孔的擋板和聚焦透鏡組,且聚焦透鏡組朝向樣品。

作為優(yōu)選:所述成像鏡頭上設有照明光源。

作為優(yōu)選:所述激光器為發(fā)出的激光光源為單波長355nm連續(xù)激光,所述高通濾波器為360nm高通濾波器。

一種快速三維探測光學元件亞表面缺陷的檢測裝置的檢測方法,包括以下步驟,

(1)在樣品上找出一個能激發(fā)出熒光的標記點,標記點所在的面為正面;

(2)在照明光源下,安裝樣品,固定樣品臺,調(diào)節(jié)圖像采集單元和共聚焦成像系統(tǒng),使圖像采集單元和共聚焦成像系統(tǒng)均能清晰成像到標記點處;

(3)關閉照明光源,開啟激光器,調(diào)整高反射鏡單元,使激光器產(chǎn)生的激光投射到標記點處激發(fā)出熒光,再調(diào)整激光器的輸出功率,使激發(fā)的熒光能被CCD清晰探測到;

(4)設置樣品臺運動方向,在圖像采集單元和共聚焦成像系統(tǒng)焦點連線的方向為Z方向,與Z方向垂直的方向為XY方向,調(diào)節(jié)樣品臺沿XY方向移動,對不同位置連續(xù)成像,由計算機獲取圖像并對圖像進行拼接,得到熒光缺陷在XY二維方向上的分布區(qū)域;

(5)將熒光缺陷的區(qū)域劃分為數(shù)個測試點,一一在測試點處定位,調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)樣品臺沿Z方向移動,通過共聚焦成像系統(tǒng)采集樣品表面經(jīng)激光照射后產(chǎn)生的具有深度信息的熒光信號;

(6)計算機從具有深度信息的熒光信號中提取出深度信息,并與熒光缺陷的分布區(qū)域?qū)Y(jié)合,獲得光學元件亞表面缺陷的三維圖像。

本發(fā)明中,激光器產(chǎn)生的激發(fā)光源為單波長355nm連續(xù)激光,實際上可根據(jù)材料缺陷特性選擇其它波長,激光器的輸出功率為100mW,利用光束控制系統(tǒng)、高反射鏡單元控制光束到樣品測試位置的面積和入射角度,并可根據(jù)測試樣品信號的強弱控制測試位置的激發(fā)激光功率。

元件亞表面缺陷容易受激光激發(fā)產(chǎn)生熒光,當照射到缺陷位置時,產(chǎn)生熒光,由圖像采集單元中的高倍率成像鏡頭成像到高靈敏度低噪聲CCD,為了去除激發(fā)源散射光的影響,中間加入360nm(與激發(fā)光源波長匹配,剛好能去除激發(fā)激光為佳)高通濾波器。調(diào)節(jié)樣品臺XY方向位置,對不同位置連續(xù)成像,通過圖像拼接實現(xiàn)大面積的二維測試。通過大面積的二維測試,我們可以得到二維方向上,熒光缺陷的分布區(qū)域,如此快速找出缺陷在二維方向上的分布。

再將熒光缺陷的區(qū)域劃分為數(shù)個測試點,通過調(diào)節(jié)樣品臺XY方向位置,在測試點一一的定位,通過樣品臺的Z方向運動和共聚焦成像系統(tǒng)的采集,獲得不同測試點處,帶有深度信息的熒光信號。

本發(fā)明采用共聚焦成像系統(tǒng)實現(xiàn)Z方向上熒光信號的采集,是因為共聚焦成像系統(tǒng)中,聚焦透鏡組由兩塊透鏡組成,兩塊透鏡的焦點分別在共聚焦成像系統(tǒng)的測試位置處和擋板的小孔處。共聚焦系統(tǒng)的作用,只有缺陷剛好位于測試位置處時,熒光信號才能通過小孔被光電倍增管探測到,而缺陷在測試位置之外時,熒光經(jīng)過共聚焦系統(tǒng)會聚集在小孔之外,從而被擋板擋住不能被光電倍增管探測到。

例如:參見圖2,圖2為精拋光光學元件亞表層微缺陷特征圖,光學元件表面為沉積層,非常光滑,沉積層以下為有一定厚度的破碎層,破碎層中有三處不同深度的微裂紋。從左到右深度依次為最深、最淺、中間。

當探測點位于最左邊微裂紋時,共聚焦成像系統(tǒng)就能檢測到熒光信號,且在整個微裂紋的深度范圍內(nèi),均能檢測到熒光信號,但是一旦超過微裂紋在該探測點的深度,則無法檢測到熒光信號,所以這個臨界深度,就是我們需要的該探測點的深度信息,通過調(diào)整樣品臺沿Z軸運動被獲取到。

探測結(jié)束后,水平二維移動樣品臺至下一個探測點,此處假設從最左邊微裂紋向中間的微裂紋方向移動,在移動過程中,兩個微裂紋間的光滑區(qū)域是無法激發(fā)熒光信號的。當測試點移動到中間微裂紋處后,共聚焦成像系統(tǒng)再次檢測到熒光信號,并再次調(diào)整樣品臺沿Z軸運動至該點處微裂紋的臨界深度,獲得此測試點的深度信息。依此類推,我們可以獲得整個二維熒光缺陷的區(qū)域內(nèi)的深度信息。

而此時Z軸的運動數(shù)據(jù),就包含了缺陷的深度信息,小孔的作用是去除離焦位置的熒光信號以獲得精準的深度信息,360nm高通濾波器的作用是去除散射激光,最后具有一定深度信息的熒光信號由高靈敏度光電倍增管探測。

樣品臺的運動,由高精度三維電動移動平臺和壓電陶瓷z向平移臺共同驅(qū)動,壓電陶瓷Z向平移臺控制系統(tǒng)可實現(xiàn)十納米量級的步長,通過該系統(tǒng)進行Z向調(diào)節(jié),結(jié)合圖像處理系統(tǒng),可獲得百納米量級精度、數(shù)十微米深度的熒光缺陷分布情況。

最終利用圖像處理軟件重構(gòu)功能,將所測試的光學元件亞表面缺陷表層信息和深度信息結(jié)合在一起,即可獲得光學元件亞表面缺陷的三維圖像。

與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明為一種無損測試裝置和測試方法,先通過快速的二維測試獲得光學元件亞表面缺陷的二維信息,在此基礎上確定光學元件亞表面缺陷位置,針對該位置進行深度掃描測試,獲得光學元件亞表面缺陷的深度信息,利用圖像處理分析的方法將二者結(jié)合,從而獲得光學元件亞表面缺陷的三維成像。其探測精度將遠高于光學相干層析技術(shù)的精度,其探測速度將遠遠高于相同精度下常規(guī)共聚焦熒光顯微技術(shù)的速度。

本發(fā)明可快速、高分辨無損探測光學元件亞表面缺陷的三維信息,為低缺陷高激光損傷閾值光學元件制造工藝優(yōu)化奠定檢測技術(shù)基礎。本發(fā)明不僅僅可用于光學元件的亞表面缺陷檢測,還可用于其它透明元件拋光加工引起的亞表層缺陷檢測。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖;

圖2為精拋光光學元件亞表層微缺陷特征圖。

圖中:1、激光器;2、光束控制系統(tǒng);3、高反射鏡單元;4、樣品;5、殘余激光收集器;6、成像鏡頭;7、高通濾波器;8、CCD;9、聚焦透鏡組;10、擋板;11、照明光源;12、光電倍增管;13、三維電動移動平臺;14、壓電陶瓷z向平移臺;15、計算機;16、雜質(zhì);17、微裂紋。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

實施例1:參見圖1,一種快速三維探測光學元件亞表面缺陷的檢測裝置,包括水平的樣品4臺和計算機15,所述樣品4臺連接高精度三維電動移動平臺13和壓電陶瓷z向平移臺14,并能分別由二者驅(qū)動其運動,所述樣品4臺內(nèi)設有光學元件的樣品4;

樣品4背面設有激光器1和圖像采集單元,正面設有共聚焦成像系統(tǒng),激光經(jīng)激光器1發(fā)出后,依次經(jīng)光束控制系統(tǒng)2、高反射鏡單元3后投射在樣品4正面;

所述圖像采集單元包括依次連接的CCD8、高通濾波器7和成像鏡頭6,所述成像鏡頭6正對樣品4上激光的投射處,用于采集激光投射在樣品4上激發(fā)的熒光圖像,經(jīng)高通濾波器7濾波后成像到CCD8;

所述共聚焦成像系統(tǒng)也正對樣品4上激光的投射處,用于采集樣品4表面經(jīng)激光照射后產(chǎn)生的具有深度信息的熒光信號;

所述圖像采集單元、共聚焦成像系統(tǒng)、高精度三維電動移動平臺13和壓電陶瓷z向平移臺14均與計算機15連接,所述計算機15獲取圖像采集單元的圖像信號,以及共聚焦成像系統(tǒng)采集的帶深度信息的熒光信號進行處理,并控制高精度三維電動移動平臺13和壓電陶瓷z向平移臺14運動。

本實施例中,光路經(jīng)高反射鏡單元3后投射在樣品4表面后的反射方向上,設有一用于吸收殘余激光的殘余激光收集器5,所述高反射鏡單元3由數(shù)個高反射鏡構(gòu)成,所述共聚焦成像系統(tǒng)包括依次設置的光電倍增管12、高通濾波器7、帶小孔的擋板10和聚焦透鏡組9,且聚焦透鏡組9朝向樣品4,所述成像鏡頭6上設有照明光源11,所述激光器1為發(fā)出的激光光源為單波長355nm連續(xù)激光,所述高通濾波器7為360nm高通濾波器7。

其中,光束控制系統(tǒng)2主要用于控制激發(fā)激光光束在樣品4位置的大小和強度,以測試不同熒光強度的樣品4,熒光信號較強的樣品4,可選用較弱的光較大的尺寸。需要檢測的光學元件的樣品4結(jié)構(gòu)圖參見圖2,樣品4表面分為沉積層和破碎層,破碎層中有很多微裂紋17,沉積層和破碎層均含有雜質(zhì)16。

一種快速三維探測光學元件亞表面缺陷的檢測裝置的檢測方法,包括以下步驟,

(1)在樣品4上找出一個能激發(fā)出熒光的標記點,標記點所在的面為正面;

(2)在照明光源11下,安裝樣品4,固定樣品4臺,調(diào)節(jié)圖像采集單元和共聚焦成像系統(tǒng),使圖像采集單元和共聚焦成像系統(tǒng)均能清晰成像到標記點處;

(3)關閉照明光源11,開啟激光器1,調(diào)整高反射鏡單元3,使激光器1產(chǎn)生的激光投射到標記點處激發(fā)出熒光,再調(diào)整激光器1的輸出功率,使激發(fā)的熒光能被CCD8清晰探測到;

(4)設置樣品4臺運動方向,在圖像采集單元和共聚焦成像系統(tǒng)焦點連線的方向為Z方向,與Z方向垂直的方向為XY方向,調(diào)節(jié)樣品4臺沿XY方向移動,對不同位置連續(xù)成像,由計算機15獲取圖像并對圖像進行拼接,得到熒光缺陷在XY二維方向上的分布區(qū)域;

(5)將熒光缺陷的區(qū)域劃分為數(shù)個測試點,一一在測試點處定位,調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)樣品4臺沿Z方向移動,通過共聚焦成像系統(tǒng)采集樣品4表面經(jīng)激光照射后產(chǎn)生的具有深度信息的熒光信號;例如,此處熒光缺陷對應一微裂紋17,共聚焦成像系統(tǒng)在整個微裂紋17的深度范圍內(nèi),都能檢測到熒光信號,但是一旦超過微裂紋17在該探測點的深度,則無法檢測到熒光信號;

(6)計算機15從具有深度信息的熒光信號中提取出深度信息,并與熒光缺陷的分布區(qū)域?qū)Y(jié)合,獲得光學元件亞表面缺陷的三維圖像,提取深度信息是,剛好無法探測到熒光信號的那個臨界深度,就是我們需要的該探測點的深度信息。

本發(fā)明中,激光器1產(chǎn)生的激發(fā)光源為單波長355nm連續(xù)激光,實際上可根據(jù)材料缺陷特性選擇其它波長,激光器1的輸出功率為100mW,利用光束控制系統(tǒng)2、高反射鏡單元3控制光束到樣品4測試位置的面積和入射角度,并可根據(jù)測試樣品4信號的強弱控制測試位置的激發(fā)激光功率。

本發(fā)明的優(yōu)勢在于:二維信息的獲取通過面掃描的方式,深度信息的獲取通過點掃描的方式,點、面結(jié)合得到三維數(shù)據(jù),且數(shù)據(jù)精確,檢測速度快。

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