CN101819163A - 光学元件亚表面缺陷的检测装置及其方法 - Google Patents

光学元件亚表面缺陷的检测装置及其方法 Download PDF

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雷向阳
郑楠
邓燕
谢瑞清
陈贤华
王健
许乔
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Abstract

本发明提供一种测量误差小的光学元件亚表面缺陷的检测装置及其方法。光学元件亚表面缺陷的检测装置，包括显微镜、精密位移平台、与显微镜连接的图像数据处理单元，在所述图像数据处理单元上还连接有激光位移传感器，所述激光位移传感器用于测量精密位移平台在Z方向的移动量。本发明采用光学显微镜和激光位移传感器进行亚表面缺陷的测量，可同时获得亚表面缺陷深度和不同深度下的亚表面缺陷形貌，实现了对不同深度下亚表面缺陷形貌的观测和深度的精确测量，避免了传统检测重新定位所引入的误差，测量精度在微米量级，本发明不仅可用于光学玻璃的亚表面缺陷检测，同样也适用于陶瓷、硅、锗等工程材料的加工亚表面缺陷测量。

Description

光学元件亚表面缺陷的检测装置及其方法
技术领域
本发明涉及光学加工和检测领域，特别是涉及一种用于光学元件加工研磨阶段产生亚表面缺陷的检测装置及其方法。
背景技术
随着大型激光光学***、天文望远镜和太空望远镜***的发展，对于光学元件的加工质量要求愈来愈严格。多年来对光学元件缺陷特性成因的研究表明，光学元件制造过程中产生的微裂纹等亚表面缺陷是造成光学元件缺陷的重要因素。光学***中的光学元件的寿命和性能受到其加工质量尤其是亚表面缺陷的影响。因此精确有效地测量光学元件亚表面缺陷产生的程度和深度，对优化研磨及抛光加工工艺、提高加工效率、节约加工成本有重要意义，同时也对获得低缺陷完美表面的光学元件提供指导依据。
目前，对于光学元件亚表面缺陷的测量主要使用击坑法或楔面抛光法测量。该方法是先将研磨后的样品进行局部抛光蚀刻，再利用轮廓仪从研磨区到抛光区沿着一定的方向，对待侧区域表面轮廓进行测量，得到被测区域的形貌，即深度Z(高度)随X(水平)方向的变化，再利用显微镜对同一区域进行观测，观测时必须使显微镜观测区域与轮廓仪测量区域完全一致，且必须知道X方向的坐标，这涉及到在显微镜下样品的再定位以及显微镜在X方向的位移精度问题，致使测量结果引入较大的误差，最终造成深度和形貌测量结果的不可靠。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种测量误差小的光学元件亚表面缺陷的检测装置。
本发明还要提供一种光学元件亚表面缺陷的检测方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：光学元件亚表面缺陷的检测装置，包括显微镜、精密位移平台、与显微镜连接的图像数据处理单元，在所述图像数据处理单元上还连接有激光位移传感器，所述激光位移传感器用于测量精密位移平台在Z方向的移动量。
本发明的有益效果是：本发明采用光学显微镜和激光位移传感器进行亚表面缺陷的测量，可同时获得亚表面缺陷深度和不同深度下的亚表面缺陷形貌，实现了对不同深度下亚表面缺陷形貌的观测和深度的精确测量，避免了传统检测重新定位所引入的误差，测量精度在微米量级；本发明不需要昂贵的轮廓仪，避免了传统测量法存在的再定位问题造成的测量误差，也避免了传统方法中轮廓仪测量区域和显微镜观测区域必须严格对应的苛刻要求；本发明为优化光学元件的研磨及抛光工艺，提高加工效率，节约加工时间和成本提供了重要量化参考，同时也为得到低缺陷加工表面提供了重要检测依据，本发明不仅可用于光学玻璃的亚表面缺陷检测，同样也适用于陶瓷、硅、锗等工程材料的加工亚表面缺陷测量。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的测量装置包括：显微镜1、激光位移传感器2、精密位移平台3、图像数据处理单元4，图像数据处理单元4分别与显微镜1和激光位移传感器2连接在一起。显微镜1具有高倍率大数值孔径的镜头和低倍率宽视场的镜头，宽视场镜头用于被测区域的初步定位，高倍率镜头用于精密调焦进而测量亚表面缺陷深度及观测亚表面缺陷形貌。激光位移传感器2用于测量精密位移平台3在Z方向的移动量，激光位移传感器2具有亚微米级以上的测量精度。精密位移平台3用于放置样品5及对被测区域精确定位，精密位移平台3可在X和Z方向上移动，且X和Z方向上移动精度分别为亚毫米级和微米级以上。图像数据处理单元4用于对显微镜1采集的图像进行数字处理。
上述数据处理单元4可采用普通的PC机，精密位移平台3在X方向平移距离大于20mm，精度0.1mm，在Z方向跳动±1μm。显微镜1采用高倍率(100×)大数值孔径(NA＝0.9)和低倍率(5×)宽视场的镜头。激光位移传感器2可采用波长632.8nm的He-Ne激光，测量精度0.1μm，实现Z方向微米量级的深度测量。
本发明的测量方法包括以下步骤：
1)先将研磨后的样品5进行局部抛光蚀刻；
2)将样品5放置在精密位移平台3上，采用显微镜1的低倍率镜头确定初始的观测区域；
3)换用高倍率镜头进行观测，移动精密位移平台3使样品5在X方向水平移动，使高倍率镜头对样品5从研磨区域逐渐扫描至抛光区域；
4)当高倍率镜头移至所需测量的区域时，沿Z方向调节精密位移平台3，使显微镜1的高倍率镜头聚焦于所测量区域，同时利用激光位移传感器2记录精密位移平台3在Z方向的位移，此位移即为被观测区域相对于初始观测位置的深度，如果此区域具有亚表面缺陷，那么此位移即为观测区域亚表面缺陷的深度，同时通过显微镜1观测此位置的亚表面缺陷形貌，一次性得到不同深度下亚表面缺陷的形貌和深度信息。

Claims (6)

1.光学元件亚表面缺陷的检测装置，包括显微镜(1)、精密位移平台(3)、与显微镜(1)连接的图像数据处理单元(4)，其特征在于：在所述图像数据处理单元(4)上还连接有激光位移传感器(2)，所述激光位移传感器(2)用于测量精密位移平台(3)在Z方向的移动量。
2.如权利要求1所述的光学元件亚表面缺陷的检测装置，其特征在于：所述显微镜(1)具有高倍率大数值孔径的镜头和低倍率宽视场的镜头。
3.如权利要求1所述的光学元件亚表面缺陷的检测装置，其特征在于：所述激光位移传感器(2)具有亚微米级以上的测量精度。
4.如权利要求1所述的光学元件亚表面缺陷的检测装置，其特征在于：所述精密位移平台(3)可在X和Z方向上移动，且X和Z方向上移动精度分别为亚毫米级和微米级以上。
5.如权利要求1所述的光学元件亚表面缺陷的检测装置，其特征在于：所述图像数据处理单元(4)采用PC机。
6.光学元件亚表面缺陷的检测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)先将研磨后的样品(5)进行局部抛光蚀刻；
2)将样品(5)放置在精密位移平台(3)上，采用显微镜(1)的低倍率宽视场的镜头确定初始的观测区域；
3)换用高倍率大数值孔径的镜头进行观测，移动精密位移平台(3)使样品(5)在X方向水平移动，使高倍率大数值孔径的镜头对样品(5)从研磨区域逐渐扫描至抛光区域；
4)当高倍率大数值孔径的镜头移至所需测量的区域时，沿Z方向调节精密位移平台(3)，使显微镜(1)的高倍率大数值孔径的镜头聚焦于所测量区域，同时利用激光位移传感器(2)记录精密位移平台(3)在Z方向的位移，此位移即为被观测区域相对于初始观测位置的深度，如果此区域具有亚表面缺陷，那么此位移即为观测区域亚表面缺陷的深度，同时通过显微镜(1)观测此位置的亚表面缺陷形貌，一次性得到不同深度下亚表面缺陷的形貌和深度信息。
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