CN104568982A - 一种光学元件亚表面缺陷检测方法及检测*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学元件亚表面缺陷检测方法和检测***，其中，检测方法包括：光纤耦合器对输入的宽带光源进行分路；一路低相干光输入参考臂，被零光程参考面反射，形成参考光，另一路低相干光输入样品臂，进行光程延时处理，通过光纤探头阵列获取信号光；信号光和参考光经光纤耦合进行相干迭加并形成光谱信息；通过样品或光纤探头阵列的移动获取被检测区域的二维或三维光谱信息，重构被检测区域的高分辨图像。检测***包括宽带光源、光纤耦合器、参考臂、样品臂和探测臂，样品臂包括相连接的光程延时单元和光纤探头阵列。与现有技术相比，本发明能够快速、高分辨显示多空间区域的缺陷结构信息，为光学元件亚表面缺陷检测提供新的途径。
Description
技术领域
本发明涉及光程延时技术、光子纳米喷射技术、光学相干层析成像技术和光学元件亚表面缺陷检测技术，尤其是涉及一种快速、高分辨的光学元件亚表面缺陷检测方法及检测***。
背景技术
随着高能量、高功率激光***和高分辨、高对比度空间光学成像***的不断发展，光学元件的制造正朝着超精密、超光滑加工方向发展，既要提高光学元件的面型精度，降低光学元件的表面粗糙度，又要消除或减少光学元件亚表面缺陷。
目前，检测光学元件亚表面损伤的方法主要分有损检测和无损检测。常用的有损检测技术包括截面显微法、角度抛光法、逐层抛光刻蚀法、球锪孔法、锥体锪孔法、磁流变抛光斑点技术、恒定化学刻蚀速率法等。这些方法的实质是通过物理或化学方法暴露不同深度损伤的横切面或横截面，结合光学显微镜、扫描近场显微镜，电子显微镜等获取亚表面缺陷的显微结构信息。这些检测方法尽管是最为直接、有效的，而且被光学加工行业普遍采用，但是依然存在测量效率偏低，测量信息不全面，有损测量造成试件破坏或失效引入的加工成本增加，引入新的亚表面损伤导致测量误差等明显缺陷。无损检测技术主要利用表面粗糙度、超声波、散射光、荧光等无损手段获得来自亚表面损伤层和基体层的信息差异来定量或定性分析材料亚表面损伤，有高频扫描声学显微技术、激光散射技术、全内反射检测技术、光学相干层析技术、共焦激光扫描显微技术等。这些检测方法具有不损伤光学元件、增加加工成本的优点，但是往往存在空间分辨率偏低、检测速度慢的缺点。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种快速、高分辨的光学元件亚表面缺陷检测方法及检测***，为光学元件亚表面缺陷检测提供新的途径。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种光学元件亚表面缺陷检测方法，包括以下步骤：
1)光纤耦合器对输入的宽带光源进行分路；
2)一路低相干光输入参考臂，被零光程参考面反射，形成参考光；
3)另一路低相干光输入样品臂，进行光程延时处理，通过光纤探头阵列形成具有不同光程延时量的空间多点并行照明，照射在样品的被检测区域上，并接收该区域反射和后向散射的信号光；
4)所述信号光和参考光经光纤耦合进行相干迭加并形成光谱信息；
5)通过样品或光纤探头阵列的移动获取被检测区域的二维或三维光谱信息；
6)根据二维或三维光谱信息重构被检测区域的高分辨图像，显示缺陷的形状和分布。
所述步骤3)中，光程延时处理为：改变光纤耦合器样品臂输出端与各光纤探头间的自由空间距离，实现各光纤探头接收的检测信息相对零光程参考面具有不同的光程延时量。
所述步骤3)中，空间多点并行照明为横向尺寸处于衍射极限以下而轴向长度在200微米的照明光场。
一种光学元件亚表面缺陷检测***，包括宽带光源、光纤耦合器、参考臂、样品臂和探测臂，所述光纤耦合器分别连接宽带光源、参考臂、样品臂和探测臂，所述样品臂包括相连接的光程延时单元和光纤探头阵列，所述光纤探头阵列由多个光纤探头组成。
所述光程延时单元包括依次设置的主透镜、分束器、反射镜和从透镜，所述分束器设有n-1个，所述反射镜设有1个，所述从透镜设有n个，n为光纤探头的个数。
所述光纤探头由单模光纤和微米介质小球组成，所述微米介质小球胶合在经端面处理过的单模光纤凹面上。
所述多个光纤探头的长度相同。
还包括用于固定光纤探头阵列或样品的可移动的扫描装置。
与现有技术相比，本发明以谱域光学相干层析(SD-OCT)***为基础，以基于光子纳米喷射设计的光纤探头取代一般SD-OCT***样品臂的光学***，形成快速、高分辨的光学元件亚表面缺陷检测方法及检测***，具有以下优点：
(1)本发明光纤探头基于光子纳米喷射设计，由微米介质小球和单模光纤组成，微米介质小球(微球)通过散射单模光纤传输的低相干光形成光子纳米喷射，获得横向尺寸处于衍射极限以下而轴向长度在200微米的照明光场，使***具有超高的横向空间分辨率。
(2)本发明利用光程延时技术将多个光纤探头接入光纤耦合器的样品臂端，实现多光纤探头空间并行检测以提高检测速度；
(3)本发明采用谱域光学相干层析(SD-OCT)技术，具有宽光谱并行检测、光程分辨能力以及横向和轴向空间分辨率相互独立等优点，通过SD-OCT技术的光程分辨能力，可以分离来自不同光纤探头接收的具有不同光程量的深度信息，利用信号处理技术就可以重构出多光纤探头检测区域的结构信息。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明光程延时技术示意图。
图中：1、宽带光源，2、光纤耦合器，3、参考臂，4、样品臂，5、探测臂，6、光纤探头阵列，7、扫描装置，8、样品。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例提供一种光学元件亚表面缺陷检测***，包括宽带光源1、光纤耦合器2、参考臂3、样品臂4和探测臂5，光纤耦合器2分别连接宽带光源1、参考臂3、样品臂4和探测臂5，样品臂4包括相连接的光程延时单元和光纤探头阵列6，光纤探头阵列6由多个光纤探头组成。该检测***还包括用于固定光纤探头阵列6或样品8的可移动的扫描装置7。光纤探头由单模光纤和微米介质小球组成，微米介质小球胶合在经端面处理过的单模光纤凹面上，微球通过散射单模光纤传输的低相干光形成光子纳米喷射，获得横向尺寸处于衍射极限以下而轴向长度在200微米的照明光场。光纤处理端面形貌、微球的直径和折射率根据所需光子纳米喷射大小选择。多个光纤探头的长度相同。
采用上述光学元件亚表面缺陷检测***进行检测的具体方法为：
宽带光源1发出的低相干光进入光纤耦合器2，经光纤耦合器2分光后，一路进入参考臂3的低相干光经零光程参考面反射后返回探测臂5形成参考光，另一路进入样品臂4的低相干光经光程延时处理进入光纤探头阵列6，实现横向尺寸处于衍射极限以下而轴向长度在200微米的空间多点并行照明；光纤探头阵列6接收的深度信号光经光纤耦合器2导入***探测臂5，***探测臂5中CCD接收所有信号光与参考光相干迭加的光谱信号；通过固定光纤探头6或样品8的扫描装置7的移动获得二维或三维样品频谱信息，***探测臂5中计算机重构被检测区域的超高分辨图像，显示光学元件亚表面缺陷的形状和分布。
如图2所示，本实施例的光程延时单元包括依次设置的主透镜、分束器、反射镜和从透镜，分束器设有n-1个，反射镜设有1个，从透镜设有n个，组成多光束传输***，改变光纤耦合器样品臂输出端与光纤探头之间的自由空间距离，实现各光纤探头接收的检测信息相对零光程参考面具有不同的光程延时量。其中n为光纤探头的个数。
主透镜L用来准直从光纤耦合器2输出的低相干照明光和耦合各光纤探头接收的信号光进入光纤耦合器2；分束器m1-mn-1和反射镜mn将主透镜L准直的一路照明光束分成多路平行照明光束，又将来自各光纤探头接收的平行信号光束合成一路信号光束；从透镜l1-ln将多路平行照明光束分别耦合进入对应的光纤探头，又将各光纤探头接收的检测信号光准直成多路平行信号光束。
相对已有的其他检测技术，本发明提出的方法和***利用空间、频谱并行检测技术可以实现高速检测；利用基于光子纳米喷射设计的光纤探头可以使横向空间分辨率低于衍射极限，是一种全新的快速、高分辨光学元件亚表面缺陷检测技术。
Claims (8)
1.一种光学元件亚表面缺陷检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)光纤耦合器对输入的宽带光源进行分路；
2)一路低相干光输入参考臂，被零光程参考面反射，形成参考光；
3)另一路低相干光输入样品臂，进行光程延时处理，通过光纤探头阵列形成具有不同光程延时量的空间多点并行照明，照射在样品的被检测区域上，并接收该区域反射和后向散射的信号光；
4)所述信号光和参考光经光纤耦合进行相干迭加并形成光谱信息；
5)通过样品或光纤探头阵列的移动获取被检测区域的二维或三维光谱信息；
6)根据二维或三维光谱信息重构被检测区域的高分辨图像，显示缺陷的形状和分布。
2.根据权利要求1所述的光学元件亚表面缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤3)中，光程延时处理为：改变光纤耦合器样品臂输出端与各光纤探头间的自由空间距离，实现各光纤探头接收的检测信息相对零光程参考面具有不同的光程延时量。
3.根据权利要求1所述的光学元件亚表面缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤3)中，空间多点并行照明为横向尺寸处于衍射极限以下而轴向长度在200微米的照明光场。
4.一种光学元件亚表面缺陷检测***，包括宽带光源、光纤耦合器、参考臂、样品臂和探测臂，所述光纤耦合器分别连接宽带光源、参考臂、样品臂和探测臂，其特征在于，所述样品臂包括相连接的光程延时单元和光纤探头阵列，所述光纤探头阵列由多个光纤探头组成。
5.根据权利要求4所述的光学元件亚表面缺陷检测***，其特征在于，所述光程延时单元包括依次设置的主透镜、分束器、反射镜和从透镜，所述分束器设有n-1个，所述反射镜设有1个，所述从透镜设有n个，n为光纤探头的个数。
6.根据权利要求4所述的光学元件亚表面缺陷检测***，其特征在于，所述光纤探头由单模光纤和微米介质小球组成，所述微米介质小球胶合在经端面处理过的单模光纤凹面上。
7.根据权利要求4或6所述的光学元件亚表面缺陷检测***，其特征在于，所述多个光纤探头的长度相同。
8.根据权利要求4所述的光学元件亚表面缺陷检测***，其特征在于，还包括用于固定光纤探头阵列或样品的可移动的扫描装置。
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| CN104568982B (zh) | 2017-05-10 |
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Granted publication date: 20170510 |