CN111220625B - 表面及亚表面一体化共焦显微测量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了表面及亚表面一体化共焦显微测量装置和方法，装置包括环形光照明模块、环形光扫描模块、暗场共焦探测模块和反射共焦探测模块；环形光照明模块包括激光器、扩束镜、偏振片一、凹面锥透镜和半反半透膜一；环形光扫描模块包括二维扫描振镜、扫描透镜、管镜、物镜和待测样品；暗场共焦探测模块包括半反半透膜二、光阑、偏振片二、聚焦透镜一、针孔一和相机一；反射共焦探测模块包括偏振片三、聚焦透镜二、针孔二和相机二。本发明通过照明光束整形与互补孔径遮挡探测，有效分离样品表面反射信号与亚表面散射信号，可同时获取纳米级表面划痕、磨损及亚表面裂痕、气泡等缺陷的三维分布信息，兼具表面及亚表面缺陷一体化检测功能。

Description

表面及亚表面一体化共焦显微测量装置和方法
技术领域
本发明涉及光学精密测量技术领域，更具体的说是涉及一种表面及亚表面一体化共焦显微测量装置和方法。
背景技术
高性能光学元件及微机电元件是现代高端装备的核心组成部分，为保障其加工质量和服役可靠性需要对其进行表面形貌测量和亚表面缺陷检测。
国内外现有表面形貌无损测量技术主要包括：共焦显微测量技术、白光干涉显微测量技术和变焦显微测量技术。其中共焦显微测量技术相比于另外两种技术具有测量样品适用性宽、可以测量复杂样品结构的特点，因而在工业检测领域广泛应用。亚表面缺陷无损检测技术主要包括：激光调制散射技术，全内反射显微技术，光学相干层析技术，高频扫描声学显微技术，X射线显微成像技术。其普遍存在深度定位精度不高、信噪比低、检测效率不高，检测样品受限等不足。且目前国内外尚无设备能够同时实现表面形貌测量和亚表面缺陷检测这两种功能。
因此，如何提供一种表面及亚表面一体化共焦显微测量装置是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种表面及亚表面一体化共焦显微测量装置及方法，可同时获取纳米级表面划痕、磨损及亚表面裂痕、气泡等缺陷的三维分布信息，兼具表面及亚表面缺陷一体化检测功能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
表面及亚表面一体化共焦显微测量装置，包括环形光照明模块、环形光扫描模块、暗场共焦探测模块和反射共焦探测模块；
所述环形光照明模块按照光线传播方向依次包括：激光器、扩束镜、偏振片一、凹面锥透镜和半反半透膜一；
所述环形光扫描模块按照光线传播方向依次包括：二维扫描振镜、扫描透镜、管镜、物镜和待测样品；
所述暗场共焦探测模块按照光线传播方向依次包括：半反半透膜二、光阑、偏振片二、聚焦透镜一、针孔一和相机一；
所述反射共焦探测模块按照光线传播方向依次包括：偏振片三、聚焦透镜二、针孔二和相机二。
进一步，所述凹面锥透镜用于将线偏振高斯光束整形为线偏振环形光束，所述凹面锥透镜的前后表面底角α相同，且所述凹面锥透镜的厚度d满足整形后的所述线偏振环形光束充满物镜的入瞳，实现对样品的暗场观察需求。
进一步，所述光阑的孔径与所述线偏振环形光束的内径相同。
进一步，所述扫描透镜的工作面位于所述管镜的前焦面处。
表面及亚表面一体化共焦显微测量方法，包括以下具体步骤：
步骤一、激光器所发平行激光光束，通过扩束镜放大所述平行激光光束直径，经过偏振片一变为线偏振高斯光束，经过凹面锥透镜后，所述线偏振高斯光束整形为线偏振环形光束，所述线偏振环形光束通过半反半透膜一透射、二维扫描振镜反射和扫描透镜聚焦至管镜前焦面处，所述管镜产生环形平行光束入射至物镜，在待测样品上形成聚焦光斑，实现对所述待测样品的环形光照明；
步骤二、控制所述二维扫描振镜偏转，使聚焦光斑在所述待测样品上进行二维扫描，所述待测样品表面及亚表面中反射光与散射光依次经过所述物镜、所述管镜、所述扫描透镜和所述二维扫描振镜，经所述半反半透膜一反射，实现对所述待测样品的环形光扫描；
步骤三、通过所述半反半透膜一入射至半反半透膜二的光束分为两路探测光束：所述半反半透膜二的透射光束依次经过光阑、偏振片二和聚焦透镜一聚焦至针孔一的中心处，离焦光束被所述针孔一阻挡，准焦光束携带所述待测样品的散射信息至相机一；所述半反半透膜二的反射光束依次经过偏振片三和聚焦透镜二聚焦至针孔二的中心处，离焦光束被所述针孔二阻挡，准焦光束携带所述待测样品的反射信息至相机二；
步骤四、竖直移动所述待测样品的轴向位置，对所述待测样品不同轴向位置进行横向二维扫描，实现对所述待测样品的表面及亚表面立体显微测量。
进一步，所述凹面锥透镜的前后表面底角α相同，且所述凹面锥透镜的厚度d满足整形后的所述线偏振环形光束充满物镜的入瞳，实现对样品的暗场观察需求。
进一步，所述光阑的孔径与线偏振环形光束的内径相同。
进一步，所述扫描透镜的工作面位于所述管镜的前焦面处。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种表面及亚表面一体化共焦显微测量装置和方法，通过照明光束整形与互补孔径遮挡探测，有效分离样品表面反射信号与亚表面散射信号，可同时获取纳米级表面划痕、磨损及亚表面裂痕、气泡等缺陷的三维分布信息，兼具表面及亚表面缺陷一体化检测功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的表面及亚表面一体化共焦显微测量装置的结构示意图。
其中，
1激光器、2扩束镜、3偏振片一、4凹面锥透镜、5半反半透膜一、6二维扫描振镜、7扫描透镜、8管镜、9物镜、10待测样品、11半反半透膜二、12光阑、13偏振片二、14聚焦透镜一、15针孔一、16相机一、17偏振片三、18聚焦透镜二、19针孔二、20相机二。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种表面及亚表面一体化共焦显微测量装置，实现待测样品纳米级表面及亚表面缺陷一体化检测功能。
包括环形光照明模块、环形光扫描模块、暗场共焦探测模块、反射共焦探测模块；
环形光照明模块按照光线传播方向依次为：激光器1、扩束镜2、偏振片一3、凹面锥透镜4和半反半透膜一5；
环形光扫描模块按照光线传播方向依次为：二维扫描振镜6、扫描透镜7、管镜8、物镜9和待测样品10；
暗场共焦探测模块按照光线传播方向依次为：半反半透膜二11、光阑12、偏振片二13、聚焦透镜一14、针孔一15和相机一16；
反射共焦探测模块按照光线传播方向依次为：偏振片三17、聚焦透镜二18、针孔二19和相机二20。
更为具体地：凹面锥透镜4的前后表面底角α相同，其厚度d经过设计，将线偏振高斯光束整形为线偏振环形光束后，线偏振环形光束能充满物镜9的入瞳，满足对样品的暗场观察需求，即凹面锥透镜4的厚度d决定偏振光环形光束的外径，且外径与物镜9的入瞳相匹配，扩束镜2用于调整线偏振环形光束的内径。
更为具体地，光阑12的孔径与线偏振环形光束的内径相同，使得来自待测样品10的直接反射光，在暗场共焦探测端采用互补孔径遮挡方式滤除掉，只允许来自样品10的散射光通过后续光路被相机一16收集。
更为具体地：扫描透镜7工作面应置于管镜8的前焦面处。
更为具体地：入射到半反半透膜二11的光束被分为两路：暗场共焦探测光路与反射共焦探测光路，同时实现对样品10的表面及亚表面中的散射、反射光束的探测收集。
一种表面及亚表面一体化共焦显微测量方法，用于实现待测样品纳米级表面及亚表面缺陷一体化检测功能，具体步骤包括：
步骤a、激光器1所发平行激光光束，通过扩束镜2光束直径得以放大，经过偏振片一3变为线偏振光，经过凹面锥透镜4后，高斯光束被整形为环形光束；线偏振环形光束透射半反半透膜一5，经过二维扫描振镜6反射，通过扫描透镜7聚焦至管镜8前焦面处，通过管镜8产生环形平行光束入射物镜9，在待测样品10上形成聚焦光斑，实现对样品10的环形光照明；
步骤b、控制二维扫描振镜6偏转使聚焦光斑在样品10上进行二维扫描，样品10表面及亚表面中直接反射光与散射光依次经过物镜9、管镜8、扫描透镜7、二维扫描振镜6，被半反半透膜一5反射，实现对样品10的环形光扫描；
步骤c、入射到半反半透膜二11的光束被分为两路探测光束：透射光束依次经过光阑12、偏振片二13、聚焦透镜一14被聚焦至针孔一15的中心处，离焦光束被针孔阻挡，准焦光束携带待测样品散射信息，被相机一16收集；反射光束依次经过偏振片三17、聚焦透镜二18被聚焦至针孔二19的中心处，离焦光束被针孔阻挡，准焦光束携带待测样品反射信息，被相机二20收集；
步骤d、单方向竖直移动样品10的轴向位置，进行对样品10不同轴向位置的横向二维扫描，实现对待测样品10的表面及亚表面立体显微测量。
本发明有益效果：
1)使用凹面锥透镜将高斯光束整形为环形光束，利用合适孔径的环形光照明与互补孔径遮挡探测，有效分离样品表面反射信号与亚表面散射信号，实现高性能光学元件及微机电元件的亚表面缺陷检测。
2)装置包括暗场共焦探测与反射共焦探测两个探测模块，可同时获取纳米级表面划痕、磨损及亚表面裂痕、气泡等缺陷的三维分布信息，兼具表面及亚表面缺陷一体化检测功能。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.表面及亚表面一体化共焦显微测量装置，其特征在于，包括环形光照明模块、环形光扫描模块、暗场共焦探测模块和反射共焦探测模块；
所述环形光照明模块按照光线传播方向依次包括：激光器(1)、扩束镜(2)、偏振片一(3)、凹面锥透镜(4)和半反半透膜一(5)；
所述环形光扫描模块按照光线传播方向依次包括：二维扫描振镜(6)、扫描透镜(7)、管镜(8)、物镜(9)和待测样品(10)；
所述暗场共焦探测模块按照光线传播方向依次包括：半反半透膜二(11)、光阑(12)、偏振片二(13)、聚焦透镜一(14)、针孔一(15)和相机一(16)；
所述反射共焦探测模块按照光线传播方向依次包括：偏振片三(17)、聚焦透镜二(18)、针孔二(19)和相机二(20)；
所述凹面锥透镜(4)用于将线偏振高斯光束整形为线偏振环形光束，所述凹面锥透镜(4)的前后表面底角α相同，且所述凹面锥透镜(4)的厚度d满足整形后的所述线偏振环形光束充满物镜(9)的入瞳，实现对样品的暗场观察需求；凹面锥透镜的厚度d决定偏振光环形光束的外径，且外径与物镜的入瞳相匹配，扩束镜用于调整线偏振环形光束的内径；
通过所述半反半透膜一入射至半反半透膜二的光束分为两路探测光束：所述半反半透膜二的透射光束依次经过光阑、偏振片二和聚焦透镜一聚焦至针孔一的中心处，离焦光束被所述针孔一阻挡，准焦光束携带所述待测样品的散射信息至相机一；所述半反半透膜二的反射光束依次经过偏振片三和聚焦透镜二聚焦至针孔二的中心处，离焦光束被所述针孔二阻挡，准焦光束携带所述待测样品的反射信息至相机二。
2.根据权利要求1所述的表面及亚表面一体化共焦显微测量装置，其特征在于，所述光阑(12)的孔径与所述线偏振环形光束的内径相同。
3.根据权利要求1所述的表面及亚表面一体化共焦显微测量装置，其特征在于，所述扫描透镜(7)的工作面位于所述管镜(8)的前焦面处。
4.表面及亚表面一体化共焦显微测量方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
步骤一、激光器(1)所发平行激光光束，通过扩束镜(2)放大所述平行激光光束的直径，经过偏振片一(3)变为线偏振高斯光束，经过凹面锥透镜(4)后，所述线偏振高斯光束整形为线偏振环形光束，所述线偏振环形光束通过半反半透膜一(5)透射、二维扫描振镜(6)反射和扫描透镜(7)聚焦至管镜(8)前焦面处，所述管镜(8)产生环形平行光束入射至物镜(9)，在待测样品(10)上形成聚焦光斑，实现对所述待测样品(10)的环形光照明；
步骤二、控制所述二维扫描振镜(6)偏转，使聚焦光斑在所述待测样品(10)上进行二维扫描，所述待测样品(10)表面及亚表面中反射光与散射光依次经过所述物镜(9)、所述管镜(8)、所述扫描透镜(7)和所述二维扫描振镜(6)，并通过所述半反半透膜一(5)反射，实现对所述待测样品(10)的环形光扫描；
步骤三、通过所述半反半透膜一(5)入射至半反半透膜二(11)的光束分为两路探测光束：所述半反半透膜二(11)的透射光束依次经过光阑(12)、偏振片二(13)和聚焦透镜一(14)聚焦至针孔一(15)的中心处，离焦光束被所述针孔一(15)阻挡，准焦光束携带所述待测样品(10)的散射信息至相机一(16)；所述半反半透膜二(11)的反射光束依次经过偏振片三(17)和聚焦透镜二(18)聚焦至针孔二(19)的中心处，离焦光束被所述针孔二(19)阻挡，准焦光束携带所述待测样品(10)的反射信息至相机二(20)；
步骤四、竖直移动所述待测样品(10)的轴向位置，对所述待测样品(10)不同轴向位置进行横向二维扫描，实现对所述待测样品(10)的表面及亚表面立体显微测量；
所述凹面锥透镜(4)的前后表面底角α相同，且所述凹面锥透镜(4)的厚度d满足整形后的所述线偏振环形光束充满物镜(9)的入瞳，实现对样品的暗场观察需求，凹面锥透镜的厚度d决定偏振光环形光束的外径，且外径与物镜的入瞳相匹配，扩束镜用于调整线偏振环形光束的内径。
5.根据权利要求4所述的表面及亚表面一体化共焦显微测量方法，其特征在于，所述光阑(12)的孔径与所述线偏振环形光束的内径相同。
6.根据权利要求4所述的表面及亚表面一体化共焦显微测量方法，其特征在于，所述扫描透镜(7)的工作面位于所述管镜(8)的前焦面处。
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