一种快速检测光学膜层节瘤缺陷的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种快速检测光学膜层节瘤缺陷的装置，属于光学膜技术领域，包括样品台、三维电动移动平台、成像采集单元和控制分析单元，所述成像采集单元包括一个光源模块和两个成像模块，所述光源模块包括激光器、扩束系统和半透半反反射镜，所述两个成像模块分别是普通显微成像模块和相位成像模块，所述普通显微成像模块包括依次排列的成像物镜、适配器和普通成像相机，所述相位成像模块包括依次排列的成像物镜、适配器和相位成像相机，本发明专利技术可以获得节瘤缺陷的三维信息包括纵向信息，可以判断较小尺寸的节瘤缺陷；特别适合特大型高功率激光系统中常用的大口径光学元件膜层缺陷的检测与成像。

A Rapid Device and Method for Detecting Nodule Defects in Optical Film Layer

【技术实现步骤摘要】
一种快速检测光学膜层节瘤缺陷的装置及方法
本专利技术涉及光学膜
，尤其涉及一种快速检测光学膜层节瘤缺陷的装置及方法。
技术介绍
从民用的普通光学镜头、激光器到军事所用的侦察卫星等，为了实现所需要的光学功能，光学薄膜应用无处不在。特别是随着大能量、高功率激光系统的发展和应用，高损伤阈值的光学薄膜已成为激光系统中必不可少的元件。由于光学薄膜生长过程中存在难以避免的各类微缺陷，光学薄膜是激光系统中最容易被激光破坏的薄弱环节，因此，提高光学薄膜的抗激光损伤能力已成为高能激光领域亟待解决一个热点问题。研究表明，对于纳秒级脉宽的激光脉冲来说，节瘤缺陷是导致光学薄膜破坏的主要因素，典型的节瘤缺陷的结构如图1所示，图1引用自[LiuXFetal..CharacteristicsofnodulardefectinHfO2/SiO2multilayeropticalcoatings[J].AppliedSurfaceScience,256(2010)3783–3788]。因此，节瘤缺陷的识别及其对薄膜激光损伤影响的研究对薄膜激光损伤性能的提升至关重要。目前，对于节瘤缺陷的检测方法，包括光学显微技术、原子力显技术、聚焦离子束显微技术、光散射技术、扫描电子显微技术、全内反显微技术、光热技术等。光学偏振显微镜最常用，可以快速有效判断较大尺寸的节瘤缺陷，其缺点是无法给出节瘤缺陷的纵向信息；光散射技术不仅无法给出纵向信息，也不能准确判断横向尺寸；全内反显微技术只能从光学元件侧面入射，要求光学元件侧面抛光且无法实现全口径范围测试，即对入射光有特殊要求。聚焦离子束显微技术、扫描电子显微技术具有更高的测试精度和灵敏度，但是这两种设备对光学元件尺寸有要求，并且测试过程中会破坏光学元件表面。光热技术主要用于探测节瘤缺陷对激光的吸收情况，原子力显微技术可以清楚给出节瘤缺陷的高度和几何尺寸，但这两种探测方式测试效率极低。这几种方法均无法应用于百毫米量级以上的大口径光学元件膜层节瘤缺陷的全口径探测。
技术实现思路
本专利技术的目的之一就在于提供一种快速检测光学膜层节瘤缺陷的装置，以解决上述问题。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是这样的：一种快速检测光学膜层节瘤缺陷的装置，包括用于竖直放置样品的样品台；与所述样品台连接的用于调整样品位置的三维电动移动平台；用于图像采集并成像的成像采集单元；及用于控制所述三维电动移动平台和成像采集单元的控制分析单元；其中，所述成像采集单元包括一个光源模块和两个成像模块，所述光源模块包括激光器、扩束系统和半透半反反射镜，所述两个成像模块分别是普通显微成像模块和相位成像模块，所述普通显微成像模块包括依次排列的成像物镜、适配器和普通成像相机，所述相位成像模块包括依次排列的成像物镜、适配器和相位成像相机。作为优选的技术方案：所述激光器为405nm二极管激光器。激光器可以为400nm-1100nm波段的任何波长，因为节瘤缺陷会改变激光波前，波长越短，分辨率越高，灵敏度越好，为了获得尽可能高的分辨率和灵敏度，并考虑激光器成本，选用405nm激光。本专利技术利用基于四波横向剪切干涉技术的波前分析设备---相位成像相机，通过测试光学元件膜层节瘤缺陷改变波前的情况获得缺陷三维分布信息。以10×显微成像系统为例，单幅图像成像区域可以控制在1.2×0.9mm2，对应像素3μm，成像时间控制在0.5秒以内。结合三维电动平移台和图像拼接处理系统，1.5个小时就可以实现边长为100mm方形元件膜层缺陷的全口径测试。以同样可以获得缺陷三维分布信息的原子力显微技术为例，常用的原子力显微技术成像速度极其慢，几十微米的尺度需要数分钟到数十分钟，按照1分钟1000μm2的速度计算，100mm方形元件膜层缺陷的全口径测试需要1.7×105小时，这在实际大口径应用中根本是不现实的。本专利技术的目的之二，在于提供一种采用上述的装置进行光学膜层节瘤缺陷检测的方法，采用的技术方案为，包括以下步骤：（1）在样品待测面做标记点；（2）安装样品，固定样品台，开启光源模块和普通成像模块，微调样品台，使得样品在整个大口径范围内都能够清晰成像；（3）开启相位成像模块，设置样品台运动方向，与成像采集单元垂直的方向为Z方向，与Z方向垂直的方向为XY方向，调节样品台沿XY方向移动，对不同位置连续成像，由控制分析单元获取图像并对图像进行拼接与处理，获取光学膜层节瘤缺陷。本专利技术利用一束激光光源，经过扩束系统、半反射镜、成像物镜到样品表面，样品表面的反射光经过物镜、半反射镜、适配器到相应的成像相机；普通成像相机用于大口径样品的自动找平；从图1可以看出，膜层节瘤缺陷横向尺寸数微米或数十微米，有一定凸起数十纳米到数微米，其反射光或透射光波前变化在数十纳米到数微米，满足相位成像相机的相位分辨精度和可探测范围，所以，相位成像相机可以用于提供大口径样品表面的位相和强度信息；结合三维电动移动平台和图像处理系统，基于机器视觉采集、处理及分辨光学膜层节瘤缺陷，实现大口径光学膜层节瘤缺陷的快速三维检测。本专利技术提出一种无损、快速膜层节瘤缺陷的探测方法，特别适用于大口径光学薄膜缺陷的检测，能获得微观缺陷的三维分布，并实现全口径探测。本专利技术的装置和方法，不仅仅可以探测膜层节瘤缺陷，也适用于其它光学材料结构性缺陷的探测。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：采用本专利技术的装置和方法，可以快速检测光学膜层节瘤缺陷，10倍物镜下分辨率~3μm，1.5小时可以实现边长为100mm尺寸方形元件全口径测试；可以获得节瘤缺陷的三维信息包括纵向信息，可以判断较小尺寸的节瘤缺陷，50倍物镜分辨率优于1微米；对入射激光没有特殊要求，适用于大口径光学元件膜层缺陷的检测。附图说明图1为典型的节瘤缺陷的结构图；图2为本专利技术实施例的装置连接示意图；图3为本专利技术实施例的计算机控制系统示意图。图中：1、405nm激光器；2、扩束系统；31、第一半透半反反射镜；32、第二半透半反反射镜；4、高倍率成像物镜；5、三维电动移动平台；6、待测试样品；71、第一适配器；72、第二适配器；8、相位成像相机；9、普通成像相机；10、计算机控制系统。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术作进一步说明。实施例：参见图2，一种快速检测光学膜层节瘤缺陷的装置，包括用于竖直放置待测试样品6的样品台；与所述样品台连接的用于调整样品位置的三维电动移动平台5；用于图像采集并成像的成像采集单元；及用于控制所述三维电动移动平台5和成像采集单元的控制分析单元，本实施例的控制分析单元为计算机控制系统10；其中，所述成像采集单元包括一个光源模块和两个成像模块，所述光源模块包括405nm激光器1、扩束系统2、第一半透半反反射镜31和第二半透半反反射镜32，所述两个成像模块分别是普通显微成像模块和相位成像模块，所述普通显微成像模块包括依次排列的高倍率成像物镜4，为了兼顾快速和分辨率两种要求，成像物镜设定为旋转可选，分别为5×、10×、20×和50×、第一适配器71和普通成像相机9，所述相位成像模块包括依次排列的高倍率成像物镜4、第二适配器72和相位成像相机8；所述405nm激光器1、三维电动移动平台5、相位成像相机8和普通成像相机9均与计算机控制系统10连接，所述计算机控制系统10获取普通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快速检测光学膜层节瘤缺陷的装置，其特征在于：包括用于竖直放置样品的样品台；与所述样品台连接的用于调整样品位置的三维电动移动平台；用于图像采集并成像的成像采集单元；及用于控制所述三维电动移动平台和成像采集单元的控制分析单元；其中，所述成像采集单元包括一个光源模块和两个成像模块，所述光源模块包括激光器、扩束系统和半透半反反射镜，所述两个成像模块分别是普通显微成像模块和相位成像模块，所述普通显微成像模块包括依次排列的成像物镜、适配器和普通成像相机，所述相位成像模块包括依次排列的成像物镜、适配器和相位成像相机。

【技术特征摘要】
1.一种快速检测光学膜层节瘤缺陷的装置，其特征在于：包括用于竖直放置样品的样品台；与所述样品台连接的用于调整样品位置的三维电动移动平台；用于图像采集并成像的成像采集单元；及用于控制所述三维电动移动平台和成像采集单元的控制分析单元；其中，所述成像采集单元包括一个光源模块和两个成像模块，所述光源模块包括激光器、扩束系统和半透半反反射镜，所述两个成像模块分别是普通显微成像模块和相位成像模块，所述普通显微成像模块包括依次排列的成像物镜、适配器和普通成像相机，所述相位成像模块包括依次排列的成像物镜、适配器和相位成像相机。2.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘红婕，王方，朱启华，郑天然，周丽丹，胡东霞，袁强，袁晓东，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心，
类型：发明
国别省市：四川,51