一种光学元件亚表面缺陷快速检测装置和检测方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种光学元件亚表面缺陷快速检测装置和检测方法，其中，检测装置包括用于放置待测光学元件的样品台，用于对光学元件进行扫描的成像模块，用于控制样品台、监测成像模块并采集成像模块图像的控制系统，以及对采集图像进行拼接的图像处理系统；所述的成像模块包括散射成像模块、荧光成像模块以及共聚焦荧光成像模块。利用本发明专利技术，不仅可以得到光学元件全口径的散射图像、荧光图像以及光致发光亚表面缺陷图像；也可以获得缺陷的分布、位置、强度、大小、密度等信息；同时可对关键缺陷区域通过共聚焦模式进行定位及高分辨精检，获得关键缺陷的深度信息，从而为光学元件亚表面缺陷分布提供全面的三维分布特征信息。

【技术实现步骤摘要】
一种光学元件亚表面缺陷快速检测装置和检测方法
本专利技术属于光学精密测量
，尤其是涉及一种光学元件亚表面缺陷快速检测装置和检测方法。
技术介绍
光学元件紫外激光损伤是限制激光系统输出能力的重要原因。受限的核心问题之一在于光学元件各类“缺陷”的控制不到位，包括材料制备、成形加工、表面处理、装校上架及运行维护等主要环节。因此，需要提供针对上述过程中关键缺陷控制的量化检测手段。不仅可支撑光学元件工艺优化研究与质量评判，明确材料加工“缺陷”有效控制的技术/工艺措施；也可以确保元件“缺陷”全程有效受控。以熔石英为代表的光学元件的批量加工环节中，主要存在表面/亚表面划痕、麻点为代表的破碎性缺陷和抛光液沉积层、加工碎屑为代表的污染性缺陷。目前主要采用明、暗场检测手段进行过程控制，但明、暗场检测手段只能检测熔石英元件表面的缺陷。目前有关光学元件亚表面缺陷的测试方法有很多，常用的检测技术有角度抛光法、逐层抛光刻蚀法、击坑显微法、磁流变抛光法、恒定化学刻蚀速率法等有损检测方法。这些方法都是通过物理或化学的方法将不同深度的缺陷暴露在外面，结合光学显微镜、扫描电镜、原子力显微镜等技术获取缺陷信息，这些方法测试的亚表面缺陷精度高，不受表面缺陷影响，在加工行业普遍采用，但是具有效率很低、有破坏性、信息也不全面等缺点。无损检测技术主要包括荧光显微成像技术、全内反射检测技术、光学相干层析技术、激光散射技术等。激光散射技术测试的信息基本为光学元件表面缺陷，很难测到亚表面缺陷信息；全内反射和光学相干层析技术精度太低，难以满足光学元件亚表面缺陷微观尺寸的要求；荧光显微成像技术可以同时获得光学元件表面缺陷和亚表面缺陷，但是难以区分缺陷位于表面还是亚表面，由于只有亚表面缺陷才更容易引发损伤，因此这不利于光学元件损伤性能的预判。而实际上熔石英等光学元件不仅有表面缺陷，还有亚表面缺陷，且亚表面缺陷与熔石英损伤具有强相关性。到目前为止尚未建立有效的检测手段甄别精抛光熔石英的亚表面缺陷。因此，设计出一种能精确检测熔石英亚表面缺陷的装置及方法是很有必要的。
技术实现思路
为解决现有技术存在的上述问题，本专利技术提供了一种光学元件亚表面缺陷快速检测装置和检测方法，可对熔石英等各光学元件表面光致发光缺陷进行快速无损检测。一种光学元件亚表面缺陷快速检测装置，包括用于放置待测光学元件的样品台，用于对光学元件进行扫描的成像模块，用于控制样品台、监测成像模块并采集成像模块图像的控制系统，以及对采集图像进行拼接的图像处理系统；所述的成像模块包括散射成像模块、荧光成像模块以及共聚焦荧光成像模块，其中，荧光成像模块和散射成像模块的光路共用激光光源，所述激光光源发射的激光通过第一光束整形器照射到待测光学元件上，光学元件表面的散射光和荧光同时由散射/荧光成像物镜收集，散射光通过第一分光镜反射进入散射成像模块的探测器中；荧光透射第一分光镜进入荧光成像模块的探测器中；共聚焦荧光成像模块的光路使用共聚焦激光器和共聚焦探测器，共聚焦激光器发射的激光通过第二光速整形器后顺次透射过第二分光镜、第一分光镜和共聚焦成像物镜后照射到光学元件，光学元件表面缺陷激发的荧光顺次透射过共聚焦成像物镜和第一分光镜后，通过第二分光镜的反射进入共聚焦探测器。本专利技术的检测装置主要包括荧光成像模块、散射成像模块以及共聚焦荧光成像模块。其中光学元件的全口径(亚)表面缺陷检测由荧光成像模块和散射成像模块完成；(亚)表面缺陷的局部精检由共聚焦荧光成像模块完成。光路中的光束整形器主要是将激光光斑的高斯光束整形为平顶光斑，使其待测面的光功率密度均匀一致；且将光斑由圆形整形为方形光斑，大小和散射/荧光成像物镜视场相匹配，以降低激光光源对光学元件检测的影响性。散射成像模块的探测器采用紫外增强CCD，荧光成像模块的探测器采用EMCCD，两者的分辨率至少为1024*1024。第一分光镜和第二分光镜均采用二向色镜。二向色镜用于将散射光和荧光分开，分别进入散射和荧光探测器。为检测大口径的光学元件，结合目前探测器的分辨率，将光斑尺寸选择为4mm*4mm，因此激光光源的功率需在10W左右。待测光学元件的前后两侧设有用于收集剩余透射光和一级反射激光的吸收陷阱装置。荧光成像模块和散射成像模块中的激光光源采用波长为355nm的准连续或连续激光，也可选择其它合适波长的激光器；共聚焦荧光成像模块中的共聚焦激光器采用波长为375nm的准连续或连续激光，也可选择其它合适波长的激光器。所述样品台包括五维高精度平移台和样品夹具，待测光学元件通过样品夹具固定在五维高精度平移台上。之后对待测光学元件进行调平、对焦，可通过三维平移扫描来实现样品通光区域的全口径扫描。所述的共聚焦成像物镜和散射/荧光成像物镜的放置位置相同，在进行共聚焦荧光成像时，将散射/荧光成像物镜手动更换为高倍率的共聚焦成像物镜。散射成像模块的探测器和第一分光镜之间设有第一筒镜；荧光成像模块的探测器和第一分光镜之间顺次设有可旋转棱镜、第二筒镜；共聚焦荧光成像模块的共聚焦探测器与第二分光镜之间设有透镜；第二分光镜与可旋转棱镜之间设有共聚焦扫描头。所述的控制系统主要有三个功能，控制样品的自动调平及自动对焦，并保证样品测试过程中的是否脱焦，并进行校准；对激光光源、探测器、样品测试位置等进行实时监测；还包括图像采集功能，就是与高精度平移台、宽场荧光/散射图像/共聚焦荧光成像系统配合，用于全口径的宽场荧光/散射图像、以及共聚焦荧光成像的图像实时采集；三种图像采集模式容易切换，并可同时同步进行宽场荧光图像和散射图像的采集。所述的图像处理系统可对采集的图像进行全自动化拼接，拼接处不存在图像错位或尺寸变化，而且拼接后的全局图像可获得局部图像，且图像采集和图像处理可同步进行。在图像的缺陷提取上，可通过软件自动区分背景噪音并快速对缺陷进行提取，并可通过选择不同的参数来进行特征信息的提取。在本专利技术的检测装置中，作为优选，配置局部洁净系统，以减少光学元件测试过程中的污染；作为优选，配备暗室系统，并配备安全及警示功能。本专利技术还提供了一种光学元件亚表面缺陷快速检测方法，使用上述光学元件亚表面缺陷快速检测装置，具体包括以下步骤：(1)将待测光学元件通过样品夹具固定于样品台的五维高精度平移台上；(2)通过控制系统对五维高精度平移台进行控制，将待测光学元件移动到调平位置；并根据散射/荧光成像物镜和待测光学元件的距离，对光学元件进行对焦，之后利用荧光成像模块和控制系统对光学元件进行精确调焦；(3)将待测光学元件移动至测试起点，将荧光成像模块和散射成像模块的激光光源功率调至合适功率，打开散射和荧光的探测器，设置好合适的测试参数，确定好扫描步长、扫描区域后开始光学元件的全口径检测；(4)扫描开始后，在图像处理系统中设置图像的拼接、缺陷信息提取参数，从而对所采集的图像进行图像拼接、图像处理、缺陷信息提取，获得样品亚表面缺陷的位置信息、大小、亮度以及各种统计信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学元件亚表面缺陷快速检测装置，包括用于放置待测光学元件的样品台，用于对光学元件进行扫描的成像模块，用于控制样品台、监测成像模块并采集成像模块图像的控制系统，以及对采集图像进行拼接的图像处理系统，其特征在于：/n所述的成像模块包括散射成像模块、荧光成像模块以及共聚焦荧光成像模块，其中，荧光成像模块和散射成像模块的光路共用激光光源，所述激光光源发射的激光通过第一光束整形器照射到待测的光学元件上，光学元件表面的散射光和荧光同时由散射/荧光成像物镜收集，散射光通过第一分光镜反射进入散射成像模块的探测器中；荧光透射第一分光镜进入荧光成像模块的探测器中；/n共聚焦荧光成像模块的光路使用共聚焦激光器和共聚焦探测器，共聚焦激光器发射的激光通过第二光速整形器后顺次透射过第二分光镜、第一分光镜和共聚焦成像物镜后照射到光学元件，光学元件表面缺陷激发的荧光顺次透射过共聚焦成像物镜和第一分光镜后，通过第二分光镜的反射进入共聚焦探测器。/n

【技术特征摘要】
1.一种光学元件亚表面缺陷快速检测装置，包括用于放置待测光学元件的样品台，用于对光学元件进行扫描的成像模块，用于控制样品台、监测成像模块并采集成像模块图像的控制系统，以及对采集图像进行拼接的图像处理系统，其特征在于：
所述的成像模块包括散射成像模块、荧光成像模块以及共聚焦荧光成像模块，其中，荧光成像模块和散射成像模块的光路共用激光光源，所述激光光源发射的激光通过第一光束整形器照射到待测的光学元件上，光学元件表面的散射光和荧光同时由散射/荧光成像物镜收集，散射光通过第一分光镜反射进入散射成像模块的探测器中；荧光透射第一分光镜进入荧光成像模块的探测器中；
共聚焦荧光成像模块的光路使用共聚焦激光器和共聚焦探测器，共聚焦激光器发射的激光通过第二光速整形器后顺次透射过第二分光镜、第一分光镜和共聚焦成像物镜后照射到光学元件，光学元件表面缺陷激发的荧光顺次透射过共聚焦成像物镜和第一分光镜后，通过第二分光镜的反射进入共聚焦探测器。


2.根据权利要求1所述的光学元件亚表面缺陷快速检测装置，其特征在于，散射成像模块的探测器采用紫外增强CCD，荧光成像模块的探测器采用EMCCD，两者的分辨率至少为1024*1024。


3.根据权利要求1所述的光学元件亚表面缺陷快速检测装置，其特征在于，待测光学元件的前后两侧设有用于收集剩余透射光和一级反射激光的吸收陷阱装置。


4.根据权利要求1所述的光学元件亚表面缺陷快速检测装置，其特征在于，荧光成像模块和散射成像模块中的激光光源采用波长为355nm的准连续或连续激光；共聚焦荧光成像模块中的共聚焦激光器采用波长为375nm的准连续或连续激光。


5.根据权利要求1所述的光学元件亚表面缺陷快速检测装置，其特征在于，第一分光镜和第二分光镜均采用二向色镜。


6.根据权利要求1所述的光学元件亚表面缺陷快速检测装置，其特征在于，所述样品台包括五维高精度平移台和样品夹具，待...

【专利技术属性】
技术研发人员：周晓燕，刘红婕，黄进，王凤蕊，刘东，孙焕宇，王狮凌，杨李茗，黎维华，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心，浙江大学，
类型：发明
国别省市：四川;51