一种基于结构光照明频域拓展原理的光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置，包括激光光源、准直透镜、声光调制器、空间滤波器、偏振控制模块、反射镜、光阑、空间光调制器、透镜、遮光板、全息衍射片、分光镜、显微物镜、面阵探测器以及可实现声光调制器、偏振方向控制器、空间光调制器、面阵探测器同步的控制系统。同时，本发明专利技术还公开了一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测方法，解决了现有激光干涉结构光照明散斑噪声强、成像调制度各向异性的问题，能够自动进行照明光方向与相位同步切换、偏振态实时匹配，提高了系统稳定性，无需对样品特殊处理或添加荧光剂即可实现光学元器件表面缺陷或微结构的超衍射极限尺度快速测量。
【技术实现步骤摘要】
一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置及方法
本专利技术属于光学元件表面缺陷检测领域，具体涉及一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置及方法。
技术介绍
随着先进激光技术的飞速发展，激光器也朝着更高功率、更高能量的方向进步，人们对光学元件在该类极端条件下的抗损伤性能提出了更高的要求。现有研究表明，光学元件制造过程中产生的表面微纳尺度缺陷是影响其抗损伤性能的根本原因。如何实现微纳缺陷的有效抑制成为了超精密制造和抗激光损伤领域凾待解决的一个重要科学问题。而检测作为超精密制造的眼睛，是实现微纳缺陷有效抑制的核心前提。目前用于光学元件表面缺陷检测的方法主要有显微镜法、光学散射法、干涉法、激光共焦法等。受阿贝-瑞利衍射极限的限制，这些传统方法只能实现衍射极限尺度内的缺陷检测。现有检测分辨率的不足直接限制了光学元件超精密制造水平的进一步提高，影响了缺陷抑制和表面加工工艺的升级换代。自二十世纪末，物理学界多项打破衍射极限获取高分辨成像的尝试都获得了很大的突破。研究人员先后发展了多种高分辨显微成像技术，如：AFM、SNOM(ScanningNear-fieldOpticalMicroscopy)、SEM、受激发射损耗(stimulatedemissiondepletion,STED)显微镜，结构光照明显微镜(structuredilluminationmicroscopy,SIM)，随机光学重构显微镜(stochasticopticalreconstructionmicroscopy,STORM)及光激活定位显微镜(photoactivatedlocalizationmicroscopy,PALM)等。AFM与SNOM具有超高空间分辨率(AFM<1nm，SNOM约几十纳米)，但检测效率极低，工作距很短，应用于光学元件检测难度极大。而SEM通常只适用于金属材质元件表面形貌检测，对于光学元件需进行喷金等手段处理，会带来侵入性污染，不适用于精密光学元件表面缺陷检测。其他高分辨成像技术(如受激发射损耗显微、随机光学重构显微及光激活定位显微等)都需要进行荧光标记，只适用于生物医学成像领域。直到Littleton等人提出基于结构光照明的高分辨显微技术，通过使用结构光照明将高频信息编码到低频区域后以扩展光学显微系统的频谱范围，获取更高频率成份的信息，可实现不借助荧光分子标记就能突破衍射极限，同时还具有宽场成像及三维层析成像的优点。基于结构光照明的高分辨显微技术早期是通过在照明光路中加入正弦光栅，利用衍射生成的±1级光在样品面干涉产生结构照明光，但在基于光栅产生结构光照明的系统中，必须转动与移动光栅来获得不同照明方向不同相位的样品图像，这种机械运动装置会降低系统的稳定性，影响高分辨成像效果。专利技术专利201110448980.8公开了一种基于数字微镜器件的高速结构照明光学显微系统及方法，利用数字微镜器件DMD加载不同照明方向不同相位的条纹图像，再通过显微系统微缩到样品上实现结构光照明，避免了机械运动，提高了系统稳定性。但该方法采用直接条纹投影产生的照明条纹调制度相比双光束干涉大幅降低，不适合光学元件玻璃等透明材料，影响了相位估算准确性与高分辨图像重构效果。另外其采用的非相干LED光源具有一定带宽，会导致在高分辨图像重构中引入伪影。专利技术专利201510544833.9公开了一种双通道结构光照明高分辨成像方法与装置，采用激光光源与空间光调制器产生结构光照明，光源相干性更好，条纹调制度更高，适合光学元件玻璃等透明材料。但该方法需添加荧光物质，会引入污染，同时存在强相干光源引起的激光散斑背景噪声以及不同方向照明条纹调制度各向异性导致的分辨率提升不均匀等问题。
技术实现思路
针对现有技术的不足之处，本专利技术提供了一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置及方法，解决现有技术中强激光散斑噪声及不同方向照明条纹调制度各向异性导致的分辨率提升不均匀、成像质量下降的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术解决方案如下：一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置，其特点在于包括激光光源，沿激光光源光束的传播方向依次放置准直透镜、声光调制器、空间滤波器、偏振控制模块、反射镜、光阑、空间光调制器、透镜、遮光板、透镜、全息衍射片、透镜、分光镜、显微物镜、样品、透镜、面阵探测器及同步控制系统等。通过同步控制声光调制器、偏振方向控制器、空间光调制器、面阵探测器，一次获取光学元器件的高分辨图像，实现超衍射极限尺度缺陷/微结构的快速测量，无需对样品特殊处理或添加荧光剂。所述的声光调制器，用于激光光束的开关状态的快速调制，避免因空间光调制器像元状态切换时中间态导致的结构光照明条纹调制度下降。所述的空间滤波器，用于滤除高斯光束旁瓣成分，提高照明均匀性，消除采集图像环形背景噪声。所述的偏振控制模块，用于结构光照明方向切换时的偏振态同步匹配，实现成像调制度各向同性。所述入射到空间光调制器的光入射角度＜10°。所述遮光板，用于阻挡经空间光调制器衍射的其他级次衍射光，仅允许±1级衍射光通过。所述旋转的全息衍射片放置于+1级衍射光与－1级衍射光交叠处，用于适当降低激光光束相干性，削弱采集图像激光散斑背景噪声。一种基于光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置的结构光照明成像方法，其特点在于，该方法包括下列步骤(以三方向照明为例)：步骤1：空间光调制器加载条纹图像设置为多幅图像加载，以一定时间间隔进行依次切换，加载条纹图像顺序依次为：照明方向为0°相位为0、照明方向为0°相位为2π/3、照明方向为0°相位为4π/3、照明方向为60°相位为0、照明方向为60°相位为2π/3、照明方向为60°相位为4π/3、照明方向为120°相位为0、照明方向为120°相位为2π/3、照明方向为120°相位为4π/3。步骤2：控制声光调制器、偏振方向控制器、面阵探测器与空间光调制器同步，探测器依次采集三个照明方向不同相位的9幅结构光照明样品缺陷/微结构原始图像。步骤3：对采集到的9幅结构光照明样品原始图像进行图像预处理，包括平场校正以消除非均匀照明造成的影响，轻微切趾减少傅里叶变换时的边缘伪像等。步骤4：对预处理图像进行频域二维傅里叶变换操作，获得图像对应的频谱分布信息。步骤5：基于三相位线性分离方法对0°照明方向的频谱信息进行信息分离，求解线性方程组，分离出0°照明方向的低频信息(DN)以及零频位置错位的高频信息(DP和DS)，计算结构光照明条纹空间频率k0与相位。步骤6：将分离出的0°照明方向零频位置错位的高频信息DP频谱平移+k0，DS频谱平移-k0，将平移后的频谱信息DP、DS在频域与DN进行频谱叠加合成，完成0°照明方向的频谱扩展。步骤7：重复步骤5和步骤6完成60°和120°照明方向的频谱扩展，将0°、60°、120°三个照明方向扩展后的频谱信息进行频域叠加得到各项同性的频域拓宽。步骤8：将得到的三方向叠加拓宽后的频谱信息做傅里叶逆变换，获得样品表面缺陷/微结构高分辨图像。与现有本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置，其特征在于，包括激光光源(1)，沿激光光源(1)光束的传播方向依次放置准直透镜(2)、声光调制器(3)、空间滤波器(4)、偏振控制模块(5)、反射镜(6)、光阑(7)、空间光调制器(8)、透镜(9)、遮光板(10)、透镜(11)、全息衍射片(12)、透镜(13)、分光镜(14)、沿分光镜透射方向分布的显微物镜(15)和样品(16)，沿分光镜反射方向分布的透镜(17)、面阵探测器(18)及计算机；/n所述计算机同步控制所述声光调制器(3)、偏振控制模块(5)、空间光调制器(8)、面阵探测器(18)和遮光板(10)。/n
【技术特征摘要】
1.一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置，其特征在于，包括激光光源(1)，沿激光光源(1)光束的传播方向依次放置准直透镜(2)、声光调制器(3)、空间滤波器(4)、偏振控制模块(5)、反射镜(6)、光阑(7)、空间光调制器(8)、透镜(9)、遮光板(10)、透镜(11)、全息衍射片(12)、透镜(13)、分光镜(14)、沿分光镜透射方向分布的显微物镜(15)和样品(16)，沿分光镜反射方向分布的透镜(17)、面阵探测器(18)及计算机；
所述计算机同步控制所述声光调制器(3)、偏振控制模块(5)、空间光调制器(8)、面阵探测器(18)和遮光板(10)。
2.根据权利要求1所述的一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置，其特征在于，所述的声光调制器(3)通过电压信号进行快速调制，控制激光光束开关状态的快速切换，避免因空间光调制器(8)像元状态切换时中间态导致的结构光照明条纹调制度下降。
3.根据权利要求1所述的一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置，其特征在于，所述的空间滤波器(4)用于滤除高斯光束旁瓣成分，提高照明均匀性，消除采集图像环形背景噪声。
4.根据权利要求1所述的一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置，其特征在于，所述的偏振控制模块(5)用于结构光照明方向切换时的偏振态同步匹配，实现成像调制度各向同性。
5.根据权利要求1所述的一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置，其特征在于，所述入射到空间光调制器(8)的光入射角度＜10°。
6.根据权利要求1所述的一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置，其特征在于，所述遮光板(10)用于阻挡经空间光调制器(8)衍射的其他级次衍射光，仅允许±1级衍射光通过。
7.根据权利要求1所述的一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置，其特征在于，所述的全息衍射片(12)放置于+1级衍射光与...
【专利技术属性】
技术研发人员：张霖，白金玺，石振东，马骅，杨一，马可，刘丽佳，衡斌，任寰，柴立群，
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
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