基于全內(nèi)反射及光學(xué)相干層析的亞表面測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)元件亞表面損傷測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于全反射及光學(xué)相干層析的亞表面測(cè)量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)元件在切削及研磨加工階段由于接觸應(yīng)力的存在，會(huì)在元件表面以下產(chǎn)生雜質(zhì)、劃痕、微裂紋等缺陷現(xiàn)象。我國(guó)目前對(duì)亞表面損傷的測(cè)量手段主要有破壞性和非破壞性測(cè)量技術(shù)，較常用是破壞性測(cè)量方法，傳統(tǒng)的破壞性測(cè)量方法有:化學(xué)蝕刻法、截面顯微法、角度拋光法、磁流變拋光斑點(diǎn)法等?；瘜W(xué)蝕刻法操作簡(jiǎn)便、成本低、直觀性強(qiáng)，但是復(fù)試過(guò)程不容易控制、易受外界因素影響，因此精度不高；截面顯微法測(cè)量亞表面損傷，其樣品制備簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但精度和靈敏度都不高；角度拋光法可用于微米級(jí)損傷的測(cè)量，樣品制作簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，但缺點(diǎn)在于角度拋光時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加亞表面損傷，而且只能對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，另外斜面角度α的準(zhǔn)確測(cè)量比較困難；磁流變拋光斑點(diǎn)法具有比角度拋光法更好的損傷深度放大作用，因此更適合于研磨拋光階段低亞表面損傷的精確測(cè)量。破壞性方法除了對(duì)元件有損傷外，還存在耗時(shí)和對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴(lài)性等缺點(diǎn)。非破壞性測(cè)量方法有:焦激光掃描顯微法、全內(nèi)反射法、光學(xué)相干層析法等，焦激光掃描顯微法的縱向分辨率極高，但探測(cè)范圍太??；全內(nèi)反射法是基于強(qiáng)度檢測(cè)的方法，比較直觀，但是只能用于定性觀察，不能準(zhǔn)確的測(cè)量亞表面損傷深度和損傷分布；光學(xué)相干層析法的核心是邁克爾遜干涉儀，由于光學(xué)表面亞表面損傷產(chǎn)生的散射光很微弱，為干涉圖采集和處理帶來(lái)了很多困難。此外，目前對(duì)于光學(xué)元件亞表面損傷的檢測(cè)主要是對(duì)小口徑的定性測(cè)量，對(duì)大口徑光學(xué)元件的檢測(cè)存在局限，且檢測(cè)精度不穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種測(cè)量精度高、便于亞表面損傷凸顯和觀察的基于全反射及光學(xué)相干層析的亞表面測(cè)量裝置及方法，且能夠定量測(cè)量光學(xué)元件不同深度層的損傷數(shù)目和密度。
[0004]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種基于全反射及光學(xué)相干層析的亞表面測(cè)量裝置，包括沿光路方向依次設(shè)置的光源系統(tǒng)、待測(cè)臺(tái)和顯微分析系統(tǒng)，該顯微分析系統(tǒng)固定于多維精密電控調(diào)整系統(tǒng)，其中光源系統(tǒng)包括沿光路方向順次設(shè)置的激光器、偏振片、諾馬斯基棱鏡、準(zhǔn)直透鏡、第一反射鏡和第二反射鏡，待測(cè)臺(tái)包括直角棱鏡、折射率液和待測(cè)件，顯微分析系統(tǒng)包括高倍物鏡、第三反射鏡、諾馬斯基干涉儀成像系統(tǒng)、第四反射鏡、第五反射鏡和光學(xué)相干層析系統(tǒng)，多維精密電控調(diào)整系統(tǒng)包括支撐臺(tái)、顯微系統(tǒng)支架、三維微位移部件、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和計(jì)算機(jī)；
[0005]所述待測(cè)臺(tái)中待測(cè)件置于直角棱鏡的斜面上，待測(cè)件的下表面和直角棱鏡的斜面貼合且二者之間涂有折射率液；多維精密電控調(diào)整系統(tǒng)中的支撐臺(tái)位于待測(cè)件的下方作為待測(cè)件的支撐平臺(tái)；顯微系統(tǒng)支架支撐起顯微分析系統(tǒng)，且顯微系統(tǒng)支架固定于三維微位移部件上；計(jì)算機(jī)的位移控制輸出端通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)接入三維微位移部件；顯微分析系統(tǒng)中高倍物鏡上方設(shè)置能夠旋轉(zhuǎn)的第四反射鏡，第四反射鏡的同一水平面兩側(cè)分別設(shè)置第三反射鏡和第五反射鏡，第三反射鏡上方設(shè)置諾馬斯基干涉儀成像系統(tǒng)，第五反射鏡的上方設(shè)置光學(xué)相干層析系統(tǒng)；諾馬斯基干涉儀成像系統(tǒng)和光學(xué)相干層析系統(tǒng)的信號(hào)輸出端均接入計(jì)算機(jī)；
[0006]首先進(jìn)行全內(nèi)反射粗定位，光源系統(tǒng)的激光器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)偏振片后變?yōu)榫€偏振光，線偏振光經(jīng)過(guò)諾馬斯基棱鏡后分為ο光和e光兩束偏振光,該兩束偏振光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后轉(zhuǎn)換為兩束平行光，該兩束平行光依次通過(guò)第一反射鏡和第二反射鏡調(diào)整角度后入射至直角棱鏡的一個(gè)直角面，然后通過(guò)折射率液透射到待測(cè)件，多維精密電控調(diào)整系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)三維微位移部件從而實(shí)現(xiàn)光束對(duì)待測(cè)件的三維掃描；沒(méi)有損傷時(shí)，光束將在待測(cè)件上表面發(fā)生全內(nèi)反射并從棱鏡另一直角邊射出；有損傷時(shí)，兩束平行光被待測(cè)件的損傷散射，使小部分光束從樣品上表面出射；該載有待測(cè)件損傷信息的散射光束經(jīng)過(guò)高倍物鏡后，調(diào)整第四反射鏡的角度使散射光束通過(guò)第三反射鏡進(jìn)入諾馬斯基干涉儀成像系統(tǒng)，得到包含損傷信息的干涉圖像并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行圖像處理分析，最后輸出待測(cè)件的損傷位置；全內(nèi)反射粗定位結(jié)束后，關(guān)閉激光器并開(kāi)啟光學(xué)相干層析系統(tǒng)，調(diào)整第四反射鏡的角度使反射光通過(guò)第五反射鏡進(jìn)入光學(xué)相干層析系統(tǒng)，根據(jù)待測(cè)件的損傷位置信息將光學(xué)相干層析系統(tǒng)移至損傷區(qū)域進(jìn)行掃描，得到隨波長(zhǎng)分布的干涉信號(hào)并輸入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行圖像處理得到待測(cè)件損傷位置的二維斷層圖像。
[0007]—種基于全反射及光學(xué)相干層析的亞表面測(cè)量方法，包括以下步驟:
[0008]步驟1，將待測(cè)件放置在支撐臺(tái)上，待測(cè)件的下表面和直角棱鏡的平面貼合且二者之間涂有折射率液，由激光器產(chǎn)生一束激光光束，經(jīng)過(guò)第一偏振片后變?yōu)榫€偏振光，線偏振光經(jīng)過(guò)第一渥拉斯頓棱鏡后分為ο光和e光兩束振動(dòng)方向互相垂直的偏振光,該兩束偏振光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后轉(zhuǎn)換為兩束平行光，該兩束平行光依次通過(guò)第一反射鏡和第二反射鏡調(diào)整入射角度從而改變光路；
[0009]步驟2，通過(guò)第一反射鏡和第二反射鏡調(diào)整光源的入射角度，光束入射至直角棱鏡的一個(gè)直角面，然后通過(guò)折射率液透射到待測(cè)件；沒(méi)有損傷時(shí)，光束將在待測(cè)件上表面發(fā)生全內(nèi)反射并從棱鏡另一直角邊射出；有損傷時(shí)，兩束平行光被待測(cè)件的損傷散射，使小部分光束從樣品上表面出射；
[0010]步驟3，該載有待測(cè)件損傷信息的散射光束經(jīng)過(guò)高倍物鏡后，調(diào)整第四反射鏡的角度使散射光束通過(guò)第三反射鏡進(jìn)入諾馬斯基干涉儀成像系統(tǒng)，得到包含損傷信息的干涉圖像并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行圖像處理分析，最后輸出待測(cè)件的損傷位置；多維精密電控調(diào)整系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)三維微位移部件從而實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)件的三維掃描；
[0011]步驟4，全內(nèi)反射粗定位結(jié)束后，關(guān)閉激光器并開(kāi)啟光學(xué)相干層析系統(tǒng)，調(diào)整第四反射鏡的角度使反射光通過(guò)第五反射鏡進(jìn)入光學(xué)相干層析系統(tǒng)；根據(jù)待測(cè)件的損傷位置信息將光學(xué)相干層析系統(tǒng)移至損傷區(qū)域進(jìn)行掃描，得到隨波長(zhǎng)分布的干涉信號(hào)并輸入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行圖像處理得到待測(cè)件損傷位置的二維斷層圖像。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于:(1)利用準(zhǔn)直物鏡控制入射光束的口徑；(2)利用多維精密電控調(diào)整平臺(tái)，使檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)Υ罂趶酱郎y(cè)件進(jìn)行三維掃描；(3)檢測(cè)裝置加入諾馬斯基干涉儀，增強(qiáng)圖像的立體感，提高裝置的測(cè)量精度；(4)將全內(nèi)反射粗定位系統(tǒng)與光學(xué)相干層析系統(tǒng)相結(jié)合，提高了檢測(cè)速度、測(cè)量精度以及可靠性，便于亞表面損傷凸顯和觀察以及不同深度層的損傷數(shù)目和密度的定量化測(cè)量
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本發(fā)明基于全反射及光學(xué)相干層析的亞表面測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2是諾馬斯基干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖3是本發(fā)明中全內(nèi)反射粗定位過(guò)程裝置圖。
[0016]圖4是光學(xué)相干層析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0017]圖5是多維精密電控調(diào)整系統(tǒng)中三維微位移部件的俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0019]結(jié)合圖1，本發(fā)明基于全反射及光學(xué)相干層析的亞表面測(cè)量裝置，包括沿光路方向依次設(shè)置的光源系統(tǒng)、待測(cè)臺(tái)和顯微分析系統(tǒng)，該顯微分析系統(tǒng)固定于多維精密電控調(diào)整系統(tǒng)，其中光源系統(tǒng)包括沿光路方向順次設(shè)置的激光器1、偏振片2、諾馬斯基棱鏡3、準(zhǔn)直透鏡4、第一反射鏡5和第二反射鏡6，待測(cè)臺(tái)包括直角棱鏡7、折射率液9和待測(cè)件10，顯微分析系統(tǒng)包括高倍物鏡11、第三反射鏡12、諾馬斯基干涉儀成像系統(tǒng)13、第四反射鏡14、第五反射鏡15和光學(xué)相干層析系統(tǒng)16，多維精密電控調(diào)整系統(tǒng)包括支撐臺(tái)