專利名稱：光學(xué)元件拋光表面質(zhì)量全參數(shù)檢測(cè)裝置和檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)元件拋光表面質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光學(xué)元件拋光表面質(zhì)量全參數(shù)檢測(cè)裝置和檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
高精度光學(xué)元件的檢測(cè)包括表面面形、表面粗糙度和亞表面損傷三個(gè)參數(shù)。其中表面粗糙度和亞表面損傷是全面描述表面質(zhì)量的兩個(gè)參數(shù)。針對(duì)光學(xué)元件拋光表面質(zhì)量的全參數(shù)檢測(cè)，目前基本解決了表面粗糙度的檢測(cè)問(wèn)題，針對(duì)表面粗糙度的檢測(cè)方法主要有光學(xué)探針?lè)ā⒏缮骘@微鏡法、掃描電子顯微鏡法、輪廓儀和散射光測(cè)量法等，比較成熟的是白光干涉輪廓儀；白光干涉輪廓儀包括光源激發(fā)系統(tǒng)、白光干涉系統(tǒng)、掃描工作臺(tái)、CCD攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)。主要是利用垂直位移臺(tái)完成垂直掃描過(guò)程。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)掃描工作臺(tái)從而帶動(dòng)被測(cè)件，使其不同高度的表面到達(dá)零光程差位置，產(chǎn)生干涉條紋，由C⑶記錄整個(gè)掃描過(guò)程中干涉條紋的變化狀況，提取被測(cè)件的表面形貌。結(jié)合水平位移臺(tái)，該系統(tǒng)可進(jìn)行大面積的形貌測(cè)量。而對(duì)于亞表面損傷的檢測(cè)，目前一般采用共焦激光掃描顯微鏡，共焦激光掃描顯微鏡是采用共軛焦點(diǎn)技術(shù)，使點(diǎn)源、樣品及點(diǎn)探測(cè)器處于彼此對(duì)應(yīng)的共軛位置。 為了便于像差的校正以及便于系統(tǒng)升級(jí)，常采用準(zhǔn)直光路。由激光器輸出的激光束經(jīng)透鏡、第一針孔及擴(kuò)束透鏡后，成為較均勻的準(zhǔn)直光束，經(jīng)物鏡后會(huì)聚于物體某一點(diǎn)，該點(diǎn)反射光(或透射光、或受激輻射的熒光)又經(jīng)物鏡后被分束鏡反射到探測(cè)光路，由會(huì)聚透鏡將其聚焦于第二針孔，被探測(cè)器接收，并將其輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)。通過(guò)二維掃描， 得到物體某一層面的二維斷層圖象，再經(jīng)軸向掃描，得到大量斷層圖象，經(jīng)計(jì)算機(jī)圖象重構(gòu)，合成三維立體圖象。但是利用共焦激光掃描顯微鏡檢測(cè)效果并不理想，原因是由于亞表面損傷掩蓋在表面下，復(fù)雜又隱蔽，其檢測(cè)非常困難。因此，目前拋光表面質(zhì)量參數(shù)檢測(cè)存在兩個(gè)問(wèn)題1)只檢測(cè)表面粗糙度；2)即使檢測(cè)了亞表面損傷，由于和粗糙度測(cè)量不是在同一設(shè)備上進(jìn)行，不能做到檢測(cè)的表面粗糙度和亞表面損傷是元件上同一區(qū)域，因此不能真實(shí)反映被評(píng)價(jià)區(qū)域的表面質(zhì)量。因此，如何全面有效評(píng)價(jià)光學(xué)元件拋光表面質(zhì)量，成為高精度光學(xué)元件加工中必須解決的瓶頸和熱點(diǎn)研究問(wèn)題。發(fā)明目的
本發(fā)明的目的是提供一種能針對(duì)同時(shí)共點(diǎn)檢測(cè)表面粗糙度和亞表面損傷兩個(gè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)全面有效評(píng)價(jià)光學(xué)元件拋光表面質(zhì)量的光學(xué)元件拋光表面質(zhì)量全參數(shù)檢測(cè)裝置和檢測(cè)方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為
一種光學(xué)元件拋光表面質(zhì)量全參數(shù)檢測(cè)裝置，包括由光路垂直的激光激發(fā)系統(tǒng)和寬帶光源16激發(fā)系統(tǒng)構(gòu)成的光源激發(fā)系統(tǒng)、白光干涉系統(tǒng)、激光共焦檢測(cè)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和分別與計(jì)算機(jī)連接的CCD相機(jī)12、針孔光電探測(cè)器及信號(hào)處理單元13、光闌光電探測(cè)器及信號(hào)處理單元14和三維掃描及控制單元21 ；所述白光干涉系統(tǒng)設(shè)置在寬帶光源16激發(fā)系統(tǒng)和 CCD相機(jī)12之間；所述激光共焦檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)置在激光激發(fā)系統(tǒng)與針孔光電探測(cè)器及信號(hào)處理單元13、光闌光電探測(cè)器及信號(hào)處理單元14之間。上述激光共焦檢測(cè)系統(tǒng)包括分光棱鏡一 5、分光棱鏡二 6、偏振分光棱鏡一 7、偏振分光棱鏡二 8、1/4波片9、聚焦物鏡10和聚焦物鏡二 11、所述針孔光電探測(cè)器及信號(hào)處理單元13、光闌光電探測(cè)器的位置分別位于聚焦物鏡10和聚焦物鏡二 11的焦點(diǎn)上；所述白光干涉系統(tǒng)包括分光棱鏡一 5、分光棱鏡二 6、偏振分光棱鏡一 7、顯微物鏡一 17、顯微物鏡二 18、標(biāo)準(zhǔn)反光鏡和成像物鏡23 ；所述激光激發(fā)系統(tǒng)、分光棱鏡一 5、分光棱鏡二 6、偏振分光棱鏡一 7、顯微物鏡二 18、標(biāo)準(zhǔn)反光鏡依次設(shè)置在第一光軸上；所述顯微物鏡一 17、偏振分光棱鏡一 7、偏振分光棱鏡二 8、1/4波片9、聚焦物鏡10依次設(shè)置于垂直于第一光軸的第二光軸上；所述偏振分光棱鏡二 8和聚焦物鏡二 11依次處于垂直于第二光軸的第三光軸上；所述分光棱鏡二 6和成像物鏡23依次設(shè)置于垂直于第一光軸的第4光軸上，所述CXD 相機(jī)12位于成像物鏡23的焦點(diǎn)位置；所述三維掃描及控制單元21和載物臺(tái)22連接，所述載物臺(tái)22位于顯微物鏡一 17的焦點(diǎn)位置。利用上述光學(xué)元件拋光表面質(zhì)量全參數(shù)檢測(cè)裝置的測(cè)量方法，其操作步驟如下 打開(kāi)寬帶光源16，關(guān)閉激光光源1，通過(guò)觀察CXD成像，使顯微物鏡一 17對(duì)焦到元件表
面；向上移動(dòng)被測(cè)光學(xué)元件到設(shè)定的高度，開(kāi)始向下移動(dòng)元件進(jìn)行表面粗糙度的掃描測(cè)量， 移動(dòng)到設(shè)定的位置停止；
關(guān)閉寬帶光源16并遮住標(biāo)準(zhǔn)反射鏡19，打開(kāi)激光光源1，繼續(xù)向下移動(dòng)元件到設(shè)定的高度，一個(gè)測(cè)量過(guò)程即可完成表面粗糙度和亞表面損傷兩個(gè)參數(shù)的測(cè)量；
沿χ方向或y方向移動(dòng)到下一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，重復(fù)上述操作，直到完成整個(gè)評(píng)估區(qū)域的測(cè)量。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
(1)能夠準(zhǔn)確檢測(cè)光在亞表面損傷層內(nèi)的散射和傳輸過(guò)程，能夠解決亞表面損傷散射調(diào)制本質(zhì)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。其特征在于檢測(cè)的表面粗糙度和亞表面損傷是元件上同一位置，因此能真實(shí)有效地反映被評(píng)價(jià)區(qū)域的表面質(zhì)量，建立表面粗糙度和亞表面損傷之間的數(shù)學(xué)模型，采用一個(gè)共光路的檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)它們之間的規(guī)律。(2)在粗糙度和亞表面損傷不變的情況下，研究光散射信號(hào)隨著光源波長(zhǎng)、光源相干性、溫度、材料等的調(diào)制變化規(guī)律，建立拋光光學(xué)元件亞表面損傷的數(shù)學(xué)模型?；诠庹{(diào)制方法進(jìn)行亞表面損傷非破壞、定量檢測(cè)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。(3)能夠提高白光干涉條紋的對(duì)比度和檢測(cè)靈敏度。(4)既有高的橫向分辨力，又有高的軸向分辨力，同時(shí)能有效抑制雜散光，具有高的對(duì)比度。(5)能通過(guò)對(duì)物體不同深度的逐層掃描，獲得物體大量斷層圖象，既能對(duì)物體進(jìn)行層析，又能建構(gòu)三維立體圖象；
(6)容易實(shí)現(xiàn)高倍率。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖。其中，1-激光光源，2-透鏡，3-孔，4-擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡，5-分光棱鏡一，6_分光棱鏡二，7-偏振分光棱鏡一，8-偏振分光棱鏡二，9-1/4波片，10-聚焦物鏡，11-聚焦物鏡二 ； 12-CCD相機(jī)，13-針孔光電探測(cè)器及信號(hào)處理單元，14-光闌光電探測(cè)器及信號(hào)處理單元，
415-照明物鏡，16-寬帶光源，17-顯微物鏡一，18-顯微物鏡二，19-標(biāo)準(zhǔn)反射鏡，20-計(jì)算機(jī)，21-三維掃描及控制單元，22-載物臺(tái)，23-成像物鏡。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
和

對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。一種光學(xué)元件拋光表面質(zhì)量全參數(shù)檢測(cè)裝置，包括由光路垂直的激光激發(fā)系統(tǒng)和寬帶光源16激發(fā)系統(tǒng)構(gòu)成的光源激發(fā)系統(tǒng)、白光干涉系統(tǒng)、激光共焦檢測(cè)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和分別與計(jì)算機(jī)連接的CCD相機(jī)12、針孔光電探測(cè)器及信號(hào)處理單元13、光闌光電探測(cè)器及信號(hào)處理單元14和三維掃描及控制單元21 ；所述白光干涉系統(tǒng)設(shè)置在寬帶光源16激發(fā)系統(tǒng)和CCD相機(jī)12之間；所述激光共焦檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)置在激光激發(fā)系統(tǒng)與針孔光電探測(cè)器及信號(hào)處理單元13、光闌光電探測(cè)器及信號(hào)處理單元14之間。所述激光共焦檢測(cè)系統(tǒng)包括分光棱鏡一 5、分光棱鏡二 6、偏振分光棱鏡一 7、偏振分光棱鏡二 8、1/4波片9、聚焦物鏡10和聚焦物鏡二 11，所述針孔光電探測(cè)器及信號(hào)處理單元13、光闌光電探測(cè)器的位置分別位于聚焦物鏡10和聚焦物鏡二 11的焦點(diǎn)上；所述白光干涉系統(tǒng)包括分光棱鏡一 5、分光棱鏡二 6、偏振分光棱鏡一 7、顯微物鏡一 17、顯微物鏡二 18、標(biāo)準(zhǔn)反光鏡和成像物鏡23 ；所述激光激發(fā)系統(tǒng)、分光棱鏡一 5、分光棱鏡二 6、偏振分光棱鏡一 7、顯微物鏡二 18、標(biāo)準(zhǔn)反光鏡依次設(shè)置在第一光軸上；所述顯微物鏡一 17、偏振分光棱鏡一 7、偏振分光棱鏡二 8、1/4波片9、 聚焦物鏡10依次設(shè)置于垂直于第一光軸的第二光軸上；所述偏振分光棱鏡二 8和聚焦物鏡二 11依次處于垂直于第二光軸的第三光軸上；所述分光棱鏡二 6和成像物鏡23依次設(shè)置于垂直于第一光軸的第4光軸上，所述CXD相機(jī)12位于成像物鏡23的焦點(diǎn)位置；所述三維掃描及控制單元21和載物臺(tái)連接，所述載物臺(tái)位于顯微物鏡一 17的焦點(diǎn)位置。白光干涉的干涉條紋光強(qiáng)值可用下式表示
I(Z)=Ifl l+g(z-zo)cos(27r^. + ^)(1)
式中為背景光強(qiáng)；g(Z)為干涉條紋的調(diào)制度\為光源的平均波長(zhǎng) ’H0為光程差纟力初始相位。改變光程差，相應(yīng)的光強(qiáng)值將發(fā)生變化。當(dāng)ζ-、=0，即光程差為零，該點(diǎn)的
光強(qiáng)值為最大。由CCD檢測(cè)得到最大光強(qiáng)值所對(duì)應(yīng)的零光程差所在的位置，則可得到被測(cè)得表面，如何找到最大光強(qiáng)值所對(duì)應(yīng)的零光程是系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題。目前已經(jīng)有很多算法被提出來(lái)定位零光程所在的位置，如相移法、包絡(luò)線法和相移包絡(luò)線法等。這些算法中需要保
證壓電陶瓷的掃描步距Δ = Λ/8或者Δ =3為/8。此系統(tǒng)中，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)帶動(dòng)工件
垂直運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)光程差的變化，因此工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)過(guò)程是保證精確定位零光程所在位置的主要因素。本發(fā)明可同時(shí)共點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)亞表面損傷檢測(cè)研究和用于表面粗糙度測(cè)量。測(cè)量時(shí)分兩個(gè)階段。操作步驟為
打開(kāi)寬帶光源16，關(guān)閉激光光源1，通過(guò)觀察CXD成像，使顯微物鏡一 17對(duì)焦到元件表面；向上移動(dòng)被測(cè)光學(xué)元件到設(shè)定的高度，開(kāi)始向下移動(dòng)元件進(jìn)行表面粗糙度的掃描測(cè)量，移動(dòng)到設(shè)定的位置停止；
關(guān)閉寬帶光源16并遮住標(biāo)準(zhǔn)反射鏡19，打開(kāi)激光光源1，繼續(xù)向下移動(dòng)元件到設(shè)定的高度，一個(gè)測(cè)量過(guò)程即可完成表面粗糙度和亞表面損傷兩個(gè)參數(shù)的測(cè)量；
沿χ方向或y方向移動(dòng)到下一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，重復(fù)上述操作，直到完成整個(gè)評(píng)估區(qū)域的測(cè)量。 具體過(guò)程為1)用于亞表面損傷檢測(cè)研究。打開(kāi)激光器(寬帶光源16關(guān)閉)，激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)并透過(guò)分光棱鏡二 6到達(dá)偏振分光棱鏡一 7。其中，反射的偏振光經(jīng)顯微物鏡入射到被測(cè)光學(xué)元件，經(jīng)亞表面損傷調(diào)制后，其偏振狀態(tài)發(fā)生變化，返回的散射光再經(jīng)顯微物鏡入射到偏振分光棱鏡一 7透過(guò)，經(jīng)偏振分光棱鏡二 8透射、透過(guò)1/4波片和聚集物鏡1到達(dá)針孔探測(cè)器1，其余的散射光經(jīng)針孔探測(cè)器1反射，再經(jīng)過(guò)透鏡2和1/4波片，光的偏振態(tài)又發(fā)生了變化，所以入射到偏振分光棱鏡二 8的光會(huì)發(fā)生反射，反射光經(jīng)聚集物鏡2 到達(dá)光闌探測(cè)器2。這時(shí)，參考反射鏡被遮光板擋住(遮光板在偏振分光棱鏡一 7和顯微物鏡二 18之間)。2)用于表面粗糙度測(cè)量。打開(kāi)寬帶光源16 (激光器關(guān)閉)，光經(jīng)過(guò)分光棱鏡一 5反射進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)并透過(guò)分光棱鏡BS2到達(dá)偏振分光棱鏡一 7。其中透射光經(jīng)顯微物鏡二 18到達(dá)參考反射鏡，經(jīng)反射鏡反射的光作為參考光到達(dá)偏振分光棱鏡一 7 透射；而經(jīng)過(guò)PBSl反射的光，經(jīng)過(guò)顯微物鏡到達(dá)被測(cè)光學(xué)元件，經(jīng)光學(xué)元件表面反射的光作為物光再次經(jīng)過(guò)顯微物鏡到達(dá)偏振分光棱鏡一 7。參考光和物光在偏振分光棱鏡一 7處重合發(fā)生干涉，干涉光經(jīng)過(guò)偏振分光棱鏡二 8反射并經(jīng)成像透鏡進(jìn)入(XD。移動(dòng)參考反射鏡或被測(cè)元件，就形成白光掃描干涉系統(tǒng)。雖然光經(jīng)過(guò)偏振分光棱鏡一 7分成兩束偏振方向不同的透射光和反射光，但是經(jīng)過(guò)反射鏡和物體表面反射并不改變偏振狀態(tài)，所以可以原路返回。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)元件拋光表面質(zhì)量全參數(shù)檢測(cè)裝置，其特征在于包括由光路垂直的激光激發(fā)系統(tǒng)和寬帶光源(16)激發(fā)系統(tǒng)構(gòu)成的光源激發(fā)系統(tǒng)、白光干涉系統(tǒng)、激光共焦檢測(cè)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和分別與計(jì)算機(jī)連接的CCD相機(jī)(12)、針孔光電探測(cè)器及信號(hào)處理單元(13)、光闌光電探測(cè)器及信號(hào)處理單元(14)和三維掃描及控制單元(21);所述白光干涉系統(tǒng)設(shè)置在寬帶光源(16)激發(fā)系統(tǒng)和CCD相機(jī)(12)之間；所述激光共焦檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)置在激光激發(fā)系統(tǒng)與針孔光電探測(cè)器及信號(hào)處理單元(13)、光闌光電探測(cè)器及信號(hào)處理單元(14)之間。
2.如權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)元件拋光表面質(zhì)量全參數(shù)檢測(cè)裝置，其特征在于所述激光共焦檢測(cè)系統(tǒng)包括分光棱鏡一(5)、分光棱鏡二(6)、偏振分光棱鏡一(7)、偏振分光棱鏡二(8)、1/4波片(9)、聚焦物鏡(10)和聚焦物鏡二(11)、所述針孔光電探測(cè)器及信號(hào)處理單元(13)、光闌光電探測(cè)器的位置分別位于聚焦物鏡(10)和聚焦物鏡二(11)的焦點(diǎn)上； 所述白光干涉系統(tǒng)包括分光棱鏡一(5)、分光棱鏡二(6)、偏振分光棱鏡一(7)、顯微物鏡一 (17)、顯微物鏡二(18)、標(biāo)準(zhǔn)反光鏡和成像物鏡(23)；所述激光激發(fā)系統(tǒng)、分光棱鏡一(5)、 分光棱鏡二(6)、偏振分光棱鏡一(7)、顯微物鏡二(18)、標(biāo)準(zhǔn)反光鏡依次設(shè)置在第一光軸上；所述顯微物鏡一(17)、偏振分光棱鏡一(7)、偏振分光棱鏡二(8)、1/4波片(9)、聚焦物鏡(10)依次設(shè)置于垂直于第一光軸的第二光軸上；所述偏振分光棱鏡二(8)和聚焦物鏡二 (11)依次處于垂直于第二光軸的第三光軸上；所述分光棱鏡二(6)和成像物鏡(23)依次設(shè)置于垂直于第一光軸的第(4)光軸上，所述C⑶相機(jī)(12)位于成像物鏡(23)的焦點(diǎn)位置； 所述三維掃描及控制單元(21)和載物臺(tái)(22)連接，所述載物臺(tái)(22)位于顯微物鏡一(17) 的焦點(diǎn)位置。
3.利用如權(quán)利要求1或2所述光學(xué)元件拋光表面質(zhì)量全參數(shù)檢測(cè)裝置的測(cè)量方法，其操作步驟如下打開(kāi)寬帶光源(16)，關(guān)閉激光光源(1)，通過(guò)觀察C⑶相機(jī)(12)成像，使顯微物鏡一 (17)對(duì)焦到元件表面；向上移動(dòng)被測(cè)光學(xué)元件到設(shè)定的高度，開(kāi)始向下移動(dòng)元件進(jìn)行表面粗糙度的掃描測(cè)量，移動(dòng)到設(shè)定的位置停止；關(guān)閉寬帶光源(16)并遮住標(biāo)準(zhǔn)反射鏡(19)，打開(kāi)激光光源(1)，繼續(xù)向下移動(dòng)元件到設(shè)定的高度，一個(gè)測(cè)量過(guò)程即可完成表面粗糙度和亞表面損傷兩個(gè)參數(shù)的測(cè)量；沿χ方向或y方向移動(dòng)到下一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，重復(fù)上述操作，直到完成整個(gè)評(píng)估區(qū)域的測(cè)量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件拋光表面質(zhì)量全參數(shù)檢測(cè)裝置和檢測(cè)方法?，F(xiàn)有拋光表面質(zhì)量參數(shù)檢測(cè)不能真實(shí)反映被評(píng)價(jià)區(qū)域的表面質(zhì)量。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種光學(xué)元件拋光表面質(zhì)量全參數(shù)檢測(cè)裝置，包括由光路垂直的激光激發(fā)系統(tǒng)和寬帶光源激發(fā)系統(tǒng)構(gòu)成的光源激發(fā)系統(tǒng)、白光干涉系統(tǒng)、激光共焦檢測(cè)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和分別與計(jì)算機(jī)連接的CCD相機(jī)、針孔光電探測(cè)器及信號(hào)處理單元、光闌光電探測(cè)器及信號(hào)處理單元和三維掃描及控制單元；所述白光干涉系統(tǒng)設(shè)置在寬帶光源激發(fā)系統(tǒng)和CCD相機(jī)之間；所述激光共焦檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)置在激光激發(fā)系統(tǒng)與針孔光電探測(cè)器及信號(hào)處理單元、光闌光電探測(cè)器及信號(hào)處理單元之間。本發(fā)明能真實(shí)有效地反映被評(píng)價(jià)區(qū)域的表面質(zhì)量。
文檔編號(hào)G01N21/21GK102425998SQ20111028500
公開(kāi)日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月23日
發(fā)明者劉丙才, 朱學(xué)亮, 王春慧, 王紅軍, 王輝, 田愛(ài)玲 申請(qǐng)人:西安工業(yè)大學(xué)