专利名称：一种光学表面亚表层损伤测量装置和测量方法
技术领域：
本发明涉及非破坏性的定量检测技术领域，具体是属于光学表面亚表层损伤检测 技术领域中的一种光学表面亚表层损伤测量装置和测量方法。
背景技术：
大型固体激光工程、高性能激光武器、高精密光学系统及微制造加工等领域的 不断深入发展，为世界范围内光学事业的发展提供了巨大的推动力。当然在此际遇到来 的同时，光学领域的相关从业人员也面临着前所未有的巨大挑战。光学表面亚表层损伤 (Subsurface Damage, SSD)测量及低损伤光学元件的加工是现阶段摆在光学工艺及光学 超精密测量工程师们面前一个比较棘手的难题。因为要对大型光学系统或超精密元件表面 的加工、表征进行全面深入的研究，不仅只包括表面面形和粗糙度的测量分析，还必须对光 学表面亚表层的损伤情况进行精确的测量。光学表面亚表层损伤从大的方面来说可以分为两类，一种是从材料继承来的缺 陷，主要包括气孔、杂质粒子等；另一种是光学元件在磨削过程中产生的损伤，包括裂纹、残 余应力以及在加工过程中弓丨入表面再沉积层中的金属、氧化物颗粒等。光学表面亚表层损 伤所产生的热效应、自聚焦效应等一系列复杂的光热、光声及激光场作用均会导致该元件 激光损伤阈值的降低，这已经成为大功率激光器发展的一道主要技术障碍；对于长期工作 使用的大型光学系统，镜片很可能由于自身重量或者机械装夹而导致亚表层裂纹延伸、扩 散、最终使镜片疲劳损坏，降低光学元件的长期稳定性，缩短使用寿命；亚表层损伤改变了 光学玻璃的均勻性，导致了玻璃折射率系数局部各向异性，影响大型光学系统的成像及镀 膜质量；另外，随着精密、超精密及纳米加工技术、先进控制系统、激光测量技术、扫描探针 显微镜等技术的发展，超精密加工表面的研究不断取得新的进展，其加工精度正逐步从亚 微米提高到纳米级，通过超精密加工获得超光滑表面成为可能，要综合评价这些新方法的 加工质量，也必须考虑各自的亚表层损伤程度。综上，光学表面亚表层损伤已经成为制约能 源可持续发展，军事武器战斗力及高精密光学系统设计应用等领域进一步发展的瓶颈。研 究一种可行、实用、定量的光学表面亚表层损伤检测方法，是科学技术发展至今对光学检测 领域提出的又一重大要求。传统的光学表面亚表层损伤的检测方法是破坏性的，例如HF恒定化学刻蚀速率 法、角度抛光法、Ball Dimpling法等都是一些比较成熟的测量方法。但是由于这些方法均 会给被测元件带来损伤，测量的结果也受到测量方法自身因素的影响，而且测量时间通常 比较长，因此具有很大的局限性，除一些特殊场合外正逐渐被非破坏行的测量方法所代替。近年来，国内外的众多专家学者开始研究亚表层损伤的非破坏性检测方法。例如，以美国罗彻斯特大学激光实验室(The Laboratory for Laser Energetics, LLE)代表的国内外多家研究机构希望通过建立合理的数学模型来研究亚表层损伤和表面 粗糙度(Surface Roughness，SR)之间的联系，以通过测量光学零件表面粗糙度来预测亚表 层损伤，该方法被称为亚表面损伤/表面粗糙度(SSD/SR)比例模型预测预报法。这种亚表层损伤的预报法只是在光学表面的加工过程中适用，有比较大的局限性，若对待未知工艺 参数或者是非传统磨削工艺加工的光学表面，该方法就不再适用。美国新墨西哥州立大学的Christian F. Kranenberg等人提出将全内反射 (Applied Optics, 1994，33，4248 4253)的方法应用到光学表面亚表层损伤的测量中 来，该方法装置结构复杂，实现定量化测量难度非常大，而且其原理中应用了倏逝波，对于 损伤比较深的光学表面也无法测量。美国安捷伦科技公司的Kevin R. Fine等人提出了利用现有的商品化激光共聚焦 显微镜测量亚表层损伤，也给出了一些比较有利的结论。但是，在具体操作过程中，激光 共聚焦显微镜主要是用于测量微观表面形貌的，虽然测量光可以深入到样品内部，但是由 于受到强的表面反射光的影响(王春慧、田爱玲等利用MIE散射理论对亚表层散射进行了 研究，得出光学表面亚表层散射信号的强度大约比表面反射光要低3、个数量级，SPIE, 2009，7522，75226K1 75226K7)，通常无法获得亚表面的响应信号。此外还有光学相干层析法、光声显微镜法、X射线衍射法等，但是这些方法都有比 较大的局限性，例如不适用与非晶体光学玻璃、穿透深度太小，不适合于定量检测等。
发明内容
本发明提供一种光学表面亚表层损伤测量装置和测量方法，以克服现有技术存在 的局限性较大、测量范围小和难以定量化的不足。为克服现有技术存在的不足，本发明提供了一种光学表面亚表层损伤测量装置， 包括激光光源1，依次放在激光光源1发射端的准直扩束镜2和分光比为1 1的分光镜3， 准直扩束镜2中设置有发射端滤波针孔11 ；在分光镜3的透射侧光路上设置有接收端聚光 镜10和针孔光电探测器9，在分光镜3的反射侧光路上设置有X、Y 二维电控平面扫描振镜 4、测量显微物镜5和Z向压电微位移扫描平台6 ；所述针孔光电探测器9通过信号初级处 理及传输模块8、表面反射光计算处理模块7与控制显示模块12连接，Z向压电微位移扫描 平台6也与控制显示模块12连接。一种光学表面亚表层损伤测量装置的测量方法是利用亚表层损伤对入射光的散 射性质，通过激光扫描共聚焦显微系统及样品表面反射信号抑制模块，来实现光学表面亚 表层损伤的非破坏性定量测量。一种光学表面亚表层损伤测量装置的测量方法，依次包括下列步骤
步骤一将被测样品设置于ζ向压电微位移扫描平台6上，被测表面向上，测得样品表 面的纵向扫描响应信号曲线；
步骤二 按照几何成像关系，将探测针孔5关于共焦光路成像于被测样品表面，结合石英玻璃 的折射率和实际探测端针孔尺寸，按照公式①计算理想表面反射信号随扫描位置改变的变化曲 线.
权利要求
一种光学表面亚表层损伤测量装置，其特征在于包括激光光源(1)，依次放在激光光源(1)发射端的准直扩束镜(2)和分光比为1:1的分光镜(3)，准直扩束镜(2)中设置有发射端滤波针孔(11)；在分光镜(3)的透射侧光路上设置有接收端聚光镜(10)和针孔光电探测器(9)，在分光镜(3)的反射侧光路上设置有X、Y二维电控平面扫描振镜(4)、测量显微物镜(5)和Z向压电微位移扫描平台(6)；所述针孔光电探测器(9)通过信号初级处理及传输模块(8)、表面反射光计算处理模块(7)与控制显示模块(12)连接，Z向压电微位移扫描平台(6)也与控制显示模块(12)连接。
2.根据权利要求1所述的一种光学表面亚表层损伤测量装置的测量方法是利用亚 表层损伤对入射光的散射性质，通过激光扫描共聚焦显微系统及样品表面反射信号抑制模 块，来实现光学表面亚表层损伤的非破坏性定量测量。
3.根据权利要求2所述的一种光学表面亚表层损伤测量装置的测量方法，其特征在 于依次包括下列步骤；步骤一将被测样品设置于Z向压电微位移扫描平台(6)上，被测表面向上，测得样品 表面的纵向扫描响应信号曲线；步骤二 按照几何成像关系，将探测针孔(5)关于共焦光路成像于 被测样品表面，结合石英玻璃的折射率和实际探测端针孔尺寸，按照公式 ①计算理想表面反射信号随扫描位置改变的变化曲线； 公式② ④分别是公式①中不同变量的计算公式，其中 Τ为入射光的总功率，R为被 测表面的反射率，为 探测针孔直径，Γ 为探测针孔关于共聚焦系统的共轭高，,A为测 量端显微物镜的工作距离，WD2为探测端显微物镜的工作距离，dx为扫描位置距离理想聚 焦点距离ν力可进入光电探测器的表面反射光立体角范围，Ω为测量端显微物镜数值孔 径所对应的互体角。
4.步骤三将步骤一中实测的样品信号，与步骤二中计算的理想曲线最高点统一，去 除步骤一曲线中表面以上部分信号，然后对应位置相减，得到高信噪比的亚表层信号；步骤四将样品的扫描扩展至三维区域，重复上述操作，获得被测区域的亚表面损伤层 fn息；步骤五利用等高线法重构出被测样品亚表层损伤的三维分布。
全文摘要
本发明涉及一种光学表面亚表层损伤测量装置和测量方法。现有的大型光学系统或超精密元件表面加工中，光学表面亚表层损伤的测量对元器件表面是破坏性的，且局限性极大。本发明包括激光光源，准直扩束镜和分光镜，准直扩束镜中设置有发射端滤波针孔；在分光镜的透射侧光路上设置有接收端聚光镜和针孔光电探测器，在分光镜的反射侧光路上设置有X、Y二维电控平面扫描振镜、测量显微物镜和Z向压电微位移扫描平台；针孔光电探测器通过信号处理及传输模块、表面反射光计算处理模块与控制显示模块连接，Z向压电微位移扫描平台也与控制显示模块连接。本发明能实现非破坏、定量测量，纵向测量范围更大，且适应性强，不受加工工艺的制约。
文档编号G01N21/47GK101949839SQ20101027179
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月3日 优先权日2010年9月3日
发明者刘丙才, 王春慧, 王红军, 田爱玲 申请人:西安工业大学