专利名称：后放大数字全息显微表面微小疵病测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种后放大数字全息显微表面微小疵病测量装置及方法。
背景技术：
对精密光学元件表面的加工质量评估，主要包括面形检测、表面粗糙度检测、表面波纹度检测以及表面疵病检测等四个主要方面。面形偏差是指欲加工的面形与实际面形之间的差别，其横向尺度在毫米量级，属于宏观尺度的偏差，通常采用被测波面与标准波面叠加所形成的干涉条纹进行反演，从而得到这一偏差。表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和峰谷值的微观结构，对精密光学元件表面而言，横向尺度一般在亚微米量级以下。虽然从横向尺度上来看，粗糙度属于微观尺度的偏差，但由于其在整个加工表面的各个区域的分布是连续且均匀的，故可通过干涉显微镜、原子力显微镜、扫描隧道显微镜等微观形貌检测仪器在被检表面的不同区域采样后平均得到。波纹度与粗糙度类似，也是在整个元件表面连续且均匀分布的结构，只是其横向尺度介于面型偏差与表面粗糙度之间。所谓表面疵病，既不同于面型误差的宏观分布，也不同于表面粗糙度的均匀的微观分布，而是在整个加工表面这一宏观尺度上随机分布的，离散的微观几何结构特征。正是由于表面疵病结构横向尺度在微米、亚微米量级，但却离散的随机分布在厘米、甚至分米量级的表面范围内，故精密光学元件表面的疵病检测一直以来都是一个较难解决的问题。光学元件表面疵病用于改善加工工艺的一个重大课题，近年来得到了国内外学者的重视和研究。目前的检测方式包括:1)目视法，是一种较为传统，且目前仍在很多地方被大量使用的一种方法，是所有成像法检测疵病的基础。由于人眼的高度自适应的光学成像和探测性能、大脑的强大后端处理性能以及手、眼及身体配合的这样的复杂机械结构，使目视法具有很强的灵活性和可操作性。但是这种方法的缺点也是显而易见的:人的主观性因素，无法量化检测疵病尺寸，检测速度较慢，人工成本较高且观察者需要培训等；2)滤波成像法，与目视法的原理是完全一致的，唯一的不同在于用光学传感器阵列替代了人眼，从而消除了人眼判断的主观性，提高 了检测速度，并且可以量化检测结果。其缺点为检测的精度不高，并且易受光照等环境的影响；3)漫散射光接收法。其优点为疵病定位精确；缺点是不能精确反应疵病大小；4)衍射光强法。其优点为误差较小；缺点是只针对特定形貌的疵病；5)激光频谱法。其优点是灵敏度较高；但只针对特定形状的疵病进行检测。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种后放大数字全息显微表面微小疵病测量装置及方法。采用短相干光源，通过斜入射的方式，获得光学元件表面微小疵病的散射光信息，并与参考光束发生干涉；然后通过后放大的方式放大干涉图像信息并通过CXD摄像机接收。最终通过数字全息原理计算分析表面微小疵病的形貌以及深度分布的量化信息。本发明装置和方法主要用于实现光滑的光学元件表面微小疵病的检测。为达到上述目的，本发明通过如下技术方案实现:一种后放大数字全息显微表面微小疵病测量装置，包括激光器、凸透镜、第一分光棱镜、参考镜、显微物镜和CCD摄像机；所述凸透镜、第一分光棱镜和参考镜的水平中心轴与激光器所发出的光束的中心轴在同一条水平直线上；待测工件的待检测位置、第一分光棱镜、显微物镜和(XD摄像机在同一条竖直线上,且和激光器所发出的光束的中心轴相交于分光棱镜的中心点；激光器、凸透镜和第一分光棱镜的竖直中心轴相互平行；第一分光棱镜、显微物镜和CXD摄像机的水平中心轴相互平行。作为一种优选方式，本装置还包括反射镜和第二分光棱镜；所述凸透镜和第一分光棱镜的水平中心轴与激光器所发出的光束的中心轴在同一条水平直线上；反射镜、待测工件的待检测位置、第二分光棱镜、显微物镜和CCD摄像机的水平中心轴与测量光束的中心轴在同一条水平直线上；反射镜与水平轴成45°放置；激光器、凸透镜、第一分光棱镜、待测工件、第二分光棱镜、显微物镜和CXD摄像机的竖直中心轴相互平行。上述激光器发出的光均为短相干光源，以抑制系统中的杂散光。一种后放大数字全息显微表面微小疵病测量方法，包括如下步骤:
调节待测工件，使其充分靠近第一分光棱镜；调节参考镜，使其与第一分光棱镜的距离与待测工件与第一分光棱镜的距离相等，调节显微物镜，使其充分靠近第一分光棱镜；调节CCD摄像机的位置，使得CCD摄像机的接收面位于显微物镜的共轭面上；激光器发出的光束经过凸透镜变成平行光束，该平行光束再通过第一分光棱镜分成两束光，一束为测量光束，一束为参考光束，测量光束与参考光束成小于5°的夹角；测量光束通过待测工件的反射，再次通过第一分光棱镜；参考光束经过参考镜反射，再次通过第一分光棱镜；通过待测工件反射的测量光束和通过平面反射镜反射的参考光束在第一分光棱镜处相遇发生干涉；干涉光经过显微物镜后照射到C XD摄像机上，得到一定光强的干涉图样。作为一种优选方式，本方法还包括如下步骤:调节待测工件，使其充分靠近第二分光棱镜；调节反射镜，使参考光束与测量光束成小于5°的夹角；激光器发出的光束经过凸透镜变成平行光束，该平行光束通过第一分光棱镜分成两束光束，一束为测量光束，一束为参考光束；测量光束经过反射镜反射，透过待测工件后照射到第二分光棱镜上；参考光束经过参考镜反射，照射到第二分光棱镜上；测量光束和参考光束在第二分光棱镜处相遇发生干涉，该干涉光束通过显微物镜之后照射到CXD摄像机上，得到一定光强的干涉图样。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的进步:
本发明的装置可以抑制光学元件内部的散射光，保证只接收来自表面疵病的散射光，提高了信号的信噪比；装置中采用了短相干光源，可以抑制系统中的杂散光；可以通过采集单幅图像经过相关的处理获得表面疵病的深度和相位信息；信号处理上，采用数字全息算法，可以获得缺陷在深度方向形貌分布的定量信息；由于灰尘和表面疵病中的凹陷呈现的位相不同，因此可以区分光学元件表面的灰尘和凹陷；对于有一定角度的光学元件的前后表面，可以用基于频谱分析的方法分离前后表面的缺陷；能够动态快速的测量，适合于生产线上的测量；通过使用不同倍率的显微物镜，可以实现对光学元件表面不同分辨率的疵病进行测量，可以测量光学元件的表面微小疵病。该发明装置提出采用平行光照射和离轴全息技术，并构成后放大数字全息记录系统，从而实现表面微小疵病检测的方法，动态性能好，并具有非破坏性和信息量化性。
图1是本发明实施例1测量装置的光路结构图。图2是本发明实施例2测量装置的光路结构图。图3是本发明实施例1测量方法的流程图。图4是本发明实施例2测量方法的流程图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。实施例1
如图1所示，一种后放大数字全息显微表面微小疵病测量装置，包括激光器1、凸透镜
2、第一分光棱镜3、参考镜5、显微物镜6和(XD摄像机7 ;所述凸透镜2、第一分光棱镜3和参考镜5的水平中心轴与激光器I所发出的光束的中心轴在同一条水平直线上；待测工件4的待检测位置、第一分光棱镜3、显微物镜6和CXD摄像机7在同一条竖直线上，且和激光器所发出的光束的中心轴相交于分光棱镜的中心点；激光器1、凸透镜2和第一分光棱镜3的竖直中心轴相互平行；第一分光棱镜3、显微物镜6和CXD摄像机7的水平中心轴相互平行。如图3所示，一种后放大数字全息显微表面微小疵病测量方法，包括如下步骤: 调节待测工件4，使其充分靠近第一分光棱镜3 ;调节参考镜5，使其与第一分光棱镜3
的距离与待测工件4与第一分光棱 镜3的距离相等，调节显微物镜6，使其充分靠近第一分光棱镜3 ;调节CXD摄像机7的位置，使得CXD摄像机7的接收面位于显微物镜6的共轭面上；激光器I发出的光束经过凸透镜2变成平行光束，该平行光束再通过第一分光棱镜3分成两束光，一束为测量光束，一束为参考光束，测量光束与参考光束成小于5°的夹角；测量光束通过待测工件4的反射，再次通过第一分光棱镜3 ;参考光束经过参考镜5反射，再次通过第一分光棱镜3 ;通过待测工件4反射的测量光束和通过参考镜5反射的参考光束在第一分光棱镜3处相遇发生干涉；干涉光经过显微物镜6后照射到CXD摄像机7上，得到一定光强的干涉图样。实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于:
如图2所示，本装置还包括反射镜8和第二分光棱镜9 ;所述凸透镜2和第一分光棱镜3的水平中心轴与激光器I所发出的光束的中心轴在同一条水平直线上；反射镜8、待测工件4的待检测位置、第二分光棱镜9、显微物镜6和CXD摄像机7的水平中心轴与测量光束的中心轴在同一条水平直线上；反射镜8与水平轴成45°放置；激光器1、凸透镜2、第一分光棱镜3、待测工件4、第二分光棱镜9、显微物镜6和CXD摄像机7的竖直中心轴相互平行。如图4所示，本方法还包括以下步骤:调节待测工件4，使其充分靠近第二分光棱镜9 ;调节参考镜5，使参考光束与测量光束成小于5°的夹角；激光器I发出的光束经过凸透镜2变成平行光束,该平行光束通过第一分光棱镜3分成两束光束,一束为测量光束,一束为参考光束；测量光束经过反射镜8反射，透过待测工件4后照射到第二分光棱镜9上；参考光束经过参考镜5反射，照射到第二分光棱镜9上；测量光束和参考光束在第二分光棱镜9处相遇发生干涉，该干涉光束通过显微物镜6之后照射到CXD摄像机7上，得到一定光强的干涉图 样。
权利要求
1.一种后放大数字全息显微表面微小疵病测量装置，其特征在于，包括激光器(I)、凸透镜(2 )、第一分光棱镜(3 )、参考镜(5 )、显微物镜(6 )和CXD摄像机(7 );所述凸透镜(2 )、第一分光棱镜(3)和参考镜(5)的水平中心轴与激光器(I)所发出的光束的中心轴在同一条水平直线上；待测工件(4)的待检测位置、第一分光棱镜(3)、显微物镜(6)和CXD摄像机(7)在同一条竖直线上，且和激光器所发出的光束的中心轴相交于分光棱镜的中心点；激光器(I)、凸透镜(2)和第一分光棱镜(3)的竖直中心轴相互平行；第一分光棱镜(3)、显微物镜(6)和CXD摄像机(7)的水平中心轴相互平行。
2.根据权利要求1所述的后放大数字全息显微表面微小疵病测量装置，其特征在于，还包括反射镜(8)和第二分光棱镜(9);所述凸透镜(2)和第一分光棱镜(3)的水平中心轴与激光器(I)所发出的光束的中心轴在同一条水平直线上；反射镜(8)、待测工件(4)的待检测位置、第二分光棱镜(9)、显微物镜(6)和CXD摄像机(7)的水平中心轴与测量光束的中心轴在同一条水平直线上；反射镜(8)与水平轴成45° ;激光器(I)、凸透镜(2)、第一分光棱镜(3 )、待测工件(4)、第二分光棱镜(9 )、显微物镜(6 )和CXD摄像机(7 )的竖直中心轴相互平行。
3.根据权利要求1或2所述的后放大数字全息显微表面微小疵病测量装置，其特征在于，所述激光器(I)发出的光均为短相干光源，以抑制系统中的杂散光。
4.一种后放大数字全息显微表面微小疵病测量方法，其特征在于，包括如下步骤: 调节待测工件(4)，使其充分靠近第一分光棱镜(3);调节参考镜(5)，使其与第一分光棱镜(3)的距离与待测工件(4)与第一分光棱镜(3)的距离相等，调节显微物镜(6)，使其充分靠近第一分光棱镜(3);调节CXD摄像机(7)的位置，使得CXD摄像机(7)的接收面位于显微物镜(6)的共轭面上；激光器(I)发出的光束经过凸透镜(2)变成平行光束，该平行光束再通过第一分光棱镜(3)分成两束光，一束为测量光束，一束为参考光束，测量光束与参考光束成小于5°的夹角；测量光束通过待测工件(4)的反射，再次通过第一分光棱镜(3);参考光束经过参考镜(5)反射，再次通过第一分光棱镜(3);通过待测工件(4)反射的测量光束和通过参考镜(5)反射的参考光束在第一分光棱镜(3)处相遇发生干涉；干涉光经过显微物镜(6)后照射到CXD摄像机(7)上，得到一定光强的干涉图样。
5.根据权利要求4所述的后放大数字全息显微表面微小疵病测量方法，其特征在于，还包括如下步骤:调节待测工件(4)，使其充分靠近第二分光棱镜(9);调节参考镜(5)，使参考光束与测量光束成小于5°的夹角；激光器(I)发出的光束经过凸透镜(2)变成平行光束，该平行光束通过第一分光棱镜(3)分成两束光束，一束为测量光束，一束为参考光束；测量光束经过反射镜(8)反射，透过待测工件(4)后照射到第二分光棱镜(9)上；参考光束经过参考镜(5)反射，照射到第二分光棱镜(9)上；测量光束和参考光束在第二分光棱镜(9)处相遇发生干涉 ，该干涉光束通过显微物镜(6)之后照射到CXD摄像机(7)上，得到一定光强的干涉图样。
全文摘要
本发明涉及一种后放大数字全息显微表面微小疵病测量方法及装置。本发明采用短相干光源，通过斜入射的方式，获得光学元件表面微小疵病的散射光信息，并与参考光束发生干涉；然后通过后放大的方式放大干涉图像信息并通过CCD相机接收，最终通过数字全息原理计算分析表面微小疵病的形貌以及深度分布的量化信息。本发明装置主要用于实现光滑的光学元件表面微小疵病的检测。该检测装置可以通过采集单幅图像经过相关的处理获得表面疵病的深度和相位信息；可以区分光学元件表面的灰尘和凹陷；能够动态快速的测量。该发明装置提出采用平行光照射和离轴全息技术，并构成后放大数字全息记录系统，动态性能好，并具有非破坏性和信息量化性的特点。
文档编号G01B9/021GK103226001SQ201310131080
公开日2013年7月31日 申请日期2013年4月16日 优先权日2013年4月16日
发明者于瀛洁, 涂桥, 伍小燕, 周文静 申请人:上海大学