一种检测透明材料表面和内部缺陷的暗场显微成像装置的制作方法

本发明属于材料检测领域，具体涉及一种检测透明材料表面和内部缺陷的暗场显微成像装置。本发明能够用于科学研究和工业制造中对透明材料表面和内部缺陷的成像检测。

背景技术：

透明光学材料的表面和内部缺陷（如划痕、夹杂物、嵌入物、附着的污染物和气泡等）影响了元件的光学性能，如高能激光系统中光学元件表面和内部缺陷会吸收光能量而使元件容易损伤，再如用于沉积电路图案的半导体和玻璃衬底，其表面缺陷会降低沉积电路的良品率。

暗场照明显微镜是检测缺陷的有效装置。暗场照明显微镜采用特殊的照明方式避免照明光及其反射、折射光直接进入成像显微镜，而允许缺陷的散射光进入成像显微镜参与成像。散射光依靠缺陷本身的散射现象，或缺陷处折射率突变界面的折射，或缺陷不规则边缘的反射等因素，改变照明光的传播方向。暗场显微成像对散射物体具有很灵敏的成像效果，对比度高，十分适合检测透明材料的缺陷。

为检测透明材料表面和内部缺陷，透射式暗场显微成像是一种常用的方法，其原理是：当光在透明材料中传播时遇到缺陷产生散射，成像显微镜利用散射光成像。目前透射式暗场显微成像方法主要有两种，一种是利用棱镜耦合照明光的方法（全内反射式），一种是采用环状光斜照明的方法（环状照明式）。全内反射式的暗场显微成像利用了光的全反射原理：当光从高折射率物体（此处为待检测的透明材料）射向低折射率物体（此处是空气）时，若入射角大于临界角，光就无法进入空气，而在透明材料界面上被完全反射回透明材料；但当透明材料内部或表面存在缺陷时，光被缺陷散射，散射光因不满足全反射条件而从透明材料中泄漏进入空气，泄漏光被显微镜捕获而参与成像。这样，只有存在缺陷的地方才能形成亮的图像，而没有缺陷的地方因没有光泄漏而是黑暗的。为将满足全反射条件的照明光耦合进入透明材料内部，需要用一个三角棱镜置于待检测材料的下表面，照明光从三角棱镜的侧面射入。因此全内反射式暗场显微成像方法需要一个不小于待检测材料尺寸的三角棱镜，这对大尺寸的透明材料检测很不经济，而且笨重，另外由于照明光路与成像光路的轴线不重合，因此将照明区域与成像区域对准比较费时。环状照明式的暗场显微成像利用一个比成像显微镜数值孔径更大的物镜照明，照明物镜的出射光是环状的，与成像显微镜对应的中央部分没有光线，因此照明光无法直接进入成像显微镜。当材料内部或表面有缺陷时，照明光被散射，部分散射光能够进入成像显微镜参与成像。环状照明式暗场成像需要一个比成像显微镜数值孔径更大的物镜用于照明，成本较高，而且照明物镜的工作距离很短（一般几毫米），因此环状照明式暗场显微成像方法不适用于厚度较大的待测物体。

技术实现要素：

为了克服现有技术中暗场显微成像装置成本较高、不易对准、材料厚度适应性差的不足，本发明提供一种检测透明材料表面和内部缺陷的暗场显微成像装置，本发明能够用于较大厚度透明材料的暗场显微成像装置，以满足光学制造和半导体工业等领域对材料表面和内部缺陷的检测需求。

本发明的技术方案是：

本发明的一种检测透明材料表面和内部缺陷的暗场显微成像装置，其特点是，所述的暗场显微成像装置包括暗场照明单元、遮挡物、成像显微镜。所述的暗场照明单元由光源和照明镜头组成，光源、照明镜头、遮挡物、成像显微镜依次设置在同轴光路上。待检测的透明材料设置于照明镜头与遮挡物之间，位于成像显微镜的成像面上。所述的光源发出的照明直射光依次经照明镜头、透明材料后照射在遮挡物上。所述的照明直射光射在遮挡物上的光斑小于遮挡物的尺寸。所述的遮挡物的尺寸小于成像显微镜内第一面透镜的尺寸。

所述的遮挡物采用吸光型遮挡物、凹面状遮挡物、锥形遮挡物、有角度反射遮挡物、凸面状遮挡物中的一种。

本发明中，将照明单元（含光源和照明镜头）与成像显微镜相对放置，照明单元与成像显微镜光轴重合，将待检测的透明材料放在照明单元与成像显微镜之间，并令待检测区域与成像显微镜的成像面重合。利用照明镜头将光源发出的光聚焦，聚焦后的光束分布呈一个锥形空间区域，成像区域位于该锥形的腰部，而锥形的顶部处于成像显微镜之前的遮挡物附近。聚焦后的照明光在成像区域的截面上有着较大的面积，而遮挡物阻挡了照明直射光进入成像显微镜。材料表面和内部的缺陷使得照明直射光产生散射，这些散射光偏离了照明直射光的传输路径，因此有一部分散射光将不会被成像显微镜之前的遮挡物阻挡而进入成像显微镜参与成像。由于照明直射光不能参与成像，因此只有材料表面或内部存在缺陷的地方才能激发散射光并成明亮的像；而没有缺陷的地方不能激发散射光，因此在图像上是黑色的。这样就在黑色的背景上形成了鲜明的缺陷图像，具有非常高的对比度。

本发明中的照明单元和成像显微镜的光轴重合，因此在检测透明材料的表面和内部缺陷时，照明区域与成像区域在横向（垂直于照明光传播方向）是对准的，该特点不会随待检测材料的厚度改变。在轴向（沿照明光传播方向）上，所有区域都是被照明的，因此在轴向上照明区域与检测区域也是对准的，也不随材料厚度改变。因此，采用本发明检测缺陷时很容易调整和对准感兴趣的区域，不需要复杂和长时间细致的操作，只需将感兴趣的区域置于显微镜的视场和景深之内即可成像。

本发明将用于阻挡照明直射光的遮挡物放置于成像显微物镜的最前方，其目的是将照明直射光阻挡在成像显微镜之外，以免照明直射光在成像显微镜内多次反射而影响图像对比度。此外，将遮挡物放置于成像物镜的最前方也是最容易实现的一种方式。

本发明的有益效果是，本发明采用遮挡物消除照明直射光的影响而实现透明材料表面和内部缺陷的暗场显微成像，具有结构简单成本低、调节方便、材料厚度适应性广等优点，能够用于工业和科学研究中透明材料表面和内部的缺陷检测。

附图说明

图1为本发明的检测透明材料表面和内部缺陷的暗场显微成像装置的结构示意图；

图2为图1的局部结构示意图；

图中，1.光源 2.照明镜头 3. 照明直射光 4.透明材料 5.缺陷 6.散射光 7.遮挡物 8.成像显微镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述。

实施例1

图1为本发明的检测透明材料表面和内部缺陷的暗场显微成像装置的结构示意图，图2为图1的局部结构示意图，图2显示了遮挡物的五种不同的结构。在图1、图2中，本发明的检测透明材料表面和内部缺陷的暗场显微成像装置，包括暗场照明单元、遮挡物7、成像显微镜8。所述的暗场照明单元由光源1和照明镜头2组成，光源1、照明镜头2、遮挡物7、成像显微镜8依次设置在同轴光路上。待检测的透明材料4设置于照明镜头2与遮挡物7之间，位于成像显微镜8的成像面上。所述的光源1发出的照明直射光3依次经照明镜头2、透明材料4后照射在遮挡物7上。所述的照明直射光3射在遮挡物7上的光斑小于遮挡物7的尺寸。所述的遮挡物7的尺寸小于成像显微镜8内第一面透镜的尺寸。

本实施例中，所述的遮挡物7采用吸光型遮挡物，如图2a所示，照明直射光3会被遮挡物7吸收。

本发明中，光源1发出的照明光被照明镜头2会聚或准直，照明直射光3穿过待检测的透明材料4射在遮挡物7上，直射光3在遮挡物7上的光斑尺寸小于遮挡物7的横向尺寸，会被全部吸收，因此无法进入成像显微镜8。而透明材料4中的缺陷5将部分照明光散射，形成偏离直射光3路径的散射光6。散射光6没有被遮挡物7完全阻拦而部分进入成像显微镜8，可以对缺陷成像。

在本实施例中，光源1、照明镜头2、遮挡物7和成像显微镜8排列在一条直线上。这种排列使得照明区域和成像区域在轴向上是对准的，因此即便透明材料4的厚度改变，也不会引起照明区域和成像区域失调的情况。即便因透明材料4厚度的变化引起照明区域不能填满成像区域，但只要沿轴向调整光源1和照明镜头2即可。

由于成像显微镜8具有一定的景深，只能对一定深度范围内的缺陷成像，通过调节透明材料4的轴向位置可实现对透明材料表面和内部不同深度的缺陷情况进行检测。

实施例2

本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是，所述的遮挡物7采用图2（b）中的凹面状遮挡物，可以将照明直射光3聚焦后发散，使照明直射光无法进入成像显微镜8。

实施例3

本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是，所述的遮挡物7采用图2（c）中的锥形遮挡物，可以将照明直射光3直接发散，使照明直射光无法进入成像显微镜8。

实施例4

本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是，所述的遮挡物7采用图2（d）中的有角度反射遮挡物，可以将照明直射光3偏转到无法进入成像显微镜的方向，使照明直射光无法进入成像显微镜8。

实施例5

本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是，所述的遮挡物7采用图2（e）中的凸面状遮挡物，可以将照明直射光3向四周发散，使照明直射光无法进入成像显微镜8。