透射型合成孔径数字全息术的光学元件表面疵病检测装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种透射型合成孔径数字全息术的光学元件表面疵病检测装置，属于光学检测技术领域中的光学元件表面疵病的检测装置，其目的在于提供一种可测量表面疵病深度跃变范围达λ波长量级的透射型合成孔径数字全息术的光学元件表面疵病检测装置。其技术方案为：包括第一激光器、第一显微物镜、针孔、第一透镜、第二反射镜、第二分光棱镜、第三反射镜、第三分光棱镜、第二显微物镜、衰减器、计算机、CCD相机、第三显微物镜和二维平移台。本实用新型适用于对表面疵病横向尺寸较大的光学元件的表面疵病进行检测。
【专利说明】
透射型合成孔径数字全息术的光学元件表面疵病检测装置
技术领域
[0001] 本实用新型属于光学检测技术领域，涉及一种光学元件表面疵病的检测装置。
【背景技术】
[0002] 光学元件表面疵病是由于元件表面在抛光过程中磨制不均匀所产生的，其表现为 元件表面上存在一系列划痕或麻点，其会影响光学成像系统的成像质量并危害高功率激光 系统的安全正常运行。光学元件表面疵病的检测结果是判断光学元件合格与否的重要指标 之一。目前，在工程检测任务中，主要采用基于暗场散射成像法研制的设备仪器对于光学元 件表面疵病进行定量检测，相关设备仪器可以对表面疵病的横向尺寸(划痕的宽度、长度， 以及麻点的直径)进行定量测量，然而其不能获得表面疵病的纵向深度，截面形状等形貌信 息，实现对于光学元件表面疵病的三维形貌检测，这不利于更加深入地了解和分析表面疵 病对光学装置性能的影响。因此，在光学元件表面疵病的定量检测中，表面疵病三维形貌的 精确测量具有重要意义。
[0003] 依据现有的检测技术，可以利用白光干涉(WFL)光学轮廓仪或原子力显微镜(AFM) 对光学元件表面疵病的形貌结构进行检测，但是这两种方法均存在测量速度缓慢，测量视 场较小的缺点，无法适用于对元件表面疵病的实时快速、全场定量化检测。表面轮廓仪具有 较高的检测精度，可以获得200nm量级的横向分辨率及nm量级的轴向分辨率，但测量视场较 小，通常为毫米量级，且测量速度比较缓慢，其需要在测量过程中使用压电陶瓷(PZT)进行 多步机械移相记录多帧图像;原子力显微镜的分辨率可以达到nm量级，但其测量视场一般 只能在微米量级，且在测量过程中需要对元件表面进行逐点扫描，这一方面使得测量速度 非常缓慢，另一方面探针有可能在测量过程中触碰元件表面而造成元件损伤。现有技术利 用平行光对待测样品进行照射，经待测样品反射(或透射)后的反射平行光和经分光棱镜后 的透射平行光直接照射到CCD相机上形成干涉图案。由于部分光学元件表面的疵病较小，反 射平行光经待测样品反射(或透射)后产生的相位分布的弯曲畸变较弱，因而反射平行光和 透射平行光在CCD相机上形成的干涉图案不明显，因而无法通过CCD相机上形成的干涉图案 并通过一系列的计算得出待测样品的三维形貌分布或者通过CCD相机上形成的干涉图案计 算得出待测样品的三维形貌分布的误差较大，使得现有光学元件表面疵病检测装置对待测 样品的三维形貌分布的精度和准确度较低。
[0004] 基于上述技术问题，本申请于2015年8月26日提交了四件用于光学元件表面疵病 检测的实用新型专利申请，这四件实用新型专利申请均是采用单波长激光器作为光源，利 用分光棱镜将激光分为反射平行光和透射平行光，形成光程不同的两条光路，最终照射到 待测样品的反射(或透射)平行光经过待测样品反射(或透射)后和直接照射到CCD相机上的 透射平行光形成干涉图案，对待测样品的三维形貌分布的进行精准测量。
【发明内容】
[0005] 现有技术中，由于待测样品是直接放置于检测装置中进行检测，待测样品的位置 无法移动，因而当待测样品中表面缺陷的横向尺寸较大时，若表面缺陷的尺寸超过CCD的单 幅成像视场时，无法获得待测样品表面疵病的完整形貌。
[0006] 本实用新型的发明目的在于:针对现有技术存在的问题，提供一种可适用于测量 表面疵病横向尺寸较大的待测样品的光学元件表面疵病检测装置。
[0007] 为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
[0008] -种透射型合成孔径数字全息术的光学元件表面疵病检测装置，其特征在于:包 括第一激光器、第一显微物镜、针孔、第一透镜、第二反射镜、第二分光棱镜、第三反射镜、第 三分光棱镜、第二显微物镜、衰减器、计算机、C⑶相机、第三显微物镜和二维平移台；
[0009] 所述第一激光器发出的细激光束依次经过第一显微物镜、针孔、第一透镜后入射 至第二分光棱镜并经第二分光棱镜分为反射细激光束和透射细激光束;所述反射细激光束 依次第二反射镜、第三反射镜、待测样品、第二显微物镜、第三分光棱镜并在第三分光棱镜 产生反射，经第三分光棱镜反射后的细激光束入射至CCD相机;所述透射细激光束依次经过 衰减器、第三显微物镜、第三分光棱镜后入射至CCD相机;所述待测样品连接于二维平移台 上，所述CCD相机与计算机电连接。
[0010]其中，所述针孔位于第一显微物镜的焦点上，所述细激光束依次经第一显微物镜、 针孔后扩束为球面点光源。
[0011]其中，所述针孔位于第一透镜的焦点上。
[0012] 其中，所述第二显微物镜和第三显微物镜为放大倍率、数值孔径、工作距离相同的 显微物镜，且第二显微物镜与第三分光棱镜之间的距离等于第三显微物镜与第三分光棱镜 之间的距离。
[0013] 其中，所述第一透镜为消色差透镜。
[0014] 其中，所述第一显微物镜、第二显微物镜和第三显微物镜均为消色差显微物镜。
[0015] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
[0016] 本实用新型中，通过CCD相机和计算机记录待测光学元件数字干涉图样的相位分 布，计算待检光学元件表面疵病的三维形貌分布A L，实现表面疵病三维形貌的实时快速全 场定量检测，测试速度迅速，测量视场大，检测精度高;通过在检测光路中设置显微物镜，利 用显微物镜对由于表面疵病起伏引起的波前相位畸变中的高频信息进行收集，将尺寸微小 的光学元件表面疵病放大成像在CCD相机的靶面上，有效解决了部分相位畸变的高频信息 在传播过程中损失的问题，提高对于测试样品的表面疵病的检测精度;采用合成孔径技术， 通过在测量过程中将待测样品置于可进行高精度二维平移的电控精密二维平移台上，每完 成一次CCD单幅视场大小的测量，对待测样品进行二维平移以实现对整个大尺寸表面疵病 的扫描测量，从而增加了可以测量的表面疵病横向尺寸范围。
【附图说明】
[0017]图1为本实用新型的结构不意图；
[0018] 其中，附图标记为：1 一第一激光器、5-第一显微物镜、6-针孔、7-第一透镜、8- 第二反射镜、9一第二分光棱镜、10-第三反射镜、12-第三分光棱镜、13-第二显微物镜、 14 一装减器、15-计算机、16-(XD相机、17-待测样品、18-第二显微物镜、19 一二维平移 台。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。
[0020] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本 实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0021] -种透射型合成孔径数字全息术的光学元件表面疵病检测装置，其包括第一激光 器1、第一显微物镜5、针孔6、第一透镜7、第二反射镜8、第二分光棱镜9、第三反射镜10、第三 分光棱镜12、第二显微物镜13、衰减器14、计算机15、(XD相机16、第三显微物镜18和二维平 移台19。
[0022] 第一激光器1可产生波长为λ的细激光束，第一激光器1产生的细激光束依次经过 第一显微物镜5、针孔6、第一透镜7后入射至第二分光棱镜9,该细激光束在第二分光棱镜9 上产生反射形成反射细激光束、产生透射形成透射细激光束;该反射细激光束依次在第二 反射镜8上产生反射、在第三反射镜10上产生反射、透射过待测样品17、透射过第二显微物 镜13入射至第三分光棱镜12,反射细激光束在第三分光棱镜12上产生反射，经第三分光棱 镜12反射后的反射细激光束入射至CCD相机16,并在CCD相机16的靶面上成像，形成数字干 涉图样A;透射细激光束依次透射过衰减器14、第三显微物镜18、第三分光棱镜12后入射至 CCD相机16,并在CCD相机16的靶面上成像，形成数字干涉图样B;该CCD相机16与计算机15电 连接，CCD相机16将其采集到的数字干涉图样传输至计算机15;待测样品17连接于二维平移 台19上，通过在测量过程中将待测样品17置于可进行高精度二维平移的电控精密二维平移 台19上，每完成一次CCD单幅视场大小的测量，对待测样品17进行二维平移以实现对整个大 尺寸表面疵病的扫描测量。
[0023]该检测装置的检测流程为：（1)选择待检测的光学元件作为测试样品，将测试样品 的某部分边缘区域置于显微物镜视场内，作为扫描起始点，然后通过电控精密二维平移台 控制元件进行二维平移，以实现对整个表面缺陷的横向二维扫描，记录相应的数字干涉图 样A^A 1……An; (2)计算各幅数字干涉图样A^A1……An的相位分布％，……φη;(3)将相 位分布Φβ，^p 1……φη按照其所对应的缺陷区域位置坐标进行拼接合成，得到与整个大尺 寸表面疵病对应的相位分布9; (4)计算待检光学元件表面疵病的三维形貌分布Δ L， Δ'1=λφ/ (2π:.(η-1))，其中入为激光器的波长。
[0024]此外，所述针孔6位于第一显微物镜5的焦点上，所述细激光束依次经第一显微物 镜5、针孔6后扩束为球面点光源。
[0025]此外，所述针孔6位于第一透镜7的焦点上。由针孔6发出的球面光束经第一透镜7 后准直为平行光束。
[0026]此外，所述第二显微物镜13和第三显微物镜18为放大倍率、数值孔径、工作距离相 同的显微物镜，且第二显微物镜13与第三分光棱镜12之间的距离等于第三显微物镜18与第 三分光棱镜12之间的距离。
[0027] 此外，所述第一透镜7为消色差透镜。
[0028]此外，所述第一显微物镜5、第二显微物镜13和第三显微物镜18均为消色差显微物 镜。
[0029] 实施例1
[0030] -种透射型合成孔径数字全息术的光学元件表面疵病检测装置，包括第一激光器 1、第一显微物镜5、针孔6、第一透镜7、第二反射镜8、第二分光棱镜9、第三反射镜10、第三分 光棱镜12、第二显微物镜13、衰减器14、计算机15、(XD相机16、第三显微物镜18和二维平移 台19;
[0031] 所述第一激光器1发出的细激光束依次经过第一显微物镜5、针孔6、第一透镜7后 入射至第二分光棱镜9并经第二分光棱镜9分为反射细激光束和透射细激光束;所述反射细 激光束依次经过第二反射镜8、第三反射镜10、待测样品17、第二显微物镜13、第三分光棱镜 12并在第三分光棱镜12产生反射，经第三分光棱镜12反射后的细激光束入射至CCD相机16; 所述透射细激光束依次经过衰减器14、第三显微物镜18、第三分光棱镜12后入射至C⑶相机 16;待测样品17连接于二维平移台19上，所述C⑶相机16与计算机15电连接。
[0032] 实施例2
[0033] -种透射型合成孔径数字全息术的光学元件表面疵病检测装置，包括第一激光器 1、第一显微物镜5、针孔6、第一透镜7、第二反射镜8、第二分光棱镜9、第三反射镜10、第三分 光棱镜12、第二显微物镜13、衰减器14、计算机15、(XD相机16、第三显微物镜18和二维平移 台19;
[0034] 所述第一激光器1发出的细激光束依次经过第一显微物镜5、针孔6、第一透镜7后 入射至第二分光棱镜9并经第二分光棱镜9分为反射细激光束和透射细激光束;所述反射细 激光束依次经过第二反射镜8、第三反射镜10、待测样品17、第二显微物镜13、第三分光棱镜 12并在第三分光棱镜12产生反射，经第三分光棱镜12反射后的细激光束入射至CCD相机16; 所述透射细激光束依次经过衰减器14、第三显微物镜18、第三分光棱镜12后入射至C⑶相机 16;待测样品17连接于二维平移台19上，所述C⑶相机16与计算机15电连接。
[0035]其中，所述针孔6位于第一显微物镜5的焦点上，所述细激光束依次经第一显微物 镜5、针孔6后扩束为球面点光源。
[0036] 实施例3
[0037] -种透射型合成孔径数字全息术的光学元件表面疵病检测装置，包括第一激光器 1、第一显微物镜5、针孔6、第一透镜7、第二反射镜8、第二分光棱镜9、第三反射镜10、第三分 光棱镜12、第二显微物镜13、衰减器14、计算机15、(XD相机16、第三显微物镜18和二维平移 台19;
[0038] 所述第一激光器1发出的细激光束依次经过第一显微物镜5、针孔6、第一透镜7后 入射至第二分光棱镜9并经第二分光棱镜9分为反射细激光束和透射细激光束;所述反射细 激光束依次经过第二反射镜8、第三反射镜10、待测样品17、第二显微物镜13、第三分光棱镜 12并在第三分光棱镜12产生反射，经第三分光棱镜12反射后的细激光束入射至CCD相机16; 所述透射细激光束依次经过衰减器14、第三显微物镜18、第三分光棱镜12后入射至C⑶相机 16;待测样品17连接于二维平移台19上，所述C⑶相机16与计算机15电连接。
[0039] 其中，所述针孔6位于第一透镜7的焦点上。
[0040] 实施例4
[0041] -种透射型合成孔径数字全息术的光学元件表面疵病检测装置，包括第一激光器 I、第一显微物镜5、针孔6、第一透镜7、第二反射镜8、第二分光棱镜9、第三反射镜10、第三分 光棱镜12、第二显微物镜13、衰减器14、计算机15、(XD相机16、第三显微物镜18和二维平移 台19;
[0042] 所述第一激光器1发出的细激光束依次经过第一显微物镜5、针孔6、第一透镜7后 入射至第二分光棱镜9并经第二分光棱镜9分为反射细激光束和透射细激光束;所述反射细 激光束依次经过第二反射镜8、第三反射镜10、待测样品17、第二显微物镜13、第三分光棱镜 12并在第三分光棱镜12产生反射，经第三分光棱镜12反射后的细激光束入射至CCD相机16; 所述透射细激光束依次经过衰减器14、第三显微物镜18、第三分光棱镜12后入射至C⑶相机 16;待测样品17连接于二维平移台19上，所述C⑶相机16与计算机15电连接。
[0043]其中，所述第二显微物镜13和第三显微物镜18为放大倍率、数值孔径、工作距离相 同的显微物镜，且第二显微物镜13与第三分光棱镜12之间的距离等于第三显微物镜18与第 三分光棱镜12之间的距离。
[0044] 实施例5
[0045] -种透射型合成孔径数字全息术的光学元件表面疵病检测装置，包括第一激光器 1、第一显微物镜5、针孔6、第一透镜7、第二反射镜8、第二分光棱镜9、第三反射镜10、第三分 光棱镜12、第二显微物镜13、衰减器14、计算机15、(XD相机16、第三显微物镜18和二维平移 台19;
[0046] 所述第一激光器1发出的细激光束依次经过第一显微物镜5、针孔6、第一透镜7后 入射至第二分光棱镜9并经第二分光棱镜9分为反射细激光束和透射细激光束;所述反射细 激光束依次经过第二反射镜8、第三反射镜10、待测样品17、第二显微物镜13、第三分光棱镜 12并在第三分光棱镜12产生反射，经第三分光棱镜12反射后的细激光束入射至CCD相机16; 所述透射细激光束依次经过衰减器14、第三显微物镜18、第三分光棱镜12后入射至C⑶相机 16;待测样品17连接于二维平移台19上，所述C⑶相机16与计算机15电连接。
[0047]其中，所述第一透镜7为消色差透镜。
[0048] 实施例6
[0049] -种透射型合成孔径数字全息术的光学元件表面疵病检测装置，包括第一激光器 1、第一显微物镜5、针孔6、第一透镜7、第二反射镜8、第二分光棱镜9、第三反射镜10、第三分 光棱镜12、第二显微物镜13、衰减器14、计算机15、(XD相机16、第三显微物镜18和二维平移 台19;
[0050] 所述第一激光器1发出的细激光束依次经过第一显微物镜5、针孔6、第一透镜7后 入射至第二分光棱镜9并经第二分光棱镜9分为反射细激光束和透射细激光束;所述反射细 激光束依次经过第二反射镜8、第三反射镜10、待测样品17、第二显微物镜13、第三分光棱镜 12并在第三分光棱镜12产生反射，经第三分光棱镜12反射后的细激光束入射至CCD相机16; 所述透射细激光束依次经过衰减器14、第三显微物镜18、第三分光棱镜12后入射至C⑶相机 16;待测样品17连接于二维平移台19上，所述C⑶相机16与计算机15电连接。
[0051]其中，所述第一显微物镜5、第二显微物镜13和第三显微物镜18均为消色差显微物 镜。
[0052] 实施例7
[0053] 一种透射型合成孔径数字全息术的光学元件表面疵病检测装置，包括第一激光器 I、第一显微物镜5、针孔6、第一透镜7、第二反射镜8、第二分光棱镜9、第三反射镜10、第三分 光棱镜12、第二显微物镜13、衰减器14、计算机15、(XD相机16、第三显微物镜18和二维平移 台19;
[0054] 所述第一激光器1发出的细激光束依次经过第一显微物镜5、针孔6、第一透镜7后 入射至第二分光棱镜9并经第二分光棱镜9分为反射细激光束和透射细激光束;所述反射细 激光束依次经过第二反射镜8、第三反射镜10、待测样品17、第二显微物镜13、第三分光棱镜 12并在第三分光棱镜12产生反射，经第三分光棱镜12反射后的细激光束入射至CCD相机16; 所述透射细激光束依次经过衰减器14、第三显微物镜18、第三分光棱镜12后入射至C⑶相机 16;待测样品17连接于二维平移台19上，所述C⑶相机16与计算机15电连接。
[0055] 其中，所述针孔6位于第一显微物镜5的焦点上，所述细激光束依次经第一显微物 镜5、针孔6后扩束为球面点光源。
[0056] 其中，所述针孔6位于第一透镜7的焦点上。
[0057]其中，所述第二显微物镜13和第三显微物镜18为放大倍率、数值孔径、工作距离相 同的显微物镜，且第二显微物镜13与第三分光棱镜12之间的距离等于第三显微物镜18与第 三分光棱镜12之间的距离。
[0058]其中，所述第一透镜7为消色差透镜。
[0059]其中，所述第一显微物镜5、第二显微物镜13和第三显微物镜18均为消色差显微物 镜。
[0060]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本 实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型 的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种透射型合成孔径数字全息术的光学元件表面疵病检测装置，其特征在于:包括 第一激光器（1)、第一显微物镜(5)、针孔(6)、第一透镜(7)、第二反射镜(8)、第二分光棱镜 (9)、第三反射镜（10)、第三分光棱镜（12)、第二显微物镜（13)、衰减器（14)、计算机（15)、 C⑶相机(16)、第三显微物镜（18)和二维平移台（19); 所述第一激光器（1)发出的细激光束依次经过第一显微物镜（5)、针孔(6)、第一透镜 (7)后入射至第二分光棱镜(9)并经第二分光棱镜(9)分为反射细激光束和透射细激光束； 所述反射细激光束依次经过第二反射镜(8)、第三反射镜（10)、待测样品（17)、第二显微物 镜（13)、第三分光棱镜（12)并在第三分光棱镜（12)产生反射，经第三分光棱镜（12)反射后 的细激光束入射至CCD相机（16);所述透射细激光束依次经过衰减器（14)、第三显微物镜 (18)、第三分光棱镜（12)后入射至(XD相机（16);所述待测样品（17)连接于二维平移台（19) 上，所述C⑶相机(16)与计算机(15)电连接。2. 如权利要求1所述的透射型合成孔径数字全息术的光学元件表面疵病检测装置，其 特征在于:所述针孔(6)位于第一显微物镜(5)的焦点上，所述细激光束依次经第一显微物 镜(5)、针孔(6)后扩束为球面点光源。3. 如权利要求1所述的透射型合成孔径数字全息术的光学元件表面疵病检测装置，其 特征在于:所述针孔(6)位于第一透镜(7)的焦点上。4. 如权利要求1所述的透射型合成孔径数字全息术的光学元件表面疵病检测装置，其 特征在于:所述第二显微物镜（13)和第三显微物镜（18)为放大倍率、数值孔径、工作距离相 同的显微物镜，且第二显微物镜（13)与第三分光棱镜（12)之间的距离等于第三显微物镜 (18)与第三分光棱镜（12)之间的距尚。5. 如权利要求1-4中任一所述的透射型合成孔径数字全息术的光学元件表面疵病检测 装置，其特征在于:所述第一透镜(7)为消色差透镜。6. 如权利要求1-4中任一所述的透射型合成孔径数字全息术的光学元件表面疵病检测 装置，其特征在于:所述第一显微物镜（5)、第二显微物镜（13)和第三显微物镜（18)均为消 色差显微物镜。
【文档编号】G01B11/24GK205581024SQ201521129053
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2015年12月30日
【发明人】姜宏振, 郑芳兰, 刘勇, 刘旭, 李 东, 杨, 杨 一, 陈竹, 任寰, 张霖, 周信达, 郑垠波, 原泉, 石振东, 巴荣声, 李文洪, 于德强, 袁静, 丁磊, 马可, 马玉荣, 冯晓璇, 陈波, 杨晓瑜
【申请人】中国工程物理研究院激光聚变研究中心