大口径超光滑表面缺陷的检测装置和检测方法与流程

本发明涉及表面缺陷，特别是一种大口径超光滑表面缺陷的检测装置和检测方法，可以实现对缺陷的识别和分类。

背景技术：

在精密光学工程、半导体制造、精密机械制造以及国防军工等高科技领域，对所加工的材料的表面缺陷有严格的要求。表面缺陷是指加工、搬运等各个环节，在元器件表面产生的形状、尺寸各异，随机分布的划痕和麻点等微小缺陷。这些微小缺陷的存在将严重影响元器件的性能，如：在高功率激光系统中，光学元器件的表面缺陷会极大降低激光损伤阈值，造成光学元器件的损伤甚至破坏。大量研究表明，表面缺陷对入射的强激光束会造成不同程度的热吸收，随着元器件上高能量激光辐射次数的增多，元器件的缺陷会引起材料的进一步损伤，最终会造成材料破坏。此外，入射激光束在光学元器件的表面缺陷处将产生散射，导致激光束的能量利用率降低，极大地限制了整个系统的性能。因此，必须对光学元器件的表面缺陷进行精确检测。

目前，国内外对表面缺陷的检测方法主要包括：目视法、显微散射暗场成像法和激光散射测量法。目视法主要是在暗室环境中，用强光手电筒照射元器件表面，通过表面缺陷产生的散射光进行人工观察。该方法具有主观性强、分辨率低、无法精确量化缺陷尺寸以及检测结果不可靠等缺点。显微散射暗场成像法(参考文献CN1563957A)通过暗场照明方式，使只有表面缺陷产生的散射光才能被显微系统收集，在CCD相机上成亮像。该方法单孔径成像范围小，需要花费较长时间对大口径光学元器件整个表面进行扫描成像，其后期的图像拼接和量化处理也要耗费大量时间，检测速度慢。激光散射测量法由于其高灵敏度被广泛用于半导体检测中，美国KLA-Tencor公司利用该方法(参考文献US5798829)使激光束在硅片表面聚焦成直径几十微米的微小的点，通过硅片高速旋转和径向运动实现对圆形硅片表面的高速度高灵敏度的缺陷检测。但是该方法采用单点激光束扫描测量，对大口径光学元器件进行检测需要很长时间。同时大口径光学元器件重量大，高速旋转带来的振动、轴向跳动等将严重影响检测结果的严重性，因此，该方法无法满足大口径光学元器件表面缺陷检测需求。

技术实现要素：

本发明公开一种大口径超光滑表面缺陷检测装置及检测方法，该方法将激光聚焦点变为高速扫描的点阵线，可以实现划痕和麻点等表面缺陷的高速检测；通过对缺陷散射空间的不同角度散射光的探测，实现对缺陷的分类。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种大口径超光滑表面缺陷的检测装置，包括激光器和精密位移平台，所述的精密位移平台供待测样品放置，其特点在于，沿该激光器的激光束输出方向依次是激光扩束系统、高反镜、起偏器、偏振分光棱镜、1/4波片、旋转棱镜、远心场镜和精密位移平台，所述的激光器发出的激光束经所述的激光扩束系统准直扩束和所述的高反镜入射到所述的起偏器产生S偏振光，该S偏振光经过所述的偏振分光棱镜反射后，入射到所述的1/4波片产生圆偏振光，该圆偏振光通过所述的旋转棱镜反射后，射入所述的远心场镜，该远心场镜使各个角度入射的圆偏光变为激光聚焦光束垂直地聚焦到待测样品表面，在待测样品表面上形成一条激光聚焦点阵线；在所述的远心场镜和待测样品之间的激光聚焦光束外设置高角度散射光探测器和低角度散射光探测器，所述的高角度散射光探测器的光轴方向与待测样品的表面法线夹角小于45°；所述的低角度散射光探测器的光轴方向与待测样品的表面法线夹角大于45°；与所述的远心场镜并排放置行触发探测器，用于接收部分入射光产生行触发信号；在所述的偏振分光棱镜的P偏振光透射方向设置反射光探测器，该反射光探测器用于接收从待测样品表面反射的并经远心场镜、旋转棱镜、1/4波片、偏振分光棱镜的P偏振态反射光信号；所述的精密位移平台由计算机控制并通过精密位移平台驱动电路驱动，使之能够带动待测样品的移动，所述的高角度散射光探测器、低角度散射光探测器、行触发探测器和反射光探测器的输出端与所述的计算机的输入端相连。

所述的旋转棱镜还可为振镜、声光调制器、电光调制器或旋转电机带动的反射镜。

所述的高角度散射光探测器和低角度散射光探测器包括但不限于光电二极管、电荷耦合元件或光电倍增管。

利用上述大口径超光滑表面缺陷的检测装置进行大口径元器件表面缺陷的检测方法，该方法包括下列步骤：

①在所述的计算机上输入待测样品的长度L和宽度W，根据所述的激光聚焦点阵线的长度l和宽度w，计算扫描的列数M和行数N，扫描列数为M＝L/l，每一列扫描行数为N＝W/w，若M和N不为整数，则分别取其整数部分，再加一，保证待测样品整个面都能被扫描；

②所述的计算机控制并通过所述的精密位移平台驱动电路，驱动所述的精密位移平台带动待测样品移动到初始位置(X0,Y0)处，所述的旋转棱镜开始转动，所述的行触发探测器接收到信号后，所述的计算机记录起始位置，然后待测样品第一行被激光聚焦光束扫描，扫描长宽分别为上述的l和w，扫描时，所述的高角度散射光探测器和低角度散射光探测器分别记录相应高角度散射光的强度和低角度散射光的强度，所述的反射光探测器记录反射光的强度并实时传送到所述的计算机；

③第一行扫描完成后，在所述的计算机控制下，所述的精密位移平台带动待测样品沿Y方向移动距离w进行下一行扫描；

④重复步骤③完成第一列所有剩余行的扫描；

⑤第一列扫描完成后，利用所述的精密位移平台带动所述的待测样品沿X方向移动，移动距离为l，然后重复步骤③～④完成第二列所有行扫描；

⑥重复步骤③～⑤完成待测样品整个面的扫描；

⑦对测量采集的信号进行分析：

分析所述的高角度散射光探测器和低角度散射光探测器分别记录的高角度散射光信号的强度和低角度散射光信号的强度，若所述的高角度散射光探测器接收的散射光信号强度比所述的低角度散射光探测器接收的散射光信号强度大，则待测样品的表面缺陷为凹坑或划痕；反之，则待测样品的表面缺陷为凸起；依此，推断出待测样品表面缺陷的类型，从而实现对缺陷进行分类；

当激光聚焦点阵线照射在待测样品表面的区域没有缺陷时，入射激光束在待测样品的该区域表面不发生散射或散射光极弱，所述的高角度散射光探测器和低角度散射光探测器分别记录的高角度散射光信号的强度和低角度散射光信号的强度很弱，这时，所述的反射光探测器接收的信号强度反映了待测样品的表面反射率信息。

本发明的优点如下：

与传统的散射测量方法相比，本发明表面缺陷检测装置和方法主要具有以下优点：

1、提高了检测效率。传统的激光散射测量法采用单个聚焦点进行扫描，效率较低。本发明依靠旋转棱镜高速旋转，将传统的单个激光聚焦点测量变为高速扫描的点阵线进行扫描检测，极大地缩短了对大口径样品的检测时间。同时，待测样品也无需进行高速旋转，避免了因高速旋转使大口径光学元器件产生振动、轴向跳动等因素对检测结果产生严重影响。因此，检测结果也更可靠。

2、本发明能够区分不同类别的表面缺陷。传统的激光散射测量法无法区分表面缺陷类别，本发明使用两个与样品表面法线成不同角度的散射光探测器，通过比较两个散射光探测器同时接收的信号强度能够区分缺陷是凹坑、划痕，还是凸起的灰尘、纤维等。为样品的后期加工、清洗提供更准确的指导建议。

附图说明

图1是本发明大口径超光滑表面缺陷的检测装置结构示意图

图2是本发明表面缺陷检测扫描路线示意图

图3是本发明所述的凹坑缺陷检测原理示意图

图4是本发明所述的凸起缺陷检测原理示意图

图中：1-激光器；2-激光扩束系统；3-高反镜；4-起偏器；5-偏振分光棱镜；6-1/4波片；7-旋转棱镜；8-远心场镜；9-激光聚焦点阵线；10-待测样品；11-高角度散射光探测器；12-低角度散射光探测器；13-行触发探测器；14-反射光探测器；15-激光聚焦光束；16-精密位移平台；17-精密位移平台驱动电路；18-计算机；19-散射光。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步详细阐述，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明大口径超光滑表面缺陷的检测装置结构示意图，由图可见，本发明大口径超光滑表面缺陷的检测装置，包括激光器1和精密位移平台16，所述的精密位移平台16供待测样品10放置，沿该激光器1的激光束输出方向依次是激光扩束系统2、高反镜3、起偏器4、偏振分光棱镜5、1/4波片6、旋转棱镜7、远心场镜8和精密位移平台16，所述的激光器1发出的激光束经所述的激光扩束系统2准直扩束和所述的高反镜3入射到所述的起偏器4产生S偏振光，该S偏振光经过所述的偏振分光棱镜5反射后，入射到所述的1/4波片6产生圆偏振光，该圆偏振光通过所述的旋转棱镜7反射后，射入所述的远心场镜8，该远心场镜8使各个角度入射的圆偏光变为激光聚焦光束15垂直地聚焦到待测样品10表面，在待测样品10表面上形成一条激光聚焦点阵线9；在所述的远心场镜8和待测样品10之间的激光聚焦光束15外设置高角度散射光探测器11和低角度散射光探测器12，所述的高角度散射光探测器11的光轴方向与待测样品10的表面法线夹角小于45°；所述的低角度散射光探测器12的光轴方向与待测样品10的表面法线夹角大于45°；与所述的远心场镜8并排放置行触发探测器13，用于接收部分入射光产生行触发信号；在所述的偏振分光棱镜5的P偏振光透射方向设置反射光探测器14，该反射光探测器14用于接收从待测样品10表面反射的并经远心场镜8、旋转棱镜7、1/4波片6、偏振分光棱镜5的P偏振态反射光信号；所述的精密位移平台16由计算机18控制的精密位移平台驱动电路17驱动，使之能够带动待测样品10的移动，所述的高角度散射光探测器11、低角度散射光探测器12、行触发探测器13和反射光探测器14的输出端与所述的计算机18的输入端相连。

利用上述大口径超光滑表面缺陷的检测装置进行大口径元器件表面缺陷的检测方法，包括下列步骤：

①在所述的计算机18上输入待测样品的长度L和宽度W，根据所述的激光聚焦点阵线9的长度l和宽度w，计算扫描的列数M和行数N，扫描列数为M＝L/l，每一列扫描行数为N＝W/w，若M和N不为整数，则分别取其整数部分，再加一，保证待测样品10整个面都能被扫描；

②所述的计算机18控制并通过所述的精密位移平台驱动电路17，驱动所述的精密位移平台16带动待测样品10移动到初始位置(X0,Y0)处，所述的旋转棱镜7开始转动，所述的行触发探测器13接收到信号后，所述的计算机18记录起始位置，然后待测样品10第一行被激光聚焦光束15扫描，扫描长宽分别为上述的l和w，扫描时，所述的高角度散射光探测器11和低角度散射光探测器12分别记录相应高角度散射光的强度和低角度散射光的强度，所述的反射光探测器14记录反射光的强度并实时传送到所述的计算机18；

③第一行扫描完成后，在所述的计算机18控制下，所述的精密位移平台16带动待测样品10沿Y方向移动距离w进行下一行扫描；

④重复步骤③完成第一列所有剩余行的扫描；

⑤第一列扫描完成后，利用所述的精密位移平台16带动所述的待测样品10沿X方向移动，移动距离为l，然后重复步骤③～④完成第二列所有行扫描；

⑥重复步骤③～⑤完成待测样品10整个面的扫描；

⑦对测量采集的信号进行分析：

分析所述的高角度散射光探测器11和低角度散射光探测器12分别记录的高角度散射光信号的强度和低角度散射光信号的强度，若所述的高角度散射光探测器11接收的散射光信号强度比所述的低角度散射光探测器12接收的散射光信号强度大，则待测样品10的表面缺陷为凹坑或划痕；反之，则待测样品10的表面缺陷为凸起；依此，推断出待测样品表面缺陷的类型，从而实现对缺陷进行分类；

当激光聚焦点阵线9照射在待测样品10表面的区域没有缺陷时，入射激光束在待测样品10的该区域表面不发生散射或散射光17极弱，所述的高角度散射光探测器11和低角度散射光探测器12分别记录的高角度散射光信号的强度和低角度散射光信号的强度很弱，为暗背景信号，这时，所述的反射光探测器14接收的信号强度反映了待测样品10的表面反射率信息。

实施例：

如图1所示，测量是计算机18控制精密位移平台驱动电路17，使精密位移平台16带动待测样品10沿图2所示的扫描路线进行扫描，实现对待测样品10整个面的扫描。高角度散射光探测器11的光轴方向与待测样品10的表面法线夹角小于45°，低角度散射光探测器12的光轴方向与待测样品10的表面法线夹角大于45°。反射光探测器实时监控待测样品10表面反射状况。高角度散射光探测器11、低角度散射光探测器12、反射光探测器14接收的信号实时传送到计算机18上进行保存。

从图3可以看出，表面缺陷为凹坑缺陷时，高角度散射光探测器11接收更多的散射光，其散射光信号强度比低角度散射光探测器12接收的散射光信号强度大。

从图4可以看出，表面缺陷为凸起缺陷时，低角度散射光探测器12接收更多的散射光，其散射光信号强度比高角度散射光探测器11接收的散射光信号强度大。

本实施例中旋转棱镜7是用于将入射激光束在一定角度范围内进行连续角度扫描的装置，实现该功能的装置还包括但不限于振镜、声光调制器、电光调制器、旋转电机。

本实施例中高角度散射光探测器11与低角度散射光探测器12为实现光电转换的器件，实现该功能的装置包括但不限于光电二极管、电荷耦合元件、光电倍增管。

本实施例中高角度散射光探测器11与低角度散射光探测器12与散射光19之间放置光学透镜系统，使散射光有效的收集起来，增加散射光能量，提高系统信噪比。