一种透明材料的差动式暗场显微缺陷检测装置及方法与流程

本发明涉及材料检测领域，具体涉及一种透明材料的差动式暗场显微缺陷检测装置与方法。

背景技术：

对透明光学材料表面及内部缺陷的三维形态的准确测量，是获得高品质低缺陷的光学元件的关键之一。暗场散射成像通过将照明背景光与缺陷散射光分离的方式，可以获得高对比度的缺陷成像效果。刘乾等人提出的环形孔径暗场显微成像方法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，具有高对比度缺陷成像、结构简单成本低、调节方便、材料厚度适应性广等优点，在透明材料的缺陷检测中有很广泛的应用前景。

对于一个特定的缺陷，由于离焦、散射的作用，对其轴向扫描会获得一系列模糊程度不同的散射光斑。如何从一系列暗场散射图像中，快速、准确地获取缺陷三维分布信息，是缺陷三维重构的关键。由于环形孔径暗场显微成像方法采用面探测的方式，利用显微物镜的有限焦深，通过轴向光强分析的方法确定焦面位置，进行三维分布重建。对于一个特定的缺陷，由于离焦、散射的作用，对其轴向扫描会获得一系列模糊程度不同的散射光斑。在焦面的光斑最小，光强最高，因此通过计算轴向光强曲线的峰值，可以确定焦面的位置。但是由于轴向光强曲线存在峰值处信号变化缓慢、对离焦量灵敏度不高、易受噪声影响等问题，造成定位精度偏低，影响了测量系统的轴向分辨率。

技术实现要素：

本发明针对环形孔径暗场显微成像方法轴向分辨率不高的问题，提供一种透明材料的差动式暗场显微缺陷检测装置与方法，利用轴向响应曲线灵敏度最高的部分，实现精密过零触发测量，可以提升轴向分辨率。

本发明通过下述技术方案实现：

一种透明材料的差动式暗场显微缺陷检测装置，包括暗场照明单元、遮挡物、成像单元和显微物镜，所述暗场照明单元包括光源和照明镜头；所述成像单元包括分光镜、第一筒镜、第一ccd、第二筒镜、第二ccd，所述的光源、照明镜头、遮挡物、显微物镜依次设置在同轴光路上；从显微物镜射出的光束可通过分光器分成2束，一束通过第一筒镜成像在第一ccd，另外一束通过第二筒镜成像在第二ccd上。采用本方案中的检测装置进行检测时，透明材料的被测样品安装在照明镜头与遮挡物之间，光源发出的照明直射光经照明镜头、被测样品后照射在遮挡物上。被测样品中若存在缺陷，缺陷散射光进入显微物镜未被遮挡物遮挡的孔后从显微物镜射出，射出的光束经过分光镜分成光束a和光束b。光束a通过第一筒镜后成像在第一ccd上，光束通过第二筒镜后成像在第二ccd上。本方案的检测装置采用差动的暗场显微缺陷检测方式提供检测，将前焦和后焦探测器获得的光强曲线进行差动相减，并寻找差动曲线为0时的轴向位置，即为对应缺陷的焦面位置。该方法利用轴向响应曲线灵敏度最高的部分，实现精密过零触发测量，可提高缺陷检测的轴向分辨率。

优选的，所述第一ccd的成像面位于焦后，第二ccd的成像面位于焦前。所述第一ccd、第二ccd的成像面到焦面的距离相等，均为偏置量。

作为本发明的进一步改进，上述一种透明材料的差动式暗场显微缺陷检测装置还包括位移机构，所述位移机构能够带动被测样品在照明镜头与遮挡物之间移动。如此，检测时，被测样品安装于位移机构上，位移机构带动被测样品在照明镜头与遮挡物6之间移动进行测试，更加便于控制。

优选的，所述位移机构位于照明镜头与遮挡物之间，所述位移机构带动被测样品移动的方向与所述同轴光路的光轴平行。

优选的，所述遮挡物的尺寸小于显微物镜的孔径尺寸，即，在光路上遮挡物不能完全遮挡显微物镜的光入射孔，缺陷散射的光可以部分进入显微物镜的光入射孔。

本发明还提供一种透明材料的差动式暗场显微缺陷检测方法，该方法利用上述一种透明材料的差动式暗场显微缺陷检测装置进行检测，所述方法包含以下步骤：

s1：将被测样品安装在照明镜头和显微物镜之间的位移机构上；

s2：调整被测样品，使被测的样品感兴趣区域进入显微物镜成像视野，并设置位移机构速度、第一ccd和第二ccd的ccd采样频率、第一ccd和第二ccd的采样时长；

s3：同时启动位移机构、第一ccd、第二ccd，使被测样品沿光轴方向匀速运动，并且第一ccd和第二ccd同时采集被测样品缺陷暗场散射的焦后、焦前图像。

进一步，上述的透明材料的差动式暗场显微缺陷检测方法还包括步骤：

s4：使用差动的轴向光强分析方法，对被测样品缺陷进行三维重构，该步骤的具体实现方法为：分别提取缺陷同一位置对应的第一ccd拍摄得到的轴向光强曲线a和第二ccd拍摄得到的轴向光强曲线b，计算a-b＝0时对应的光轴方向位置，该位置即为缺陷的焦面。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1、本发明的检测装置采用差动的暗场显微缺陷检测方式提供检测，将前焦和后焦探测器获得的光强曲线进行差动相减，并寻找差动曲线为0时的轴向位置，即为对应缺陷的焦面位置；利用能够利用轴向响应曲线灵敏度最高的部分，实现精密过零触发测量，提高的轴向分辨率。

2、本发明的检测方法采用差动的暗场显微缺陷检测方法，利用轴向响应曲线灵敏度最高的部分，实现精密过零触发测量，可以获得比传统的峰值分析法提升2倍的轴向分辨率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的透明材料的差动式暗场显微缺陷检测装置的结构示意图。

图2为本发明实施例2中的透明材料的差动式暗场显微缺陷检测方法的流程图。

图中标记及对应的零部件名称：

1-光源，2-照明镜头，3-被测样品，4-缺陷，5-位移机构，6-遮挡物，7-显微物镜，8-分光镜，9-第一筒镜，10-第一ccd，11-第二筒镜，12-第二ccd，13-偏置量。

具体实施方式

对透明光学材料表面及内部缺陷的三维形态的准确测量，是获得高品质低缺陷的光学元件的关键之一。现有技术中对于一个特定的缺陷，由于离焦、散射的作用，对其轴向扫描会获得一系列模糊程度不同的散射光斑。如何从一系列暗场散射图像中，快速、准确地获取缺陷三维分布信息，是缺陷三维重构的关键。由于环形孔径暗场显微成像方法采用面探测的方式，利用显微物镜的有限焦深，通过轴向光强分析的方法确定焦面位置，进行三维分布重建。对于一个特定的缺陷，由于离焦、散射的作用，对其轴向扫描会获得一系列模糊程度不同的散射光斑。在焦面的光斑最小，光强最高，因此通过计算轴向光强曲线的峰值，可以确定焦面的位置。但是由于轴向光强曲线存在峰值处信号变化缓慢、对离焦量灵敏度不高、易受噪声影响等问题，造成定位精度偏低，影响了测量系统的轴向分辨率。基于上述测量方法的缺陷，本发明研究并开发设计一种透明材料的差动式暗场显微缺陷检测装置与方法。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

【实施例1】

如图1所示，本实施例的一种透明材料的差动式暗场显微缺陷检测装置，包括光源1、照明镜头2、位移机构5、遮挡物6、显微物镜7、分光镜8、第一筒镜9、第一ccd10、第二筒镜11、第二ccd12。光源1、照明镜头2构成暗场照明单元；分光镜8、第一筒镜9、第一ccd10、第二筒镜11、第二ccd12构成成像单元，且本实施例中为差动成像单元，其具体连接方式为：光源1、照明镜头2、遮挡物6、显微物镜7依次设置在同轴光路上，使用时被测样品3设置于照明镜头2与遮挡物6之间。被测样品3靠近显微物镜7的成像面。被测样品3安装于位移机构5上，位移机构5位于照明镜头2与遮挡物6之间，位移机构5的移动方向与同轴光路的光轴平行，这样，位移机构5能够带动被测样品3在照明镜头2与遮挡物6之间移动，且位移机构5带动被测样品3移动的方向也与所述同轴光路的光轴平行。所述遮挡物6的尺寸小于显微物镜7的孔径。

上述被测样品3一般为透明材料。光源1发出的照明直射光经照明镜头2、被测样品3后照射在遮挡物6上。被测样品3中若存在缺陷4，缺陷4散射光进入显微物镜7未被遮挡物6遮挡的孔后从显微物镜7射出，射出的光束经过分光镜8分成光束a和光束b。光束a通过第一筒镜9后成像在第一ccd10上，光束b通过第二筒镜11后成像在第二ccd12上。第一ccd10成像面位于焦后，第二ccd12成像面位于焦前，二者的成像面到焦面的距离相等，均为偏置量13。

本实施例中的位移机构为现有技术中常用的移动装置，例如但不限采用运输线、传动装置等，其只要实现带动被测样品3在照明镜头2与遮挡物6之间移动即可，本实施例中不再赘述其结构。

【实施例2】

本实施例中，提供一种透明材料的差动式暗场显微缺陷检测方法，该方法采用实施例1中的透明材料的差动式暗场显微缺陷检测装置进行检测，检测方法如图2所示，具体如下：

第一步：启动一种透明材料的差动式暗场显微缺陷检测装置；

第二步：将被测样品3安装在照明镜头2和显微物镜7之间的位移机构5上；

第三步：调整被测样品3，使被测样品3的感兴趣区域进入显微物镜7成像视野，并设置位移机构5速度、第一ccd10的ccd采样频率、第一ccd的采样时长、第二ccd12的ccd采样频率、第二ccd12的采样时长；

第四步：同时启动位移机构5、第一ccd10、第二ccd12，使被测样品3沿光轴方向匀速运动，并且第一ccd10和第二ccd12同时采集被测样品3的缺陷暗场散射的焦后、焦前图像；

第五步：使用差动的轴向光强分析方法，对被测样品3的缺陷进行三维重构。

第五步中差动的轴向光强分析方法可通过如下方法实现：分别提取缺陷同一位置对应的第一ccd10拍摄得到的轴向光强曲线a和第二ccd12拍摄得到的轴向光强曲线b，计算a-b＝0时对应的光轴方向位置，得到的位置即为缺陷的焦面。

本实施例中，第一ccd10构成前焦后焦探测器，第二ccd12构成后焦探测器；本实施例中的检测方法采用差动的暗场显微缺陷检测方法，将前焦和后焦探测器获得的光强曲线进行差动相减，并寻找差动曲线为0时的轴向位置作为对应缺陷的焦面位置，利用轴向响应曲线灵敏度最高的部分，实现精密过零触发测量，可以获得比传统的峰值分析法提升2倍的轴向分辨率。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。