高速激光线扫描晶体缺陷共焦线暗场散射检测系统

本发明属于光学检测，更具体地说是一种高速激光线扫描晶体内部缺陷的检测系统，涉及点线共焦技术和激光暗场散射技术。

背景技术：

1、目前，固体激光器是最常用的激光器，晶体是固体激光系统中的核心工作物质，其主要功能是作为发射激光的增益物质，晶体光学质量的好坏对激光系统的频率转换、光增益和光调制等关键性能有着决定性的影响。由于光学晶体胚块的生长过程十分漫长，在此期间难免会产生各种各样的宏观和微观缺陷，其中最容易出现的有：开裂、包囊物、生长条纹和杂质颗粒。因此，光学晶体胚块在被制成光学晶体器件时，要进行内部的缺陷检测，掌握缺陷的大小、位置等信息，从而使晶体胚块制作出光学晶体时能够完美地避开缺陷，这成为提高光学晶体质量、制备效率以及固体激光器性能的必要手段。

2、已有的用于检测晶体缺陷的方法包括数字全息成像法、并行共焦显微镜和激光散射断层法各有利弊，其中：

3、数字全息成像法是利用光的干涉和衍射来实现物体三维图像的采集与重现，被激光照射的物体产生散射光束，其中一部分的光束被光电传感器件ccd记录成全息图，然后将全息图存入计算机，用计算机模拟光学衍射过程来实现被记录物体的全息再现和处理，最后通过观察全息来实现光学晶体内部缺陷的检测。虽然数字全息成像法的准确度高，但是它的准确性高度依赖全息反演算法，干涉数据冗余量大，计算相当费时，导致其在工业生产时检测速度极慢，不能满足晶体生产的在线检测需求。

4、并行共焦显微镜是通过分光元件使得光源分光成一列阵点光源，并使得每一束光束都成像到被检测物体上形成光点，而每个光点又同时成像到探测器件上，它们点与点对应，实现了物体的二维信息的采集与记录，将每个二维面记录完后，即可实现物体的三维重建，从而实现光学晶体的内部缺陷检测。但是并行共焦显微镜的最大问题就是数值孔径na与视场fov之间的矛盾，大数值孔径将线视场限制在毫米级，根本无法做到晶体内部缺陷的快速检测，因此这种技术也不能满足晶体生产的快速检测需求。

5、激光散射断层法是用鲍威尔镜片将射入的准直激光束在一定角度中均匀射出，使得扇形激光束穿透被测物体的二维平面，激光束遇到缺陷后会产生散射，用ccd将每一层的散射光收集，实现物体的内部缺陷检测。虽然激光散射断层法的检测速度非常快，但是缺乏共焦功能，而且ccd的成像具有景深的缺陷，这会导致散射光的串扰十分严重、背景噪声大、信噪比低，很难实现晶体内部缺陷的高效检测，极易出现纰漏，导致晶体生产的优质比降低。

6、因此，目前急需一种可以既高速又准确地检测晶体内部缺陷大小、位置的方法，为晶体生产的高效化提供保证。

技术实现思路

1、本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种高速激光线扫描晶体缺陷共焦线暗场散射检测系统，以实现晶体内部缺陷的高速且高灵敏度的检测。

2、本发明为解决技术问题采取如下技术方案：

3、本发明高速激光线扫描晶体缺陷共焦线暗场散射检测系统的特点是：所述检测系统包括激光测头单元和散射光检测单元；

4、所述激光测头单元的光路结构为：由激光器出射的激光束经半波片调整偏振态后，经由第一反射镜和第二反射镜折叠光路后入射到扩束镜，利用所述扩束镜获得扩束激光束，所述扩束激光束通过第三反射镜反射到旋转的线阵扫描器件，将入射的激光束扫描成周期性扇形激光束，首先由光电二极管检测以获得行触发信号，再入射到远心场镜中，利用所述远心场镜将入射在远心场镜中的有效激光束平行且聚焦在被测晶体的内部，形成聚焦在远心场镜的焦线上的线阵扫描激光束；

5、所述散射光检测单元的光路结构为：由共焦器件和导光器件构成散射光收集模块，所述扫描激光束在针对存在内部缺陷的被测晶体进行扫描后形成为散射光，所述散射光首先入射到共焦器件，利用所述共焦器件实现扫描线与导光器件的收集线共焦，使所述散射光由导光光纤从入射端传递到出射端，并在所述导光光纤的出射光路中经滤光片滤除杂光，最后由光电倍增管进行信号接收。

6、本发明高速激光线扫描晶体缺陷共焦线暗场散射检测系统的特点也在于：由电机驱动线阵扫描器件按设定的旋转频率进行旋转，将入射到线阵扫描器件上的准直激光束扫描成周期性扇形激光束，远心场镜将每一束有效激光束聚焦为扫描激光束，在被测晶体的内部按设定的速度在z方向上进行线扫描。

7、本发明高速激光线扫描晶体缺陷共焦线暗场散射检测系统的特点也在于：

8、设置测头二维移动基座，将由所述激光器、半波片、第一反射镜、第二反射镜、扩束镜、第三反射镜、线阵扫描器件，以及远心场镜构成的激光测头单元整体设置在所述测头二维移动基座上，使所述激光测头单元能够相对于固定设置的被测晶体分别实现x和y方向上的移动；

9、设置检测二维移动基座，将由所述共焦器件、导光光纤、滤光片以及光电倍增管构成的散射光检测单元整体设置在所述检测二维移动基座上，使所述散射光检测单元能够相对于固定设置的被测晶体分别实现x和y方向上的移动；

10、通过控制所述测头二维移动基座和检测二维移动基座相对于被测晶体(14)在x方向上以速度vx同步移动，实现被测晶体内部的一个二维检测面的缺陷检测；通过控制所述测头二维移动基座和检测二维移动基座相对于被测晶体(14)在y方向上按一个光斑间距步进式移动，使所述检测系统能够针对被测晶体内部的各不同的二维检测面进行缺陷检测；最终实现晶体内部缺陷的三维扫描检测。

11、本发明高速激光线扫描晶体缺陷共焦线暗场散射检测系统的特点也在于：

12、所述速度vx由式(1)计算获得：

13、

14、式(1)中：

15、ω为扫描光斑的半径；δt为线阵扫描器件的单面扫描周期；

16、且：δt＝1/(8fps)，fps为线阵扫描器件的旋转频率；

17、所述一个光斑间距是指一个光斑直径，即2ω的值。

18、本发明高速激光线扫描晶体缺陷共焦线暗场散射检测系统的特点也在于：所述线阵扫描器件为多面体棱镜、声光调制器，或为数字微镜扫描器。

19、本发明高速激光线扫描晶体缺陷共焦线暗场散射检测系统的特点也在于：所述共焦器件为柱面镜，或为柱状椭面镜。

20、本发明高速激光线扫描晶体缺陷共焦线暗场散射检测系统的特点也在于：所述线阵扫描器件的转动轴处于远心场镜的后焦面上。

21、与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

22、1、本发明针对点-点共焦技术的视场范围窄小的问题利用点-线共焦技术突破了传统线共焦显微镜的数值孔径na与视场fov相互制约的技术瓶颈，将线视场从“毫米”量级大幅提升到“数十毫米”量级，为晶体缺陷高速检测提供了技术保障；

23、2、本发明针对线-线共焦技术存在的串扰问题利用激光线共焦暗场散射高速扫描技术使线共焦器件在激光扫描的每一瞬间仍保持完整的共焦性能，克服了传统线共焦中相邻扫描位置射光存在串扰、共焦性能下降、背景噪声增大的难题，为晶体缺陷的高灵敏度检测提供了技术基础。