基于频率失配解调的暗场共焦显微测量装置及方法

本发明涉及一种暗场共焦显微测量装置及方法，属于光学精密测量。

背景技术：

1、在高性能先进光学元件加工过程中，不可避免地会在表面以下产生杂质、划痕和微裂纹等缺陷，即亚表面缺陷，易影响元件的机械性能和使用寿命，尤其在高能激光系统中，亚表面缺陷的存在降低了材料的破坏应力，为光吸收杂质提供容纳空间，同时对入射高能激光产生强烈散射和光束调制，大大降低光学元件激光损伤阈值。如何有效检测并抑制亚表面缺陷已经成为限制光学元件制造精度、核心元件生产效率和高能激光功率密度的“瓶颈”问题。

2、暗场共焦显微测量技术具有良好的光学层析能力、较高的成像分辨率和信噪比，已成为光学元件表面及亚表面缺陷检测的重要手段。然而传统暗场共焦显微测量的亚表面缺陷无损检测技术依赖复杂的光束整形机制，影响横向和轴向分辨率，并且降低显微系统的稳定性。因此，在避免照明光整形的情况下实现暗场成像可有效提高亚表面缺陷的可靠性。

技术实现思路

1、本发明为解决传统暗场共焦显微测量的亚表面缺陷无损检测技术依赖复杂的光束整形机制，影响横向和轴向分辨率，并且降低显微系统的稳定性的问题，进而提出一种基于频率失配解调的暗场共焦显微测量装置及方法。

2、本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明所述暗场共焦显微测量装置包括双通道波形发生器、调制照明模块、光学扫描模块、失配解调模块和轴向位移台；样品放置在轴向位移台上，双通道波形发生器的一个通道与所述调制照明模块连接，所述调制照明模块发出的激光经过所述光学扫描模块照射在样品上，样品的回光由所述失配解调模块收集。

3、进一步的，所述调制照明模块包括ld激光器、单模光纤、光纤准直镜和非偏振分束器；ld激光器、单模光纤、光纤准直镜和非偏振分束器由左至右依次设置，ld激光器与双通道波形发生器的一个通道连接，ld激光器发射的激光经由单模光纤、光纤准直镜和非偏振分束器射入所述光学扫描模块。

4、进一步的，所述光学扫描模块包括振镜、扫描透镜、管镜和物镜；振镜、扫描透镜、管镜和物镜依次设置，ld激光器依次经过单模光纤、光纤准直镜和非偏振分束器后射入振镜，再依次经过扫描透镜、管镜和物镜后照射在样品上。

5、进一步的，所述失配解调模块包括聚焦透镜、针孔、pmt探测器和锁相放大器；样品的回光由聚焦透镜聚焦至针孔，由pmt探测器收集，pmt探测器的输出电信号接入锁相放大器的输入通道。

6、进一步的，双通道波形发生器的一个通道输出频率为f的方波脉冲序列至ld激光器，500khz≤f≤10mhz，ld激光器输出强度调制的线偏振激光，调制频率为f。

7、进一步的，双通道波形发生器的另一个通道输出频率为f+δf的三角函数信号至锁相放大器作为参考波形，pmt探测器输出电信号接入锁相放大器的输入通道，δf设置为f/10。

8、进一步的，锁相放大器解调频率为f+δf，采集输出模拟信号，并与振镜扫描同步重构暗场显微成像结果。

9、本发明所述暗场共焦显微测量方法的步骤包括：

10、步骤1、双通道波形发生器的一个通道输出频率为f的方波脉冲序列至ld激光器，ld激光器输出强度调制的线偏振激光，调制频率为f；

11、步骤2、单模光纤耦合激光后由光纤准直镜输出准直光，经过非偏振分束器进入光学扫描模块，由振镜、扫描透镜、管镜、物镜聚焦于样品；

12、步骤3、振镜扫描聚焦光斑位置，控制振镜扫描速率使每个扫描点停留时长大于2/f；

13、步骤4、样品回光由聚焦透镜聚焦至针孔，由pmt探测器收集；

14、步骤5、pmt探测器输出电信号接入锁相放大器的输入通道，双通道波形发生器的另一个通道输出频率为f+δf的三角函数信号至锁相放大器参考通道；

15、步骤6、锁相放大器解调频率为f+δf，模式为外部参考，采集输出的模拟信号，并与振镜扫描同步重构层析显微成像结果。

16、步骤7、步进式移动轴向位移台扫描样品轴向位置，移动一个步进值，重复步骤1-6。

17、本发明的有益效果是：

18、1、本发明采用实心聚焦光斑照明样品，视场内更为均为，且系统分辨率较环形光照明暗场共焦显微系统更高；

19、2、本发明利用锁相放大解调技术可实现更高灵敏度的缺陷检测。

技术特征：

1.基于频率失配解调的暗场共焦显微测量装置，其特征在于：所述基于频率失配解调的暗场共焦显微测量装置包括双通道波形发生器(1)、调制照明模块、光学扫描模块、失配解调模块和轴向位移台(11)；样品(10)放置在轴向位移台(11)上，双通道波形发生器(1)的一个通道与所述调制照明模块连接，所述调制照明模块发出的激光经过所述光学扫描模块照射在样品(10)上，样品(10)的回光由所述失配解调模块收集。

2.根据权利要求1所述的基于频率失配解调的暗场共焦显微测量装置，其特征在于：所述调制照明模块包括ld激光器(2)、单模光纤(3)、光纤准直镜(4)和非偏振分束器(5)；ld激光器(2)、单模光纤(3)、光纤准直镜(4)和非偏振分束器(5)由左至右依次设置，ld激光器(2)与双通道波形发生器(1)的一个通道连接，ld激光器(2)发射的激光经由单模光纤(3)、光纤准直镜(4)和非偏振分束器(5)射入所述光学扫描模块。

3.根据权利要求1或2所述的基于频率失配解调的暗场共焦显微测量装置，其特征在于：所述光学扫描模块包括振镜(6)、扫描透镜(7)、管镜(8)和物镜(9)；振镜(6)、扫描透镜(7)、管镜(8)和物镜(9)依次设置，ld激光器(2)依次经过单模光纤(3)、光纤准直镜(4)和非偏振分束器(5)后射入振镜(6)，再依次经过扫描透镜(7)、管镜(8)和物镜(9)后照射在样品(10)上。

4.根据权利要求1所述的基于频率失配解调的暗场共焦显微测量装置，其特征在于：所述失配解调模块包括聚焦透镜(12)、针孔(13)、pmt探测器(14)和锁相放大器(15)；样品(10)的回光由聚焦透镜(12)聚焦至针孔(13)，由pmt探测器(14)收集，pmt探测器(14)的输出电信号接入锁相放大器(15)的输入通道。

5.根据权利要求1所述的基于频率失配解调的暗场共焦显微测量装置，其特征在于：双通道波形发生器(1)的一个通道输出频率为f的方波脉冲序列至ld激光器(2)，500khz≤f≤10mhz，ld激光器(2)输出强度调制的线偏振激光，调制频率为f。

6.根据权利要求1或4所述的基于频率失配解调的暗场共焦显微测量装置，其特征在于：双通道波形发生器(1)的另一个通道输出频率为f+δf的三角函数信号至锁相放大器(15)作为参考波形，pmt探测器(14)输出电信号接入锁相放大器(15)的输入通道，δf设置为f/10。

7.根据权利要求4所述的基于频率失配解调的暗场共焦显微测量装置，其特征在于：锁相放大器(15)解调频率为f+δf，采集输出模拟信号，并与振镜(6)扫描同步重构暗场显微成像结果。

8.一种基于权利要求1-7所述的暗场共焦显微测量装置的暗场共焦显微测量方法，其特征在于：所述基于频率失配解调的暗场共焦显微测量方法的步骤包括：

技术总结
一种基于频率失配解调的暗场共焦显微测量装置及方法，它涉及一种暗场共焦显微测量装置及方法。本发明为了解决传统暗场共焦显微测量的亚表面缺陷无损检测技术依赖复杂的光束整形机制，影响横向和轴向分辨率，并且降低显微系统的稳定性的问题。本发明所述装置包括双通道波形发生器、调制照明模块、光学扫描模块、失配解调模块和轴向位移台；样品放置在轴向位移台上，双通道波形发生器的一个通道与所述调制照明模块连接，所述调制照明模块发出的激光经过所述光学扫描模块照射在样品上，样品的回光由所述失配解调模块收集。本发明属于光学精密测量技术领域。

技术研发人员：刘辰光,华子杰,刘俭
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8