專利名稱：后放大數(shù)字全息顯微表面微小疵病測(cè)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種后放大數(shù)字全息顯微表面微小疵病測(cè)量裝置及方法。
背景技術(shù)：
對(duì)精密光學(xué)元件表面的加工質(zhì)量評(píng)估，主要包括面形檢測(cè)、表面粗糙度檢測(cè)、表面波紋度檢測(cè)以及表面疵病檢測(cè)等四個(gè)主要方面。面形偏差是指欲加工的面形與實(shí)際面形之間的差別，其橫向尺度在毫米量級(jí)，屬于宏觀尺度的偏差，通常采用被測(cè)波面與標(biāo)準(zhǔn)波面疊加所形成的干涉條紋進(jìn)行反演，從而得到這一偏差。表面粗糙度是指加工表面具有的較小間距和峰谷值的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)精密光學(xué)元件表面而言，橫向尺度一般在亞微米量級(jí)以下。雖然從橫向尺度上來(lái)看，粗糙度屬于微觀尺度的偏差，但由于其在整個(gè)加工表面的各個(gè)區(qū)域的分布是連續(xù)且均勻的，故可通過(guò)干涉顯微鏡、原子力顯微鏡、掃描隧道顯微鏡等微觀形貌檢測(cè)儀器在被檢表面的不同區(qū)域采樣后平均得到。波紋度與粗糙度類似，也是在整個(gè)元件表面連續(xù)且均勻分布的結(jié)構(gòu)，只是其橫向尺度介于面型偏差與表面粗糙度之間。所謂表面疵病，既不同于面型誤差的宏觀分布，也不同于表面粗糙度的均勻的微觀分布，而是在整個(gè)加工表面這一宏觀尺度上隨機(jī)分布的，離散的微觀幾何結(jié)構(gòu)特征。正是由于表面疵病結(jié)構(gòu)橫向尺度在微米、亞微米量級(jí)，但卻離散的隨機(jī)分布在厘米、甚至分米量級(jí)的表面范圍內(nèi)，故精密光學(xué)元件表面的疵病檢測(cè)一直以來(lái)都是一個(gè)較難解決的問(wèn)題。光學(xué)元件表面疵病用于改善加工工藝的一個(gè)重大課題，近年來(lái)得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視和研究。目前的檢測(cè)方式包括:1)目視法，是一種較為傳統(tǒng)，且目前仍在很多地方被大量使用的一種方法，是所有成像法檢測(cè)疵病的基礎(chǔ)。由于人眼的高度自適應(yīng)的光學(xué)成像和探測(cè)性能、大腦的強(qiáng)大后端處理性能以及手、眼及身體配合的這樣的復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)，使目視法具有很強(qiáng)的靈活性和可操作性。但是這種方法的缺點(diǎn)也是顯而易見的:人的主觀性因素，無(wú)法量化檢測(cè)疵病尺寸，檢測(cè)速度較慢，人工成本較高且觀察者需要培訓(xùn)等；2)濾波成像法，與目視法的原理是完全一致的，唯一的不同在于用光學(xué)傳感器陣列替代了人眼，從而消除了人眼判斷的主觀性，提高 了檢測(cè)速度，并且可以量化檢測(cè)結(jié)果。其缺點(diǎn)為檢測(cè)的精度不高，并且易受光照等環(huán)境的影響；3)漫散射光接收法。其優(yōu)點(diǎn)為疵病定位精確；缺點(diǎn)是不能精確反應(yīng)疵病大?。?)衍射光強(qiáng)法。其優(yōu)點(diǎn)為誤差較小；缺點(diǎn)是只針對(duì)特定形貌的疵病；5)激光頻譜法。其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度較高；但只針對(duì)特定形狀的疵病進(jìn)行檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提出一種后放大數(shù)字全息顯微表面微小疵病測(cè)量裝置及方法。采用短相干光源，通過(guò)斜入射的方式，獲得光學(xué)元件表面微小疵病的散射光信息，并與參考光束發(fā)生干涉；然后通過(guò)后放大的方式放大干涉圖像信息并通過(guò)CXD攝像機(jī)接收。最終通過(guò)數(shù)字全息原理計(jì)算分析表面微小疵病的形貌以及深度分布的量化信息。本發(fā)明裝置和方法主要用于實(shí)現(xiàn)光滑的光學(xué)元件表面微小疵病的檢測(cè)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種后放大數(shù)字全息顯微表面微小疵病測(cè)量裝置，包括激光器、凸透鏡、第一分光棱鏡、參考鏡、顯微物鏡和CCD攝像機(jī)；所述凸透鏡、第一分光棱鏡和參考鏡的水平中心軸與激光器所發(fā)出的光束的中心軸在同一條水平直線上；待測(cè)工件的待檢測(cè)位置、第一分光棱鏡、顯微物鏡和(XD攝像機(jī)在同一條豎直線上,且和激光器所發(fā)出的光束的中心軸相交于分光棱鏡的中心點(diǎn)；激光器、凸透鏡和第一分光棱鏡的豎直中心軸相互平行；第一分光棱鏡、顯微物鏡和CXD攝像機(jī)的水平中心軸相互平行。作為一種優(yōu)選方式，本裝置還包括反射鏡和第二分光棱鏡；所述凸透鏡和第一分光棱鏡的水平中心軸與激光器所發(fā)出的光束的中心軸在同一條水平直線上；反射鏡、待測(cè)工件的待檢測(cè)位置、第二分光棱鏡、顯微物鏡和CCD攝像機(jī)的水平中心軸與測(cè)量光束的中心軸在同一條水平直線上；反射鏡與水平軸成45°放置；激光器、凸透鏡、第一分光棱鏡、待測(cè)工件、第二分光棱鏡、顯微物鏡和CXD攝像機(jī)的豎直中心軸相互平行。上述激光器發(fā)出的光均為短相干光源，以抑制系統(tǒng)中的雜散光。一種后放大數(shù)字全息顯微表面微小疵病測(cè)量方法，包括如下步驟:
調(diào)節(jié)待測(cè)工件，使其充分靠近第一分光棱鏡；調(diào)節(jié)參考鏡，使其與第一分光棱鏡的距離與待測(cè)工件與第一分光棱鏡的距離相等，調(diào)節(jié)顯微物鏡，使其充分靠近第一分光棱鏡；調(diào)節(jié)CCD攝像機(jī)的位置，使得CCD攝像機(jī)的接收面位于顯微物鏡的共軛面上；激光器發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)凸透鏡變成平行光束，該平行光束再通過(guò)第一分光棱鏡分成兩束光，一束為測(cè)量光束，一束為參考光束，測(cè)量光束與參考光束成小于5°的夾角；測(cè)量光束通過(guò)待測(cè)工件的反射，再次通過(guò)第一分光棱鏡；參考光束經(jīng)過(guò)參考鏡反射，再次通過(guò)第一分光棱鏡；通過(guò)待測(cè)工件反射的測(cè)量光束和通過(guò)平面反射鏡反射的參考光束在第一分光棱鏡處相遇發(fā)生干涉；干涉光經(jīng)過(guò)顯微物鏡后照射到C XD攝像機(jī)上，得到一定光強(qiáng)的干涉圖樣。作為一種優(yōu)選方式，本方法還包括如下步驟:調(diào)節(jié)待測(cè)工件，使其充分靠近第二分光棱鏡；調(diào)節(jié)反射鏡，使參考光束與測(cè)量光束成小于5°的夾角；激光器發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)凸透鏡變成平行光束，該平行光束通過(guò)第一分光棱鏡分成兩束光束，一束為測(cè)量光束，一束為參考光束；測(cè)量光束經(jīng)過(guò)反射鏡反射，透過(guò)待測(cè)工件后照射到第二分光棱鏡上；參考光束經(jīng)過(guò)參考鏡反射，照射到第二分光棱鏡上；測(cè)量光束和參考光束在第二分光棱鏡處相遇發(fā)生干涉，該干涉光束通過(guò)顯微物鏡之后照射到CXD攝像機(jī)上，得到一定光強(qiáng)的干涉圖樣。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的進(jìn)步:
本發(fā)明的裝置可以抑制光學(xué)元件內(nèi)部的散射光，保證只接收來(lái)自表面疵病的散射光，提高了信號(hào)的信噪比；裝置中采用了短相干光源，可以抑制系統(tǒng)中的雜散光；可以通過(guò)采集單幅圖像經(jīng)過(guò)相關(guān)的處理獲得表面疵病的深度和相位信息；信號(hào)處理上，采用數(shù)字全息算法，可以獲得缺陷在深度方向形貌分布的定量信息；由于灰塵和表面疵病中的凹陷呈現(xiàn)的位相不同，因此可以區(qū)分光學(xué)元件表面的灰塵和凹陷；對(duì)于有一定角度的光學(xué)元件的前后表面，可以用基于頻譜分析的方法分離前后表面的缺陷；能夠動(dòng)態(tài)快速的測(cè)量，適合于生產(chǎn)線上的測(cè)量；通過(guò)使用不同倍率的顯微物鏡，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)元件表面不同分辨率的疵病進(jìn)行測(cè)量，可以測(cè)量光學(xué)元件的表面微小疵病。該發(fā)明裝置提出采用平行光照射和離軸全息技術(shù)，并構(gòu)成后放大數(shù)字全息記錄系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)表面微小疵病檢測(cè)的方法，動(dòng)態(tài)性能好，并具有非破壞性和信息量化性。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1測(cè)量裝置的光路結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例2測(cè)量裝置的光路結(jié)構(gòu)圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例1測(cè)量方法的流程圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施例2測(cè)量方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。實(shí)施例1
如圖1所示，一種后放大數(shù)字全息顯微表面微小疵病測(cè)量裝置，包括激光器1、凸透鏡
2、第一分光棱鏡3、參考鏡5、顯微物鏡6和(XD攝像機(jī)7 ;所述凸透鏡2、第一分光棱鏡3和參考鏡5的水平中心軸與激光器I所發(fā)出的光束的中心軸在同一條水平直線上；待測(cè)工件4的待檢測(cè)位置、第一分光棱鏡3、顯微物鏡6和CXD攝像機(jī)7在同一條豎直線上，且和激光器所發(fā)出的光束的中心軸相交于分光棱鏡的中心點(diǎn)；激光器1、凸透鏡2和第一分光棱鏡3的豎直中心軸相互平行；第一分光棱鏡3、顯微物鏡6和CXD攝像機(jī)7的水平中心軸相互平行。如圖3所示，一種后放大數(shù)字全息顯微表面微小疵病測(cè)量方法，包括如下步驟: 調(diào)節(jié)待測(cè)工件4，使其充分靠近第一分光棱鏡3 ;調(diào)節(jié)參考鏡5，使其與第一分光棱鏡3
的距離與待測(cè)工件4與第一分光棱 鏡3的距離相等，調(diào)節(jié)顯微物鏡6，使其充分靠近第一分光棱鏡3 ;調(diào)節(jié)CXD攝像機(jī)7的位置，使得CXD攝像機(jī)7的接收面位于顯微物鏡6的共軛面上；激光器I發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)凸透鏡2變成平行光束，該平行光束再通過(guò)第一分光棱鏡3分成兩束光，一束為測(cè)量光束，一束為參考光束，測(cè)量光束與參考光束成小于5°的夾角；測(cè)量光束通過(guò)待測(cè)工件4的反射，再次通過(guò)第一分光棱鏡3 ;參考光束經(jīng)過(guò)參考鏡5反射，再次通過(guò)第一分光棱鏡3 ;通過(guò)待測(cè)工件4反射的測(cè)量光束和通過(guò)參考鏡5反射的參考光束在第一分光棱鏡3處相遇發(fā)生干涉；干涉光經(jīng)過(guò)顯微物鏡6后照射到CXD攝像機(jī)7上，得到一定光強(qiáng)的干涉圖樣。實(shí)施例2
本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于:
如圖2所示，本裝置還包括反射鏡8和第二分光棱鏡9 ;所述凸透鏡2和第一分光棱鏡3的水平中心軸與激光器I所發(fā)出的光束的中心軸在同一條水平直線上；反射鏡8、待測(cè)工件4的待檢測(cè)位置、第二分光棱鏡9、顯微物鏡6和CXD攝像機(jī)7的水平中心軸與測(cè)量光束的中心軸在同一條水平直線上；反射鏡8與水平軸成45°放置；激光器1、凸透鏡2、第一分光棱鏡3、待測(cè)工件4、第二分光棱鏡9、顯微物鏡6和CXD攝像機(jī)7的豎直中心軸相互平行。如圖4所示，本方法還包括以下步驟:調(diào)節(jié)待測(cè)工件4，使其充分靠近第二分光棱鏡9 ;調(diào)節(jié)參考鏡5，使參考光束與測(cè)量光束成小于5°的夾角；激光器I發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)凸透鏡2變成平行光束,該平行光束通過(guò)第一分光棱鏡3分成兩束光束,一束為測(cè)量光束,一束為參考光束；測(cè)量光束經(jīng)過(guò)反射鏡8反射，透過(guò)待測(cè)工件4后照射到第二分光棱鏡9上；參考光束經(jīng)過(guò)參考鏡5反射，照射到第二分光棱鏡9上；測(cè)量光束和參考光束在第二分光棱鏡9處相遇發(fā)生干涉，該干涉光束通過(guò)顯微物鏡6之后照射到CXD攝像機(jī)7上，得到一定光強(qiáng)的干涉圖 樣。
權(quán)利要求
1.一種后放大數(shù)字全息顯微表面微小疵病測(cè)量裝置，其特征在于，包括激光器(I)、凸透鏡(2 )、第一分光棱鏡(3 )、參考鏡(5 )、顯微物鏡(6 )和CXD攝像機(jī)(7 );所述凸透鏡(2 )、第一分光棱鏡(3)和參考鏡(5)的水平中心軸與激光器(I)所發(fā)出的光束的中心軸在同一條水平直線上；待測(cè)工件(4)的待檢測(cè)位置、第一分光棱鏡(3)、顯微物鏡(6)和CXD攝像機(jī)(7)在同一條豎直線上，且和激光器所發(fā)出的光束的中心軸相交于分光棱鏡的中心點(diǎn)；激光器(I)、凸透鏡(2)和第一分光棱鏡(3)的豎直中心軸相互平行；第一分光棱鏡(3)、顯微物鏡(6)和CXD攝像機(jī)(7)的水平中心軸相互平行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的后放大數(shù)字全息顯微表面微小疵病測(cè)量裝置，其特征在于，還包括反射鏡(8)和第二分光棱鏡(9);所述凸透鏡(2)和第一分光棱鏡(3)的水平中心軸與激光器(I)所發(fā)出的光束的中心軸在同一條水平直線上；反射鏡(8)、待測(cè)工件(4)的待檢測(cè)位置、第二分光棱鏡(9)、顯微物鏡(6)和CXD攝像機(jī)(7)的水平中心軸與測(cè)量光束的中心軸在同一條水平直線上；反射鏡(8)與水平軸成45° ;激光器(I)、凸透鏡(2)、第一分光棱鏡(3 )、待測(cè)工件(4)、第二分光棱鏡(9 )、顯微物鏡(6 )和CXD攝像機(jī)(7 )的豎直中心軸相互平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的后放大數(shù)字全息顯微表面微小疵病測(cè)量裝置，其特征在于，所述激光器(I)發(fā)出的光均為短相干光源，以抑制系統(tǒng)中的雜散光。
4.一種后放大數(shù)字全息顯微表面微小疵病測(cè)量方法，其特征在于，包括如下步驟: 調(diào)節(jié)待測(cè)工件(4)，使其充分靠近第一分光棱鏡(3);調(diào)節(jié)參考鏡(5)，使其與第一分光棱鏡(3)的距離與待測(cè)工件(4)與第一分光棱鏡(3)的距離相等，調(diào)節(jié)顯微物鏡(6)，使其充分靠近第一分光棱鏡(3);調(diào)節(jié)CXD攝像機(jī)(7)的位置，使得CXD攝像機(jī)(7)的接收面位于顯微物鏡(6)的共軛面上；激光器(I)發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)凸透鏡(2)變成平行光束，該平行光束再通過(guò)第一分光棱鏡(3)分成兩束光，一束為測(cè)量光束，一束為參考光束，測(cè)量光束與參考光束成小于5°的夾角；測(cè)量光束通過(guò)待測(cè)工件(4)的反射，再次通過(guò)第一分光棱鏡(3);參考光束經(jīng)過(guò)參考鏡(5)反射，再次通過(guò)第一分光棱鏡(3);通過(guò)待測(cè)工件(4)反射的測(cè)量光束和通過(guò)參考鏡(5)反射的參考光束在第一分光棱鏡(3)處相遇發(fā)生干涉；干涉光經(jīng)過(guò)顯微物鏡(6)后照射到CXD攝像機(jī)(7)上，得到一定光強(qiáng)的干涉圖樣。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的后放大數(shù)字全息顯微表面微小疵病測(cè)量方法，其特征在于，還包括如下步驟:調(diào)節(jié)待測(cè)工件(4)，使其充分靠近第二分光棱鏡(9);調(diào)節(jié)參考鏡(5)，使參考光束與測(cè)量光束成小于5°的夾角；激光器(I)發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)凸透鏡(2)變成平行光束，該平行光束通過(guò)第一分光棱鏡(3)分成兩束光束，一束為測(cè)量光束，一束為參考光束；測(cè)量光束經(jīng)過(guò)反射鏡(8)反射，透過(guò)待測(cè)工件(4)后照射到第二分光棱鏡(9)上；參考光束經(jīng)過(guò)參考鏡(5)反射，照射到第二分光棱鏡(9)上；測(cè)量光束和參考光束在第二分光棱鏡(9)處相遇發(fā)生干涉 ，該干涉光束通過(guò)顯微物鏡(6)之后照射到CXD攝像機(jī)(7)上，得到一定光強(qiáng)的干涉圖樣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種后放大數(shù)字全息顯微表面微小疵病測(cè)量方法及裝置。本發(fā)明采用短相干光源，通過(guò)斜入射的方式，獲得光學(xué)元件表面微小疵病的散射光信息，并與參考光束發(fā)生干涉；然后通過(guò)后放大的方式放大干涉圖像信息并通過(guò)CCD相機(jī)接收，最終通過(guò)數(shù)字全息原理計(jì)算分析表面微小疵病的形貌以及深度分布的量化信息。本發(fā)明裝置主要用于實(shí)現(xiàn)光滑的光學(xué)元件表面微小疵病的檢測(cè)。該檢測(cè)裝置可以通過(guò)采集單幅圖像經(jīng)過(guò)相關(guān)的處理獲得表面疵病的深度和相位信息；可以區(qū)分光學(xué)元件表面的灰塵和凹陷；能夠動(dòng)態(tài)快速的測(cè)量。該發(fā)明裝置提出采用平行光照射和離軸全息技術(shù)，并構(gòu)成后放大數(shù)字全息記錄系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)性能好，并具有非破壞性和信息量化性的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B9/021GK103226001SQ201310131080
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2013年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月16日
發(fā)明者于瀛潔, 涂橋, 伍小燕, 周文靜 申請(qǐng)人:上海大學(xué)