CN108827981A - 超光滑光学元件表面缺陷类型的检测系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超光滑光学元件表面缺陷类型的检测系统及其测量方法。通过研究表面上方微粒、亚表面缺陷和表面粗糙度的BRDFpp在给定入射角、散射角下随着散射方位角变化的仿真结果，本发明提供一种光学元件表面缺陷类型检测系统及方法，在一定的偏振态下测量不同的散射方位角，研究其特性参数，以达到区分疵病类型的作用。本发明采用的技术方案包括激光器，激光器的光轴上依次设置有衰减片、扩束准直镜、斩波器和反射镜；所述的斩波器上连接有控制器；反射镜的斜下方设置有超光滑光学元件，光电探测器设置于超光滑光学元件的斜上方，光电探测器与锁相放大器连接；所述的锁相放大器与记录仪连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种超光滑光学元件表面缺陷类型的检测系统及其测量方法。
背景技术
随着科学技术的飞速发展，特别是激光技术的迅猛发展，对光学薄膜表面微粗糙度和内部缺陷引起的光散射损耗愈来愈受到人们的关注。从而对光学元件的表面加工以及高质量光学薄膜的制备都提出了越来越高的要求；人们在采用镀膜技术来增加光学元件的透过率或反射率的同时发现，光学元件基底材料的表面加工精度以及光学薄膜的制备工艺等对光学元件控制光束行为的能力都有一定的影响。
光入射到材料表面就会与材料表面发生相互作用，进而使散射光的偏振态发生变化，散射光偏振态的变化与材料自身的介电常数、材料表面的微粗糙度、表面结构等因素有着密切的关系。双向反射分布函数(BRDF)可以表征介质表面对散射光偏振态的影响，包含了介质对散射光偏振的多种信息，如相位延迟、偏振能力和衰减等，所以通过对散射光偏振态的了解，就可以得到被测件的有用信息。对检测表面上方微粒、亚表面缺陷和表面粗糙度具有十分重要的意义。研究发现利用P偏振入射光产生的P偏振散射光(BRDFpp)可以将表面上方微粒、亚表面缺陷、表面微粗糙度这三种散射机理进行有效区分。
发明内容
有鉴于此，提供一种超光滑光学元件表面缺陷类型的检测系统及其测量方法。
为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种超光滑光学元件表面缺陷类型的检测系统，包括激光器，其特征在于：还包括超光滑光学元件、光电探测器、锁相放大器、控制器、记录仪；所述的激光器的光轴上依次设置有衰减片、扩束准直镜、斩波器和反射镜；所述的斩波器上连接有控制器；反射镜的斜下方设置有超光滑光学元件，光电探测器设置于超光滑光学元件的斜上方，光电探测器与锁相放大器连接；所述的锁相放大器与记录仪连接；
所述的反射镜的入射光束入射在超光滑光学元件上的入射角为60°，散射角为45°；两个光电探测器的空间摆放角度的散射方位角36°、72°，另外一个摆放在反射方向，即散射角为60°，对应的散射方位角为0°。
所述的超光滑光学元件设置于旋转台上，旋转台上连接有驱动器。
所述的锁相放大器设置有3个，光电探测器与锁相放大器个数相同，控制器与锁相放大器之间设置有信号分流器，光电探测器的探测范围与激光器的波长范围相匹配。
所述激光器的光波波长在170nm～2600nm之间，激光器数量不限于单个。
所述衰减片的透过率为50％；其透过率依据激光器的实际功率进行调整。
所述超光滑光学元件表面精度小于0.5nmRMS。
所述旋转台的旋转角度为-180°～+180°。
一种光学元件表面缺陷类型检测系统的检测方法，其特征在于：所述的测量方法的步骤包括：
步骤一：激光器发出的光束入射在衰减片上，减小激光的功率，并将光束通过扩束准直镜，减小光线的发散角；
步骤二：通过斩波器一方面将来自扩束准直镜的激光光线调制成光信号，另一方面通过控制器产生一个具有相位差的参考信号，通过信号分流器接入到锁相放大器中；
步骤三：移动反射镜，使光线以60°的入射角入射在超光滑光学元件表面，光电探测器将其变换为电信号；通过检偏器与会聚镜，使光能量更加集中的进入光电探测器中；
步骤四：将光电探测器组变换的电信号送入所对应的锁相放大器的输入信号端口；与步骤2中的参考信号保持一致；
步骤五：锁相放大器在调制频率上对有用信号进行选频放大，滤除其他频率的信号，并利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出电压与输入电压保持固定的相位差值，并通过记录仪观察分析结果。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1)本发明是在对光学元件的检测过程中，仅仅利用一种装置就可以区分和诊断表面上方微粒、亚表面缺陷和表面微粗糙度，无需使用繁琐的过程来进行逐个区分,方便测量；
2)本发明既能分辨光学元件表面疵病的类型，又能实现表面粗糙度的测量，利用相关的散射仪即图2中的探测器，在反射方向上测量粗糙度值的大小，实现光学元件表面疵病的识别和表面粗糙度的测量的同步进行。
3)本发明将光与电充分结合起来，使用多个电子器件将由光信号转化产生的电信号进行去噪、滤波和放大等，使得探测得到的结果更加精确，保证了光学元件表面缺陷类型测试的准确性。
附图说明
图1为本发明为光学元件表面缺陷类型检测系统及方法检测装置示意图；
图2为光电探测器位置示意图；
图3入射角为60°，散射角为45°时，表面上方微粒的BRDFpp与散射方位角之间的变化关系图；
图4入射角为60°，散射角为45°时，亚表面缺陷的BRDFpp与散射方位角之间的变化关系图；
图5入射角为60°，散射角为45°时，表面微粗糙度缺陷的BRDFpp与散射方位角之间的变化关系图；
图中：1、激光器；2、衰减片；3、扩束准直镜；4、斩波器；5、控制器；
6、反射镜；7、光电探测器组；8、超光滑光学元件；9、锁相放大器组；10、旋转台；11、控制器；12、信号分流器；13记录仪；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的作用原理如下：
对表面上方微粒、亚表面缺陷和表面微粗糙度三种疵病对应的琼斯矩阵散射矩阵可得知，无论是哪一种表面疵病引起的散射，对于偏振因子qss(S偏振入射光产生的S偏振散射光)、qsp(S偏振入射光产生的P偏振散射光)、qps(P偏振入射光产生的S偏振散射光),它们都存在一个相同的函数项，所以不能对这三种不同散射机理引起的散射光进行有效分离，而偏振因子qpp对于三种表面缺陷均不存在相同项，它们之间存在着本质上的区别，所以可以利用这三种缺陷的BRDFpp之间的不同将它们进行有效区分。
BRDFpp随着散射方位角变化时，表面上方微粒、亚表面缺陷、表面微粗糙度之间有着明显的区别，从而在理论上可以将三者明显区分。通过分析图3、图4、图5，我们可以得到在入射角为60°，散射角为45°时，表面上方微粒的BRDFpp会随着散射方位角的增加而增加)；亚表面缺陷引起的BRDFpp会存在一个极小值，对应的散射方位角约为72°；表面微粗糙度引起的BRDFpp也会存在一个极小值，对应的散射方位角约为36°。为了将这三种缺陷进行有效的区分，我们就可以充分利用上述结果。
参见图2：激光通过扩束准直得到平行光，然后经过起偏系统得到偏振光，散射光经过检偏系统，经光功率计得到偏振信息。如果探测器1(所对应的方位角为36°)和探测器2(所对应的方位角为72°)均测得对应的光强值，就可以判断对应的缺陷应为表面上方微粒；如果探测器1测得了一个数值(方位角为36°存在一个数值)，而探测器2却测得一个极小值(在72°测得一个极小值)，则可判定为亚表面缺陷；若探测器1测得的光强值极小(方位角为36°测得的值极小)，但探测器2却得到一个光强值(在72°却得到一个光强值)，则可判定为表面微粗糙度。粗糙度的大小可以在反射方向上通过散射仪检测得到。
本发明提供一种超光滑光学元件表面缺陷类型的检测系统(参见图1)，包括激光器1，超光滑光学元件8、光电探测器7、锁相放大器9、控制器5、记录仪13；所述的激光器1的光轴上依次设置有衰减片2、扩束准直镜3、斩波器4和反射镜6；所述的斩波器4上连接有控制器5；
所述的锁相放大器9设置有3个，光电探测器7与锁相放大器9个数相同，控制器5与锁相放大器9之间设置有信号分流器12，光电探测器7的探测范围与激光器1的波长范围相匹配。
反射镜6的斜下方设置有超光滑光学元件8，所述的反射镜6的入射光束入射在超光滑光学元件8上的入射角为60°，散射角为45°；所述的超光滑光学元件8设置于旋转台10上，旋转台10上连接有驱动器11；光电探测器7设置于超光滑光学元件8的斜上方，两个光电探测器的空间摆放角度的散射方位角36°、72°，另外一个摆放在反射方向，即散射角为60°；光电探测器7与锁相放大器9连接；所述的锁相放大器9与记录仪13连接。
所述激光器为整个系统提供光源，利用衰减片减弱激光的功率，并结合扩束准直镜减小光束的发散角，激光器1的光波波长在170nm～2600nm之间，激光器数量不限于单个，所述衰减片2的透过率为50％；其透过率可依据激光器的实际功率进行调整。
所述超光滑光学元件8表面精度小于0.5nmRMS。
所述旋转台10的旋转角度为-180°～+180°。
所述光电探测器与锁相放大器相连接，用于接收超光滑光学元件表面的散射光，并将散射光信号变换为电信号。
所述光电探测器探头之前放置偏振镜、会聚镜，使探测器更加集中的接收入射散射光。
所述锁相放大器9利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪。
所述的斩波器可以调整不同的转速，将直流信号调制为交流信号。
所述探测器摆放的方位角为0°、36°、72°。
本发明在校准过程中，应提前测试光电探测器件的响应特性。
所述的锁相环的频率范围与光束的频率范围要相匹配。
一种光学元件表面缺陷类型检测系统的检测方法，的步骤包括：
步骤一：激光器1发出的光束入射在衰减片2上，减小激光的功率，并将光束通过扩束准直镜3，减小光线的发散角；
步骤二：通过斩波器4一方面将来自扩束准直镜3的激光光线调制一定频率的调制光信号，另一方面通过控制器5产生一个具有一定相位差的参考信号，通过信号分流器12接入到锁相放大器9中；
步骤三：移动反射镜6，使光线以60°的入射角入射在超光滑光学元件8表面，同时在反射方向和散射方向的某一个角度放置光电探测器，光电探测器7将其变换为电信号；光电探测器探头之前安装有检偏器与会聚镜，通过检偏器与会聚镜，使光能量更加集中的进入光电探测器7中；
步骤四：将光电探测器组7变换的电信号送入所对应的锁相放大器9的输入信号端口；与步骤2中的参考信号保持一致；
步骤五：锁相放大器9在调制频率上对有用信号进行选频放大，滤除其他频率的信号，提高检测精度；并利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出电压与输入电压保持固定的相位差值，并通过记录仪13观察分析结果。
本发明利用锁相放大器的输出幅值和频率，可以定性定量分析出光学元件表面的缺陷类型。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种超光滑光学元件表面缺陷类型的检测系统，包括激光器（1），其特征在于：还包括超光滑光学元件（8）、光电探测器（7）、锁相放大器（9）、控制器（5）、记录仪（13）；所述的激光器（1）的光轴上依次设置有衰减片（2）、扩束准直镜（3）、斩波器（4）和反射镜（6）；所述的斩波器（4）上连接有控制器（5）；反射镜（6）的斜下方设置有超光滑光学元件（8），光电探测器（7）设置于超光滑光学元件（8）的斜上方，光电探测器（7）与锁相放大器（9）连接；所述的锁相放大器（9）与记录仪（13）连接；
所述的反射镜（6）的入射光束入射在超光滑光学元件上的入射角为60°，散射角为45°；两个光电探测器的空间摆放角度的散射方位角36°、72°，另外一个摆放在反射方向，即散射角为60°，对应的散射方位角为0°。
2.根据权利要求1所述的超光滑光学元件表面缺陷类型的检测系统，其特征在于：所述的超光滑光学元件（8）设置于旋转台（10）上，旋转台（10）上连接有驱动器（11）。
3.根据权利要求1或2所述的超光滑光学元件表面缺陷类型的检测系统，其特征在于：所述的锁相放大器（9）设置有3个，光电探测器（7）与锁相放大器（9）个数相同，控制器（5）与锁相放大器（9）之间设置有信号分流器（12），光电探测器（7）的探测范围与激光器（1）的波长范围相匹配。
4.根据权利要求3所述的超光滑光学元件表面缺陷类型的检测系统，其特征在于：所述激光器（1）的光波波长在170nm~2600nm之间，激光器数量不限于单个。
5.根据权利要求4所述的超光滑光学元件表面缺陷类型的检测系统，其特征在于：所述衰减片（2）的透过率为50%；其透过率依据激光器的实际功率进行调整。
6.根据权利要求5所述的超光滑光学元件表面缺陷类型的检测系统，其特征在于：所述超光滑光学元件（8）表面精度小于0.5nmRMS。
7.根据权利要求6所述的超光滑光学元件表面缺陷类型的检测系统，其特征在于：所述旋转台（10）的旋转角度为。
8.根据权利要求1所述的一种光学元件表面缺陷类型检测系统的检测方法，其特征在于：所述的测量方法的步骤包括：
步骤一：激光器（1）发出的光束入射在衰减片（2）上，减小激光的功率，并将光束通过扩束准直镜（3），减小光线的发散角；
步骤二：通过斩波器（4）一方面将来自扩束准直镜（3）的激光光线调制成光信号，另一方面通过控制器（5）产生一个具有相位差的参考信号，通过信号分流器（12）接入到锁相放大器（9）中；
步骤三：移动反射镜（6），使光线以60°的入射角入射在超光滑光学元件（8）表面，光电探测器（7）将其变换为电信号；通过检偏器与会聚镜，使光能量更加集中的进入光电探测器（7）中；
步骤四：将光电探测器组（7）变换的电信号送入所对应的锁相放大器（9）的输入信号端口；与步骤2中的参考信号保持一致；
步骤五：锁相放大器（9）在调制频率上对有用信号进行选频放大，滤除其他频率的信号，并利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出电压与输入电压保持固定的相位差值，并通过记录仪（13）观察分析结果。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20181116 |