[發(fā)明專利]一種軸向差動暗場共焦顯微測量裝置及其方法

有效

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• 申請日: 2020-01-18
• 公開（公告）號: CN111239153B
• 公開（公告）日: 2023-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉儉;劉辰光;劉婧;姜勇;陳剛
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學;南京恒銳精密儀器有限公司;江蘇銳精光電研究院有限公司
• 主分類號: G01N21/95
• 分類號: G01N21/95;G01N21/88;G01N21/01;G01B11/25
• 代理公司: 北京慕達星云知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 符繼超

本發(fā)明公開了一種軸向差動暗場共焦顯微測量裝置及其方法，其裝置包括環(huán)形光照明模塊、環(huán)形光掃描模塊和差動共焦探測模塊；通過照明光束整形與互補孔徑遮擋探測，有效分離樣品反射信號與散射信號，獲取納米級亞表面裂痕、氣泡等缺陷的三維分布信息；通過差動共焦探測，提高了測量系統(tǒng)軸向的靈敏度、線性和信噪比，可顯著抑制環(huán)境狀態(tài)差異、光源光強波動和探測器電氣漂移等引起的共模噪聲。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學精密測量技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說是涉及一種軸向差動暗場共焦顯微測量裝置及其方法。

背景技術(shù)

高性能光學元件及微機電元件是現(xiàn)代高端裝備的核心組成部分，為保障其加工質(zhì)量和服役可靠性需要對其進行表面形貌測量和亞表面缺陷檢測，目前國內(nèi)外尚無設(shè)備能夠同時實現(xiàn)上述功能。

國內(nèi)外現(xiàn)有表面形貌無損測量技術(shù)主要包括：共焦顯微測量技術(shù)、白光干涉顯微測量技術(shù)和變焦顯微測量技術(shù)。其中共焦顯微測量技術(shù)相比于另外兩種技術(shù)具有測量樣品適用性寬、可以測量復雜樣品結(jié)構(gòu)的特點，因而在工業(yè)檢測領(lǐng)域廣泛應用。亞表面缺陷無損檢測技術(shù)主要包括：激光調(diào)制散射技術(shù)，全內(nèi)反射顯微技術(shù)，光學相干層析技術(shù)，高頻掃描聲學顯微技術(shù)，X射線顯微成像技術(shù)。其普遍存在深度定位精度不高、信噪比低、檢測效率不高，檢測樣品受限等不足。

因此，如何提供一種測量精度高的軸向差動暗場共焦顯微測量裝置及其方法是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種軸向差動暗場共焦顯微測量裝置及其方法，可同時獲取納米級表面劃痕、磨損及亞表面裂痕、氣泡等缺陷的三維分布信息，兼具表面及亞表面缺陷一體化檢測功能，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的各測量技術(shù)所存在的缺陷。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種軸向差動暗場共焦顯微測量裝置，包括：環(huán)形光照明模塊、環(huán)形光掃描模塊和差動共焦探測模塊；

所述環(huán)形光照明模塊按照光線傳播方向依次包括：激光器、擴束鏡、偏振片一、偏振分光膜、四分之一波片、錐透鏡和平面反射鏡；

所述環(huán)形光掃描模塊按照光線傳播方向依次包括：半反半透膜一、二維掃描振鏡、掃描透鏡、管鏡和物鏡；

所述差動共焦探測模塊包括：半反半透膜二和探測光路；所述探測光路包括透射光路單元和反射光路單元；

所述透射光路單元按照光線傳播方向依次包括：光闌一、偏振片二、聚焦透鏡一、針孔一和相機一；所述反射光路單元按照光線傳播方向依次包括：光闌二、偏振片三、聚焦透鏡二、針孔二和相機二；

其中所述偏振分光膜與所述半反半透膜一對應設(shè)置，所述半反半透膜一和所述半反半透膜二對應設(shè)置；

從所述偏振分光膜反射的光束經(jīng)過所述半反半透膜一進行反射和透射；經(jīng)過所述半反半透膜一透射的光束再次經(jīng)過所述半反半透膜二進行反射和透射。

優(yōu)選的，所述錐透鏡與所述平面反射鏡的組合將高斯光束整形為內(nèi)外徑可調(diào)節(jié)的環(huán)形光，放置于所述錐透鏡光路前端的所述擴束鏡用以調(diào)整環(huán)形光的內(nèi)徑，所述擴束鏡輸出光斑直徑越大，環(huán)形光的厚度越大，內(nèi)徑越小；環(huán)形光外徑大小依賴所述錐透鏡與所述平面反射鏡的距離，相對距離越長，外徑越大；高斯光束整形為環(huán)形光后的外徑與所述物鏡的入瞳相匹配。

優(yōu)選的，所述掃描透鏡工作面設(shè)置于所述管鏡的前焦面處。

優(yōu)選的，待測樣品設(shè)置于所述物鏡的前方，環(huán)形光入射至所述物鏡后在所述待測樣品上聚焦。

優(yōu)選的，所述光闌一和所述光闌二的孔徑與環(huán)形光內(nèi)徑互補匹配，所述光闌一和所述光闌二完全遮擋來自所述待測樣品的反射光束，僅允許攜帶所述待測樣品信息的散射光進入所述探測光路。

優(yōu)選的，在所述透射光路單元中，透射光束被聚焦至遠離焦平面處，穿過針孔一被相機一收集；