精密表面缺陷散射三维显微成像装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种精密表面缺陷散射三维显微成像装置。本发明包括光源、光束准直系统、光栅、移相压电陶瓷、移相驱动器、电动旋转台、伺服电机驱动器、投影物镜、偏振分光镜、显微物镜、Z向扫描压电陶瓷、Z向扫描驱动器、待测样品、成像透镜、探测器和计算机；光栅置于电动旋转台中心，移相压电陶瓷通过移相驱动器与计算机相连接，电动旋转台通过伺服电机驱动器与计算机相连接，Z向扫描压电陶瓷通过Z向扫描驱动器与计算机相连接；光源、光束准直系统、光栅、投影物镜、偏振分光镜、显微物镜以及待测样品在条纹投影照明光路中顺序排列。本发明解决了普通显微镜无法获取疵病深度的问题，实现了对精密表面缺陷的暗场三维显微成像。
【专利说明】精密表面缺陷散射三维显微成像装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于精密元件表面疵病检测【技术领域】，特别涉及一种精密表面缺陷散射三 维显微成像装置。
【背景技术】
[0002] 在精密元件表面质量的评价中，有三个主要的参数：面形、粗糙度和表面疵病。精 密元件的表面面形、粗糙度等相关的关键技术指标可以利用当今非常成熟的数字化干涉仪 和轮廓仪来进行检测并得以控制：通过光干涉获取光程差可以得到宏观口径内的面形三维 图；而粗糙度的干涉检测只需获取局部的统计信息，并获取微观三维形貌。表面疵病是指在 元件加工各个环节产生的形状尺寸各异的划痕、麻点等微观量缺陷，其影响光学元件的美 观和功能。在光学的工业生产中，例如眼镜、手机屏幕、相机镜头等，由于表面疵病影响产品 的美观、使用和质量，需要进行疵病检测。在高功率激光器中，表面疵病缺陷的长度、宽度和 深度等几何结构的空间三维结构参数对光学元件抗强激光的损伤阈值起着非常重要的作 用，是提高大功率激光器高通量输出的瓶颈。大量研究表明，表面疵病对经过元件的强激光 光束造成不同程度的散射或衍射，引起透镜的非线性调制或发热，是导致光学元件抗损伤 能力下降的重要因素之一，随着光学元件上高通量的激光辐射次数的增多，光学元件的损 伤会急剧增加，最终将彻底破裂。并且由于疵病的散射作用，将使通过光学元件的激光光束 耗去大量的能量，直接影响到整个系统的成败。故而，必须对光学元件表面缺陷进行严格控 制。
[0003] 对表面疵病进行控制，首要任务就是对口径内的各孤立缺陷（长度可能是几mm? 几十_、宽度和深度一般是几μ m?几十μ m)实现定量、定位检测。而普通显微镜仅可以 获取物体的二维图像，即疵病的长度和宽度，对于深度信息则无法获取，为此可以考虑将能 够实现微观轮廓三维成像的结构光照明显微镜技术引入到精密表面的缺陷检测中。
[0004] 传统的结构光照明显微镜利用光栅生成结构光照明被测样品，通过显微物镜和成 像透镜组成的显微成像系统将对焦平面的光强信息成像到探测器像面上，再利用对结构光 相位的三步移相以及相应的数字图像处理算法获得被测样品对焦平面上的断层信息，获取 不同对焦平面的断层信息后最终可以得到被测样品的三维轮廓。目前结构光照明显微镜主 要用于对微小生物体的荧光检测以及粗糙表面的微观轮廓检测，而在精密光滑表面的检测 中，探测器所接收到来自缺陷处的光线主要是散射光，而来自光滑表面的光线主要是反射 光。由于光滑表面的反射率较高导致背景亮度过高，而作为缺陷检测信息重要来源的散射 光强度又没有相应的增加，所以传统结构光照明显微镜用于精密光滑表面缺陷检测的信背 比和信噪比也会相应地降低很多。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种精密表面缺陷散射三维显微成像 装直。
[0006] 精密表面缺陷散射三维显微成像装置包括光源、光束准直系统、光栅、移相压电陶 瓷、移相驱动器、电动旋转台、伺服电机驱动器、投影物镜、偏振分光镜、显微物镜、Z向扫描 压电陶瓷、Z向扫描驱动器、待测样品、成像透镜、探测器和计算机；其中，光栅置于内部安 装有压电陶瓷的电动旋转台中心，移相压电陶瓷通过移相驱动器与计算机相连接，电动旋 转台通过伺服电机驱动器与计算机相连接，Z向扫描压电陶瓷通过Z向扫描驱动器与计算 机相连接；光源、光束准直系统、光栅、投影物镜、偏振分光镜、显微物镜以及待测样品在条 纹投影照明光路中顺序排列；待测样品、显微物镜、偏振分光镜、成像透镜和探测器在显微 成像光路中顺序排列。
[0007] 所述偏振分光镜的消光比Tp: Ts > 1000:1 ;
[0008] 其中，Tp为p光透射穿过偏振分光镜时的透过率，Ts为s光透射穿过偏振分光镜 时的透过率。同时s光入射到偏振分光镜中心界面时的反射率R s > 99. 5%。
[0009] 所述光源为窄带光谱LED或激光器，其出射的光束经过光束准直系统转变为宽口 径平行光垂直入射到光栅上。
[0010] 所述光栅为振幅型正弦光栅，其栅距d具体如下：
[0011]
【权利要求】
1. 精密表面缺陷散射三维显微成像装置，其特征在于包括光源、光束准直系统、光栅、 移相压电陶瓷、移相驱动器、电动旋转台、伺服电机驱动器、投影物镜、偏振分光镜、显微物 镜、Z向扫描压电陶瓷、Z向扫描驱动器、待测样品、成像透镜、探测器和计算机；其中，光栅 置于内部安装有压电陶瓷的电动旋转台中心，移相压电陶瓷通过移相驱动器与计算机相连 接，电动旋转台通过伺服电机驱动器与计算机相连接，Z向扫描压电陶瓷通过Z向扫描驱动 器与计算机相连接；光源、光束准直系统、光栅、投影物镜、偏振分光镜、显微物镜以及待测 样品在条纹投影照明光路中顺序排列；待测样品、显微物镜、偏振分光镜、成像透镜和探测 器在显微成像光路中顺序排列。
2. 如权利要求1所述的精密表面缺陷散射三维显微成像装置，其特征在于所述偏振分 光镜的消光比TP:T S> 1000:1 ; 其中，τρ为p光透射穿过偏振分光镜时的透过率，Ts为S光透射穿过偏振分光镜时的 透过率；同时s光入射到偏振分光镜中心界面时的反射率Rs > 99. 5%。
3. 如权利要求1所述的精密表面缺陷散射三维显微成像装置，其特征在于所述光源为 窄带光谱LED或激光器，其出射的光束经过光束准直系统转变为宽口径平行光垂直入射到 光栅上。
4. 如权利要求1所述的精密表面缺陷散射三维显微成像装置，其特征在于所述光栅位 于投影物镜的物方焦平面，待测样品位于显微物镜的物方焦平面，探测器位于成像透镜的 像方焦平面；光栅为振幅型正弦光栅，其栅距d具体如下：
其中NA为显微物镜的数值孔径，λ为光源的出射光波长。
5. 如权利要求1所述的精密表面缺陷散射三维显微成像装置，其特征在于所述的移相 压电陶瓷通过移相驱动器调节其上所加载的电压，从而改变光栅的相位采集三幅移相图像 进行处理，实现单一光栅旋转角度的精密表面缺陷散射快速三维显微成像检测。
6. 如权利要求1所述的精密表面缺陷散射三维显微成像装置，其特征在于所述的移相 压电陶瓷通过伺服电机驱动器多次改变电动旋转台的旋转角度，同时移相驱动器控制移相 压电陶瓷对光栅移相获得对应角度的三幅移相图像，利用傅里叶频谱分析和处理实现多光 栅旋转角度的精密表面缺陷散射超分辨三维显微成像检测。
【文档编号】G01N21/88GK104062233SQ201410294723
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】杨甬英, 刘 东, 凌曈, 李璐, 岳秀梅 申请人:浙江大学