CN109580640A - 一种环形光式暗场共焦亚表面无损检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种环形光式暗场共焦亚表面无损检测装置和方法，属于光学精密测量技术领域。点光源发出的光依次经过准直镜、环形光发生器、分光棱镜和物镜，物镜将激光汇聚至待测样品，载有待测样品信息的反射光和散射光依次经过物镜和分光棱镜，入射至探测互补光阑，反射光被探测互补光阑遮挡，散射光依次经过探测互补光阑、收集透镜和探测针孔，最终入射至光电探测器，从而完成对亚表面的检测。本发明采用环形光束照明，结合探测互补光阑实现暗场共焦，解决了普通共焦显微技术检测亚表面损伤信噪比低的问题，适用于亚表面无损检测。
Description
技术领域
本发明涉及光学精密测量技术领域，更具体的说是涉及一种环形光式暗场共焦亚表面无损检测装置和方法。
背景技术
随着现代科学技术的迅速发展，光学材料得到了广泛的应用，特别是航空航天、国防、军工、信息、微电子与光电子等尖端科学方面成为一种不可缺少的重要材料。光学元件的应用日益广泛，对光学元件的表面质量提出的更高的要求，这就需要光学制造业具备超精密加工水平，尽可能保证光学元件的表面粗糙度和面型精度。光学元件的加工一般分为磨削、研磨和抛光阶段。磨削和研磨是光学元件成形加工，基本满足光学元件的面形尺寸和粗糙度；在成形加工过程中，工件材料的去除主要是脆性碎裂，因而材料的去除率高。在这个阶段加工元件不可避免的引入了裂纹、划痕和杂质等亚表层损伤。光学元件亚表层损伤不但影响了光学元件的长期稳定性、镀膜质量和面形精度，而且直接降低了光学系统的使用寿命、成像质量和抗激光损伤阈值等。
在强激光照射下，光学元件中存在的裂纹会引起光场强化，加工过程中引入的划痕会在材料内部形成集中的电磁场分布，容易引起自聚焦、电子崩离等，亚表层损伤中的杂质对激光能量的强烈吸收会造成局部高温，形成热应力，引起材料拉裂或者破碎。另外，光学元件的损伤点尺寸会随着照射数量的增加呈指数增长，并且产生强烈的散射和光束调制，从而严重影响光束的能量集中度，降低以至于丧失光学系统的性能。光学元件抗激光损伤能力低下已经成为拟制点光源提高能量密度的重要阻碍，所以研究缺陷诱导损伤，如何采用新的元件加工工艺以提高工作阈值是非常紧迫的任务。
普通共焦显微系统是利用光波散射的原理，根据散射光信号的强度分布来反映光学元件亚表层的缺陷信息。然而由于光学材料表面反射信号远远强于亚表面散射信号，导致信噪比降低，从而使测量精度降低甚至不可测。
因此，如何研究出一种环形光式暗场共焦亚表面无损检测装置和方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种环形光式暗场共焦亚表面无损检测装置和方法，解决了普通共焦显微系统检测亚表面损伤时反射光与散射光混叠导致信噪比降低的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种环形光式暗场共焦亚表面无损检测装置，包括：照明系统和探测系统；
所述照明系统包括点光源、准直镜、环形光发生器、分光棱镜和物镜；
所述点光源发出的光线依次经过所述准直镜、所述环形光发生器和分光棱镜，所述分光棱镜产生分光棱镜反射光和透射光，所述透射光透射至所述物镜，最终光线聚焦至待测样品上；
所述探测系统包括物镜、分光棱镜、探测互补光阑、收集透镜、探测针孔、光电探测器；其中所述照明系统和探测系统共用分光棱镜和物镜；
所述分光棱镜反射光入射至所述探测互补光阑；
所述待测样品上产生样品反射光和散射光，所述样品反射光和所述散射光依次经所述物镜、所述分光棱镜、所述探测互补光阑、所述收集透镜和所述探测针孔入射至所述光电探测器。
优选的，所述环形光发生器为二元光学元件。
优选的，所述环形光发生器用于将平行光整形为环形光，完成被测点照明。
优选的，所述探测互补光阑用于遮挡反射光，透过散射光。
一种环形光式暗场共焦亚表面无损检测方法，包括以下步骤：
步骤a、所述点光源发出的光线经过所述准直镜，形成平行光，平行光经过所述环形光发生器后形成环形光，环形光经由所述分光棱镜产生分光棱镜反射光和透射光；
步骤b、所述透射光由所述物镜聚焦至待测样品上，所述待测样品对光进行散射和反射形成散射光和样品反射光，所述散射光和所述样品反射光经所述物镜透射至所述分光棱镜后，与所述分光棱镜反射光一同入射至所述探测互补光阑上，所述分光棱镜反射光和所述样品反射光被探测互补光阑遮挡，散射光入射至所述探测互补光阑后，经所述收集透镜、所述探测针孔入射至所述光电探测器，完成亚表面检测。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种一种环形光式暗场共焦亚表面无损检测装置及其方法，适用于检测光学元件亚表面损伤，具有以下技术效果：
1、设计简单，在普通共焦显微系统的基础上容易改造，使用方便；
2、本发明采用二元光学元件环形光发生器，将平行光中心光束移至外环，提高了光能利用率，从而能够提高信噪比；
3、本发明在探测端加入探测互补光阑，与二元光学元件配对形成暗场，遮挡反射光，透过散射光，从而分离反射光和散射光，提高信噪比，解决了普通共焦显微系统检测亚表面损伤时反射光与散射光混叠导致信噪比降低的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的原理图；
其中1-点光源、2-准直镜、3-遮挡式环形光发生器、4-分光棱镜、5-物镜、6-待测样品、7-探测互补光阑、8-收集透镜、9-探测针孔、10-光电探测器；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种环形光式暗场共焦亚表面无损检测装置，包括：照明系统和探测系统；
照明系统包括点光源1、准直镜2、环形光发生器3、分光棱镜4和物镜5；
点光源1发出的光线依次经过准直镜2、环形光发生器3和分光棱镜4，分光棱镜4产生分光棱镜反射光和透射光，透射光透射至物镜5，最终光线聚焦至待测样品6上；
探测系统包括物镜5、分光棱镜4、探测互补光阑7、收集透镜8、探测针孔9、光电探测器10；其中照明系统和探测系统共用分光棱镜4和物镜5；
分光棱镜反射光入射至探测互补光阑7；
待测样品6上产生样品反射光和散射光，样品反射光和散射光依次经物镜5、分光棱镜4、探测互补光阑7、收集透镜8和探测针孔9入射至光电探测器10。
更进一步地，环形光发生器3为二元光学元件。
更进一步地，环形光发生器3用于将平行光整形为环形光，完成被测点照明。
更进一步地，探测互补光阑7用于遮挡反射光，透过散射光。
一种环形光式暗场共焦亚表面无损检测方法，包括以下步骤：
步骤a、点光源1发出的光线经过准直镜2，形成平行光，平行光经过环形光发生器3后形成环形光，环形光经由分光棱镜4产生分光棱镜反射光和透射光；
步骤b、透射光由物镜5聚焦至待测样品6上，待测样品6对光进行散射和反射形成散射光和样品反射光，散射光和样品反射光经物镜5透射至分光棱镜4后，与分光棱镜反射光一同入射至探测互补光阑7上，分光棱镜反射光和样品反射光被探测互补光阑7遮挡，散射光入射至探测互补光阑7后，经收集透镜8、探测针孔9入射至光电探测器10，完成亚表面检测。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (5)
1.一种环形光式暗场共焦亚表面无损检测装置，其特征在于，包括：照明系统和探测系统；
所述照明系统包括点光源(1)、准直镜(2)、环形光发生器(3)、分光棱镜(4)和物镜(5)；
所述点光源(1)发出的光线依次经过所述准直镜(2)、所述环形光发生器(3)和分光棱镜(4)，所述分光棱镜(4)产生分光棱镜反射光和透射光，所述透射光透射至所述物镜(5)，最终光线聚焦至待测样品(6)上；
所述探测系统包括物镜(5)、分光棱镜(4)、探测互补光阑(7)、收集透镜(8)、探测针孔(9)、光电探测器(10)；其中所述照明系统和探测系统共用分光棱镜(4)和物镜(5)；
所述分光棱镜反射光入射至所述探测互补光阑(7)；
所述待测样品(6)上产生样品反射光和散射光，所述样品反射光和所述散射光依次经所述物镜(5)、所述分光棱镜(4)、所述探测互补光阑(7)、所述收集透镜(8)和所述探测针孔(9)入射至所述光电探测器(10)。
2.根据权利要求1所述的一种环形光式暗场共焦亚表面无损检测装置，其特征在于，所述环形光发生器(3)为二元光学元件。
3.根据权利要求1所述的一种环形光式暗场共焦亚表面无损检测装置，其特征在于，所述环形光发生器(3)用于将平行光整形为环形光，完成被测点照明。
4.根据权利要求1所述的一种环形光式暗场共焦亚表面无损检测装置，其特征在于，所述探测互补光阑(7)用于遮挡反射光，透过散射光。
5.根据权利要求1所述的一种环形光式暗场共焦亚表面无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、所述点光源(1)发出的光线经过所述准直镜(2)，形成平行光，平行光经过所述环形光发生器(3)后形成环形光，环形光经由所述分光棱镜(4)产生分光棱镜反射光和透射光；
步骤b、所述透射光由所述物镜(5)聚焦至待测样品(6)上，所述待测样品(6)对光进行散射和反射形成散射光和样品反射光，所述散射光和所述样品反射光经所述物镜(5)透射至所述分光棱镜(4)后，与所述分光棱镜反射光一同入射至所述探测互补光阑(7)上，所述分光棱镜反射光和所述样品反射光被探测互补光阑(7)遮挡，散射光入射至所述探测互补光阑(7)后，经所述收集透镜(8)、所述探测针孔(9)入射至所述光电探测器(10)，完成亚表面检测。
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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 | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190405 |