精密表面缺陷散射三維顯微成像裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種精密表面缺陷散射三維顯微成像裝置。本發(fā)明包括光源、光束準(zhǔn)直系統(tǒng)、光柵、移相壓電陶瓷、移相驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、投影物鏡、偏振分光鏡、顯微物鏡、Z向掃描壓電陶瓷、Z向掃描驅(qū)動(dòng)器、待測樣品、成像透鏡、探測器和計(jì)算機(jī)；光柵置于電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)中心，移相壓電陶瓷通過移相驅(qū)動(dòng)器與計(jì)算機(jī)相連接，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與計(jì)算機(jī)相連接，Z向掃描壓電陶瓷通過Z向掃描驅(qū)動(dòng)器與計(jì)算機(jī)相連接；光源、光束準(zhǔn)直系統(tǒng)、光柵、投影物鏡、偏振分光鏡、顯微物鏡以及待測樣品在條紋投影照明光路中順序排列。本發(fā)明解決了普通顯微鏡無法獲取疵病深度的問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)精密表面缺陷的暗場三維顯微成像。
【專利說明】精密表面缺陷散射三維顯微成像裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于精密元件表面疵病檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種精密表面缺陷散射三 維顯微成像裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 在精密元件表面質(zhì)量的評(píng)價(jià)中，有三個(gè)主要的參數(shù)：面形、粗糙度和表面疵病。精 密元件的表面面形、粗糙度等相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)可以利用當(dāng)今非常成熟的數(shù)字化干涉儀 和輪廓儀來進(jìn)行檢測并得以控制：通過光干涉獲取光程差可以得到宏觀口徑內(nèi)的面形三維 圖；而粗糙度的干涉檢測只需獲取局部的統(tǒng)計(jì)信息，并獲取微觀三維形貌。表面疵病是指在 元件加工各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的形狀尺寸各異的劃痕、麻點(diǎn)等微觀量缺陷，其影響光學(xué)元件的美 觀和功能。在光學(xué)的工業(yè)生產(chǎn)中，例如眼鏡、手機(jī)屏幕、相機(jī)鏡頭等，由于表面疵病影響產(chǎn)品 的美觀、使用和質(zhì)量，需要進(jìn)行疵病檢測。在高功率激光器中，表面疵病缺陷的長度、寬度和 深度等幾何結(jié)構(gòu)的空間三維結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)光學(xué)元件抗強(qiáng)激光的損傷閾值起著非常重要的作 用，是提高大功率激光器高通量輸出的瓶頸。大量研究表明，表面疵病對(duì)經(jīng)過元件的強(qiáng)激光 光束造成不同程度的散射或衍射，引起透鏡的非線性調(diào)制或發(fā)熱，是導(dǎo)致光學(xué)元件抗損傷 能力下降的重要因素之一，隨著光學(xué)元件上高通量的激光輻射次數(shù)的增多，光學(xué)元件的損 傷會(huì)急劇增加，最終將徹底破裂。并且由于疵病的散射作用，將使通過光學(xué)元件的激光光束 耗去大量的能量，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的成敗。故而，必須對(duì)光學(xué)元件表面缺陷進(jìn)行嚴(yán)格控 制。
[0003] 對(duì)表面疵病進(jìn)行控制，首要任務(wù)就是對(duì)口徑內(nèi)的各孤立缺陷（長度可能是幾mm? 幾十_、寬度和深度一般是幾μ m?幾十μ m)實(shí)現(xiàn)定量、定位檢測。而普通顯微鏡僅可以 獲取物體的二維圖像，即疵病的長度和寬度，對(duì)于深度信息則無法獲取，為此可以考慮將能 夠?qū)崿F(xiàn)微觀輪廓三維成像的結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡技術(shù)引入到精密表面的缺陷檢測中。
[0004] 傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡利用光柵生成結(jié)構(gòu)光照明被測樣品，通過顯微物鏡和成 像透鏡組成的顯微成像系統(tǒng)將對(duì)焦平面的光強(qiáng)信息成像到探測器像面上，再利用對(duì)結(jié)構(gòu)光 相位的三步移相以及相應(yīng)的數(shù)字圖像處理算法獲得被測樣品對(duì)焦平面上的斷層信息，獲取 不同對(duì)焦平面的斷層信息后最終可以得到被測樣品的三維輪廓。目前結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡主 要用于對(duì)微小生物體的熒光檢測以及粗糙表面的微觀輪廓檢測，而在精密光滑表面的檢測 中，探測器所接收到來自缺陷處的光線主要是散射光，而來自光滑表面的光線主要是反射 光。由于光滑表面的反射率較高導(dǎo)致背景亮度過高，而作為缺陷檢測信息重要來源的散射 光強(qiáng)度又沒有相應(yīng)的增加，所以傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡用于精密光滑表面缺陷檢測的信背 比和信噪比也會(huì)相應(yīng)地降低很多。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種精密表面缺陷散射三維顯微成像 裝直。
[0006] 精密表面缺陷散射三維顯微成像裝置包括光源、光束準(zhǔn)直系統(tǒng)、光柵、移相壓電陶 瓷、移相驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、投影物鏡、偏振分光鏡、顯微物鏡、Z向掃描 壓電陶瓷、Z向掃描驅(qū)動(dòng)器、待測樣品、成像透鏡、探測器和計(jì)算機(jī)；其中，光柵置于內(nèi)部安 裝有壓電陶瓷的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)中心，移相壓電陶瓷通過移相驅(qū)動(dòng)器與計(jì)算機(jī)相連接，電動(dòng)旋 轉(zhuǎn)臺(tái)通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與計(jì)算機(jī)相連接，Z向掃描壓電陶瓷通過Z向掃描驅(qū)動(dòng)器與計(jì)算 機(jī)相連接；光源、光束準(zhǔn)直系統(tǒng)、光柵、投影物鏡、偏振分光鏡、顯微物鏡以及待測樣品在條 紋投影照明光路中順序排列；待測樣品、顯微物鏡、偏振分光鏡、成像透鏡和探測器在顯微 成像光路中順序排列。
[0007] 所述偏振分光鏡的消光比Tp: Ts > 1000:1 ;
[0008] 其中，Tp為p光透射穿過偏振分光鏡時(shí)的透過率，Ts為s光透射穿過偏振分光鏡 時(shí)的透過率。同時(shí)s光入射到偏振分光鏡中心界面時(shí)的反射率R s > 99. 5%。
[0009] 所述光源為窄帶光譜LED或激光器，其出射的光束經(jīng)過光束準(zhǔn)直系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷捒?徑平行光垂直入射到光柵上。
[0010] 所述光柵為振幅型正弦光柵，其柵距d具體如下：
[0011]

【權(quán)利要求】
1. 精密表面缺陷散射三維顯微成像裝置，其特征在于包括光源、光束準(zhǔn)直系統(tǒng)、光柵、 移相壓電陶瓷、移相驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、投影物鏡、偏振分光鏡、顯微物 鏡、Z向掃描壓電陶瓷、Z向掃描驅(qū)動(dòng)器、待測樣品、成像透鏡、探測器和計(jì)算機(jī)；其中，光柵 置于內(nèi)部安裝有壓電陶瓷的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)中心，移相壓電陶瓷通過移相驅(qū)動(dòng)器與計(jì)算機(jī)相連 接，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與計(jì)算機(jī)相連接，Z向掃描壓電陶瓷通過Z向掃描驅(qū)動(dòng) 器與計(jì)算機(jī)相連接；光源、光束準(zhǔn)直系統(tǒng)、光柵、投影物鏡、偏振分光鏡、顯微物鏡以及待測 樣品在條紋投影照明光路中順序排列；待測樣品、顯微物鏡、偏振分光鏡、成像透鏡和探測 器在顯微成像光路中順序排列。
2. 如權(quán)利要求1所述的精密表面缺陷散射三維顯微成像裝置，其特征在于所述偏振分 光鏡的消光比TP:T S> 1000:1 ; 其中，τρ為p光透射穿過偏振分光鏡時(shí)的透過率，Ts為S光透射穿過偏振分光鏡時(shí)的 透過率；同時(shí)s光入射到偏振分光鏡中心界面時(shí)的反射率Rs > 99. 5%。
3. 如權(quán)利要求1所述的精密表面缺陷散射三維顯微成像裝置，其特征在于所述光源為 窄帶光譜LED或激光器，其出射的光束經(jīng)過光束準(zhǔn)直系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷捒趶狡叫泄獯怪比肷涞?光柵上。
4. 如權(quán)利要求1所述的精密表面缺陷散射三維顯微成像裝置，其特征在于所述光柵位 于投影物鏡的物方焦平面，待測樣品位于顯微物鏡的物方焦平面，探測器位于成像透鏡的 像方焦平面；光柵為振幅型正弦光柵，其柵距d具體如下：
其中NA為顯微物鏡的數(shù)值孔徑，λ為光源的出射光波長。
5. 如權(quán)利要求1所述的精密表面缺陷散射三維顯微成像裝置，其特征在于所述的移相 壓電陶瓷通過移相驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)其上所加載的電壓，從而改變光柵的相位采集三幅移相圖像 進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)單一光柵旋轉(zhuǎn)角度的精密表面缺陷散射快速三維顯微成像檢測。
6. 如權(quán)利要求1所述的精密表面缺陷散射三維顯微成像裝置，其特征在于所述的移相 壓電陶瓷通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器多次改變電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度，同時(shí)移相驅(qū)動(dòng)器控制移相 壓電陶瓷對(duì)光柵移相獲得對(duì)應(yīng)角度的三幅移相圖像，利用傅里葉頻譜分析和處理實(shí)現(xiàn)多光 柵旋轉(zhuǎn)角度的精密表面缺陷散射超分辨三維顯微成像檢測。
【文檔編號(hào)】G01N21/88GK104062233SQ201410294723
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】楊甬英, 劉 東, 凌曈, 李璐, 岳秀梅 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)