[发明专利]大口径光学元件表面缺陷三维形貌测量装置和方法

说明书

一种大口径光学元件表面缺陷三维形貌测量装置和方法。该装置主要包括瞬态干涉测量系统、俯仰偏摆姿态调节机构、激光位移传感器、XYZ精密位移平台、大口径平面光学元件、样品夹持装置、样品调平机构、计算机和隔振平台。本发明对大口径光学元件表面缺陷三维形貌能实现全口径快速扫描测量，深度测量分辨率达到亚纳米量级；能够准确识别区分表面缺陷的类型，提升了测量结果的可靠性。

技术领域

本发明涉及光学元件表面缺陷检测，特别是一种大口径光学元件表面缺陷三维形貌的测量装置和方法。

背景技术

随着现代加工技术的快速发展，精密光学元件越来越广泛地应用于诸如高功率激光系统、红外夜视微光成像系统、航空镜头、半导体加工制造以及光刻设备等国防军工和民用领域。这些领域对元件表面缺陷有非常严格的技术要求。在加工、运输和使用过程中产生的划痕、麻点、开口气泡和崩边等表面缺陷随机分布在光学元件表面，对光学元件的工作性能有严重影响。如在高功率激光装置中，一方面，表面缺陷对入射光产生散射，导致激光能量损耗与光束质量降低；另一方面，表面缺陷的深度对入射激光远场光强分布产生严重调制。在一定范围内，划痕深度越大，其在远场产生的调制光强极值越大，光束横向空间分布越不均匀，导致局部光场增强，使元件本身及其下游元件遭到损伤的概率大大增加，对整个系统的正常运转与功能实现形成巨大威胁。因此，必须对元件表面缺陷进行精确检测，为元件后续的加工工艺改进提供指导建议。目前，国内外对大口径光学元件表面缺陷的检测方法主要包括目视法、显微散射暗场成像法等。目视法主要是在暗室环境中用强光手电照射元件表面，由检验员观察缺陷产生的散射光来完成缺陷横向尺寸检测。目视检测结果极易受到检验员生理或心理状态的影响，具有主观性强、分辨率低、无法精确量化和可靠性低等缺点，而且不能测量缺陷纵向深度。

基于机器视觉的显微散射暗场成像技术(参考文献[1]Liu D,Yang Y,Wang L,etal.Microscopic scattering imaging measurement and digital evaluation systemof defects for fine optical surface[J].Optics Communications,2007,278(2):240-246.)利用环形光源以一定的角度斜入射到待测元件表面，若元件表面没有缺陷，光束在表面形成镜面反射，没有光进入成像系统被CCD接收，成像面得到暗背景。反之，表面缺陷对入射光产生散射，部分散射光通过成像系统被CCD接收，在成像面得到暗背景亮像。该技术能够较好的检测划痕、麻点等表面缺陷的二维形貌，但其还不能准确区分划痕和纤维、灰尘和麻点。此外，精密光学元件表面缺陷深度通常在几十纳米到百纳米，该方法无法准确测量其深度。

其他仪器，如光学轮廓仪、原子力显微镜和隧道扫描显微镜(参考文献[2]GomezS,Hale K,Burrows J,et al.Measurements of surface defects on opticalcomponents[J].Measurement Science and Technology,1998,9(4):607-616.)等，能够对表面缺陷的横向尺寸和纵向深度实现精确测量，但测量范围比较小，需要事先借助人眼或放大镜等辅助设备观察，并在表面缺陷区域附近做好标记，然后才能测量分析。整个过程较繁琐、耗时较长、而且容易对元件产生污染和新的损伤。因此，这类仪器一般适用于局部表面形貌分析，无法实现全口径测量，而且仪器价格昂贵。

发明内容

为解决大口径光学元件表面缺陷三维形貌全口径测量，并有效区分划痕和纤维、麻点和灰尘等不同类型缺陷的问题，本发明提供一种大口径光学元件表面缺陷三维形貌测量装置和方法。该装置对大口径光学元件表面缺陷三维形貌能实现全口径快速扫描测量，深度测量分辨率达到亚纳米量级；能够准确识别区分表面缺陷的类型，提升了测量结果的可靠性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：