[发明专利]一种横向差动暗场共焦显微测量装置及其方法

说明书

本发明公开了一种横向差动暗场共焦显微测量装置及其方法，其装置包括环形光照明模块、环形光扫描模块和差动共焦探测模块；通过照明光束整形与互补孔径遮挡探测，有效分离样品反射信号与散射信号，获取纳米级亚表面裂痕、气泡等缺陷的三维分布信息；通过差动共焦探测，提高了测量系统横向的灵敏度、线性和信噪比，可显著抑制环境状态差异、光源光强波动和探测器电气漂移等引起的共模噪声。

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横向差动暗场共焦显微测量装置及其方法。

背景技术

高性能光学元件及微机电元件是现代高端装备的核心组成部分，为保障其加工质量和服役可靠性需要对其进行表面形貌测量和亚表面缺陷检测，目前国内外尚无设备能够同时实现上述功能。

国内外现有表面形貌无损测量技术主要包括：共焦显微测量技术、白光干涉显微测量技术和变焦显微测量技术。其中共焦显微测量技术相比于另外两种技术具有测量样品适用性宽、可以测量复杂样品结构的特点，因而在工业检测领域广泛应用。亚表面缺陷无损检测技术主要包括：激光调制散射技术，全内反射显微技术，光学相干层析技术，高频扫描声学显微技术，X射线显微成像技术。其普遍存在深度定位精度不高、信噪比低、检测效率不高，检测样品受限等不足。

因此，如何提供一种测量精度高的横向差动暗场共焦显微测量装置及其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，本发明提供了一种横向差动暗场共焦显微测量装置及其方法，可同时获取纳米级表面划痕、磨损及亚表面裂痕、气泡等缺陷的三维分布信息，兼具表面及亚表面缺陷一体化检测功能，解决了现有技术中的各测量技术所存在的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种横向差动暗场共焦显微测量装置，包括：环形光照明模块、环形光扫描模块和差动共焦探测模块；

所述环形光照明模块按照光线传播方向依次包括：激光器、扩束镜、偏振片一、偏振分光膜、四分之一波片、锥透镜和平面反射镜；

所述环形光扫描模块按照光线传播方向依次包括：半反半透膜一、二维扫描振镜、扫描透镜、管镜和物镜；

所述差动共焦探测模块包括：半反半透膜二和探测光路；所述探测光路包括透射光路单元和反射光路单元；

所述透射光路单元按照光线传播方向依次包括：光阑一、偏振片二、聚焦透镜一、针孔一和相机一；所述反射光路单元按照光线传播方向依次包括：光阑二、偏振片三、聚焦透镜二、针孔二和相机二；

其中所述偏振分光膜与所述半反半透膜一对应设置，所述半反半透膜一和所述半反半透膜二对应设置；

从所述偏振分光膜反射的光束经过所述半反半透膜一进行反射和透射；经过所述半反半透膜一透射的光束再次经过所述半反半透膜二进行反射和透射。

优选的，所述锥透镜与所述平面反射镜的组合将高斯光束整形为内外径可调节的环形光，放置于所述锥透镜光路前端的所述扩束镜用以调整环形光的内径，所述扩束镜输出光斑直径越大，环形光的厚度越大，内径越小；环形光外径大小依赖所述锥透镜与所述平面反射镜的距离，相对距离越长，外径越大；高斯光束整形为环形光后的外径与所述物镜的入瞳相匹配。

优选的，所述扫描透镜工作面设置于所述管镜的前焦面处。

优选的，待测样品设置于所述物镜的前方，环形光入射至所述物镜后在所述待测样品上聚焦。

优选的，所述光阑一和所述光阑二的孔径与环形光内径互补匹配，所述光阑一和所述光阑二完全遮挡来自所述待测样品的反射光束，仅允许携带所述待测样品信息的散射光进入所述探测光路。

优选的，在透射光路单元中，透射光束聚焦于焦平面处，且处于焦平面中心位置的左侧，被针孔一遮挡过滤后的光束被相机一收集；