[发明专利]表面及亚表面一体化共焦显微测量装置和方法

说明书

本发明公开了表面及亚表面一体化共焦显微测量装置和方法，装置包括环形光照明模块、环形光扫描模块、暗场共焦探测模块和反射共焦探测模块；环形光照明模块包括激光器、扩束镜、偏振片一、凹面锥透镜和半反半透膜一；环形光扫描模块包括二维扫描振镜、扫描透镜、管镜、物镜和待测样品；暗场共焦探测模块包括半反半透膜二、光阑、偏振片二、聚焦透镜一、针孔一和相机一；反射共焦探测模块包括偏振片三、聚焦透镜二、针孔二和相机二。本发明通过照明光束整形与互补孔径遮挡探测，有效分离样品表面反射信号与亚表面散射信号，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。

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表面及亚表面一体化共焦显微测量装置和方法。

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。

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。且目前国内外尚无设备能够同时实现表面形貌测量和亚表面缺陷检测这两种功能。

因此，如何提供一种表面及亚表面一体化共焦显微测量装置是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种表面及亚表面一体化共焦显微测量装置及方法，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。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

表面及亚表面一体化共焦显微测量装置，包括环形光照明模块、环形光扫描模块、暗场共焦探测模块和反射共焦探测模块；

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、凹面锥透镜和半反半透膜一；

所述环形光扫描模块按照光线传播方向依次包括：二维扫描振镜、扫描透镜、管镜、物镜和待测样品；

所述暗场共焦探测模块按照光线传播方向依次包括：半反半透膜二、光阑、偏振片二、聚焦透镜一、针孔一和相机一；

所述反射共焦探测模块按照光线传播方向依次包括：偏振片三、聚焦透镜二、针孔二和相机二。

进一步，所述凹面锥透镜用于将线偏振高斯光束整形为线偏振环形光束，所述凹面锥透镜的前后表面底角α相同，且所述凹面锥透镜的厚度d满足整形后的所述线偏振环形光束充满物镜的入瞳，实现对样品的暗场观察需求。

进一步，所述光阑的孔径与所述线偏振环形光束的内径相同。

进一步，所述扫描透镜的工作面位于所述管镜的前焦面处。

表面及亚表面一体化共焦显微测量方法，包括以下具体步骤：

步骤一、激光器所发平行激光光束，通过扩束镜放大所述平行激光光束直径，经过偏振片一变为线偏振高斯光束，经过凹面锥透镜后，所述线偏振高斯光束整形为线偏振环形光束，所述线偏振环形光束通过半反半透膜一透射、二维扫描振镜反射和扫描透镜聚焦至管镜前焦面处，所述管镜产生环形平行光束入射至物镜，在待测样品上形成聚焦光斑，实现对所述待测样品的环形光照明；