[发明专利]后放大数字全息显微表面微小疵病测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种后放大数字全息显微表面微小疵病测量装置及方法。

背景技术

对精密光学元件表面的加工质量评估，主要包括面形检测、表面粗糙度检测、表面波纹度检测以及表面疵病检测等四个主要方面。面形偏差是指欲加工的面形与实际面形之间的差别，其横向尺度在毫米量级，属于宏观尺度的偏差，通常采用被测波面与标准波面叠加所形成的干涉条纹进行反演，从而得到这一偏差。表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和峰谷值的微观结构，对精密光学元件表面而言，横向尺度一般在亚微米量级以下。虽然从横向尺度上来看，粗糙度属于微观尺度的偏差，但由于其在整个加工表面的各个区域的分布是连续且均匀的，故可通过干涉显微镜、原子力显微镜、扫描隧道显微镜等微观形貌检测仪器在被检表面的不同区域采样后平均得到。波纹度与粗糙度类似，也是在整个元件表面连续且均匀分布的结构，只是其横向尺度介于面型偏差与表面粗糙度之间。

所谓表面疵病，既不同于面型误差的宏观分布，也不同于表面粗糙度的均匀的微观分布，而是在整个加工表面这一宏观尺度上随机分布的，离散的微观几何结构特征。正是由于表面疵病结构横向尺度在微米、亚微米量级，但却离散的随机分布在厘米、甚至分米量级的表面范围内，故精密光学元件表面的疵病检测一直以来都是一个较难解决的问题。

光学元件表面疵病用于改善加工工艺的一个重大课题，近年来得到了国内外学者的重视和研究。目前的检测方式包括：1）目视法，是一种较为传统，且目前仍在很多地方被大量使用的一种方法，是所有成像法检测疵病的基础。由于人眼的高度自适应的光学成像和探测性能、大脑的强大后端处理性能以及手、眼及身体配合的这样的复杂机械结构，使目视法具有很强的灵活性和可操作性。但是这种方法的缺点也是显而易见的：人的主观性因素，无法量化检测疵病尺寸，检测速度较慢，人工成本较高且观察者需要培训等；2）滤波成像法，与目视法的原理是完全一致的，唯一的不同在于用光学传感器阵列替代了人眼，从而消除了人眼判断的主观性，提高了检测速度，并且可以量化检测结果。其缺点为检测的精度不高，并且易受光照等环境的影响；3）漫散射光接收法。其优点为疵病定位精确；缺点是不能精确反应疵病大小；4）衍射光强法。其优点为误差较小；缺点是只针对特定形貌的疵病；5）激光频谱法。其优点是灵敏度较高；但只针对特定形状的疵病进行检测。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种后放大数字全息显微表面微小疵病测量装置及方法。采用短相干光源，通过斜入射的方式，获得光学元件表面微小疵病的散射光信息，并与参考光束发生干涉；然后通过后放大的方式放大干涉图像信息并通过CCD摄像机接收。最终通过数字全息原理计算分析表面微小疵病的形貌以及深度分布的量化信息。本发明装置和方法主要用于实现光滑的光学元件表面微小疵病的检测。

为达到上述目的，本发明通过如下技术方案实现：

一种后放大数字全息显微表面微小疵病测量装置，包括激光器、凸透镜、第一分光棱镜、参考镜、显微物镜和CCD摄像机；所述凸透镜、第一分光棱镜和参考镜的水平中心轴与激光器所发出的光束的中心轴在同一条水平直线上；待测工件的待检测位置、第一分光棱镜、显微物镜和CCD摄像机在同一条竖直线上，且和激光器所发出的光束的中心轴相交于分光棱镜的中心点；激光器、凸透镜和第一分光棱镜的竖直中心轴相互平行；第一分光棱镜、显微物镜和CCD摄像机的水平中心轴相互平行。

作为一种优选方式，本装置还包括反射镜和第二分光棱镜；所述凸透镜和第一分光棱镜的水平中心轴与激光器所发出的光束的中心轴在同一条水平直线上；反射镜、待测工件的待检测位置、第二分光棱镜、显微物镜和CCD摄像机的水平中心轴与测量光束的中心轴在同一条水平直线上；反射镜与水平轴成45°放置；激光器、凸透镜、第一分光棱镜、待测工件、第二分光棱镜、显微物镜和CCD摄像机的竖直中心轴相互平行。

上述激光器发出的光均为短相干光源，以抑制系统中的杂散光。

一种后放大数字全息显微表面微小疵病测量方法，包括如下步骤：