[发明专利]基于偏振自相关的暗场共焦显微测量装置和方法

说明书

本发明公开了一种基于偏振自相关的暗场共焦显微测量装置和方法，装置包括偏振环形光照明模块、偏振环形光扫描模块和共焦检偏探测模块；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，实现兼具表面及亚表面缺陷一体化检测功能；同时利用样品结构不对称性对不同方向单波矢照明光场激励产生极性散射和相邻观测点自相关累积量差异，实现超分辨测量。该发明具有可实现纳米级亚表面三维缺陷检测的优点。

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基于偏振自相关的暗场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，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，如何实现复杂样品结构检测，同时提高样品检测适用性宽、深度定位精度和检测效率是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于偏振自相关的暗场共焦显微测量装置和方法，通过照明光束整形与互补孔径遮挡探测，能够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。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于偏振自相关的暗场共焦显微测量装置，包括：偏振环形光照明模块、偏振环形光扫描模块和共焦检偏探测模块；

所述偏振环形光照明模块按照光束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；

所述偏振环形光扫描模块按照光束传播方向依次包括：二维扫描振镜、扫描透镜、管镜、物镜和样品，光束在样品表面发生反射，反射光束原路返回至所述二维扫描振镜；由二维扫描振镜反射的所述反射光束，经半反半透膜反射后进入所述共焦检偏探测模块。

所述共焦检偏探测模块按照光束传播方向依次包括：光阑、偏振片二、聚焦透镜、针孔和相机；所述光阑接收所述半反半透膜反射的所述反射光束。

优选的，所述偏振片一的偏振方向进行360°方位角度旋转控制，每次旋转的角度为360°/N，通过调整所述偏振片一的偏振方向获得不同线偏振态的线偏振光束，令不同线偏振态的线偏振光束照明所述样品；所述偏振片二的偏振方向与所述偏振片一的所述偏振方向相匹配。

优选的，所述凹面锥透镜前后表面的底角α相同；通过对所述底角α与所述凹面锥透镜厚度d的调整，将通过所述偏振片一的所述线偏振光束整形为线偏振环形光后传输至所述物镜，充满所述物镜的入瞳，所述线偏振环形光束的外径与所述入瞳相匹配，满足对所述样品的暗场观察需求。

优选的，所述扫描透镜工作面置于所述管镜的前焦面处。

优选的，所述光阑的孔径与所述凹面锥透镜所产生的所述环形光孔径严格互补匹配；所述光阑完全遮挡来自所述样品的反射光束，携带有所述样品信息的散射光束进入所述共焦检偏探测模块，进入所述共焦检偏探测模块的所述光阑及后续光路，有效分离来自所述样品的反射信号与散射信号。