[发明专利]一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置及方法

说明书

一种基于结构光照明频域拓展原理的光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置，包括激光光源、准直透镜、声光调制器、空间滤波器、偏振控制模块、反射镜、光阑、空间光调制器、透镜、遮光板、全息衍射片、分光镜、显微物镜、面阵探测器以及可实现声光调制器、偏振方向控制器、空间光调制器、面阵探测器同步的控制系统。同时，本发明还公开了一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测方法，解决了现有激光干涉结构光照明散斑噪声强、成像调制度各向异性的问题，能够自动进行照明光方向与相位同步切换、偏振态实时匹配，提高了系统稳定性，无需对样品特殊处理或添加荧光剂即可实现光学元器件表面缺陷或微结构的超衍射极限尺度快速测量。

技术领域

本发明属于光学元件表面缺陷检测领域，具体涉及一种光学元件表面缺陷高分辨自动检测装置及方法。

背景技术

随着先进激光技术的飞速发展，激光器也朝着更高功率、更高能量的方向进步，人们对光学元件在该类极端条件下的抗损伤性能提出了更高的要求。现有研究表明，光学元件制造过程中产生的表面微纳尺度缺陷是影响其抗损伤性能的根本原因。如何实现微纳缺陷的有效抑制成为了超精密制造和抗激光损伤领域凾待解决的一个重要科学问题。而检测作为超精密制造的眼睛，是实现微纳缺陷有效抑制的核心前提。目前用于光学元件表面缺陷检测的方法主要有显微镜法、光学散射法、干涉法、激光共焦法等。受阿贝-瑞利衍射极限的限制，这些传统方法只能实现衍射极限尺度内的缺陷检测。现有检测分辨率的不足直接限制了光学元件超精密制造水平的进一步提高，影响了缺陷抑制和表面加工工艺的升级换代。自二十世纪末，物理学界多项打破衍射极限获取高分辨成像的尝试都获得了很大的突破。研究人员先后发展了多种高分辨显微成像技术，如：AFM、SNOM(Scanning Near-fieldOptical Microscopy)、SEM、受激发射损耗(stimulated emission depletion,STED)显微镜，结构光照明显微镜(structured illumination microscopy,SIM)，随机光学重构显微镜(stochastic optical reconstruction microscopy,STORM)及光激活定位显微镜(photoactivated localization microscopy,PALM)等。AFM与SNOM具有超高空间分辨率(AFM1nm，SNOM约几十纳米)，但检测效率极低，工作距很短，应用于光学元件检测难度极大。而SEM通常只适用于金属材质元件表面形貌检测，对于光学元件需进行喷金等手段处理，会带来侵入性污染，不适用于精密光学元件表面缺陷检测。其他高分辨成像技术(如受激发射损耗显微、随机光学重构显微及光激活定位显微等)都需要进行荧光标记，只适用于生物医学成像领域。直到Littleton等人提出基于结构光照明的高分辨显微技术，通过使用结构光照明将高频信息编码到低频区域后以扩展光学显微系统的频谱范围，获取更高频率成份的信息，可实现不借助荧光分子标记就能突破衍射极限，同时还具有宽场成像及三维层析成像的优点。

基于结构光照明的高分辨显微技术早期是通过在照明光路中加入正弦光栅，利用衍射生成的±1级光在样品面干涉产生结构照明光，但在基于光栅产生结构光照明的系统中，必须转动与移动光栅来获得不同照明方向不同相位的样品图像，这种机械运动装置会降低系统的稳定性，影响高分辨成像效果。

发明专利201110448980.8公开了一种基于数字微镜器件的高速结构照明光学显微系统及方法，利用数字微镜器件DMD加载不同照明方向不同相位的条纹图像，再通过显微系统微缩到样品上实现结构光照明，避免了机械运动，提高了系统稳定性。但该方法采用直接条纹投影产生的照明条纹调制度相比双光束干涉大幅降低，不适合光学元件玻璃等透明材料，影响了相位估算准确性与高分辨图像重构效果。另外其采用的非相干LED光源具有一定带宽，会导致在高分辨图像重构中引入伪影。