基于矢量偏振光束的差分暗场共焦显微测量装置与方法

1.本发明属于光学精密测量技术领域，主要涉及一种基于矢量偏振光束的差分暗场共焦显微测量装置与方法。通过调整半波片和涡旋波片，分别产生径向偏振信号光和角向偏振信号光，并控制声光调制器将光束调制为脉冲形式，实现在同一周期内，径向偏振信号光和角向偏振信号光交替进行照明，时间占比均为50％。分析径向偏振信号光和角向偏振信号光分别照明下的散射信号差值，可以对亚表面划痕、磨损及亚表面裂痕、气泡等缺陷的三维分布信息进行超分辨检测成像。


背景技术：

2.高性能光学元件及光学材料在精密仪器制造和重大光学工程研究中有着广泛的应用，是光学系统性能的根基，因此对光学元件及光学材料在表面和亚表面中的机械结构、化学成分以及晶格结构缺陷高分辨率精密检测起着重要的作用。其中，光学元件的相位缺陷会导致入射光束在局部形成聚焦光场，使元件局部过热，造成不可逆损伤。
3.暗场共焦显微测量技术具有良好的光学层析能力、较高的成像分辨率以及暗背景带来的较高成像对比度等优势，已成为光学元件无损三维检测的重要手段。普通光学暗场共焦显微测量技术仅能实现样品的几何缺陷检测，如划痕、气泡等，但其成像分辨力不足，难以对尺寸在250nm以下的缺陷实现有效检测。
4.为了更为全面地表征光学元件及材料的缺陷特性，以更准确地实现检测，本发明公开基于矢量偏振光束的差分暗场共焦显微测量装置与方法，在利用矢量偏振束光照明下的暗场共焦获取微结构样品的结构信息和工业光学样品表面划痕、磨损等缺陷信息的同时，利用径向偏振信号光和角向偏振信号光分别照明下的散射信号差值，有效提升横向分辨率，为表面及亚表面缺陷高分辨率检测提供一种手段。


技术实现要素：

5.在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
6.本发明公开了一种基于矢量偏振光束的差分暗场共焦显微测量装置与方法，该装置与方法同现有技术相比，解决了普通暗场共焦技术成像分辨力较低，无法实现微小缺陷有效检测的瓶颈，一定程度提升的成像分辨率。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.本发明提供了一种基于矢量偏振光束的差分暗场共焦显微测量装置，包括矢量偏振照明光产生模块、光束扫描照明模块和差分暗场共焦成像模块；
9.所述矢量偏振照明光产生模块按照光线传播方向依次为：激光器、非偏振分束器一，非偏振分束器一将激光传播路径分为两路：第一路按照光线传播方向依次为：声光调制
器一、直角反射镜一、半波片一、涡旋波片一、直角反射镜二和非偏振分束器二；第二路按照激光光线传播方向依次为：声光调制器二、半波片二、涡旋波片二和非偏振分束器二；非偏振分束器二将第一路和第二路激光光线合束传播至光束扫描照明模块；
10.所述光束扫描照明模块按照光线传播方向依次为：扩束器、孔径光阑、非偏振分束器三、物镜和待测样品，非偏振分束器三将激光光线分为两路，一路经物镜传播至待测样品，另一路传播至差分暗场共焦成像模块；
11.差分暗场共焦成像模块按照光线传播方向依次为：涡旋波片三、偏振片、聚焦透镜、单模光纤和pmt探测器。
12.进一步地：激光器出射线偏振激光，经非偏振分束器一，在每一光场照明周期的前半周期内，由声光调制器一进行调制，此时声光调制器一(3)允许光束通过，声光调制器二(8)阻止光束通过，使得在该时间内只有波片一(5)和涡旋波片一(6)生成的径向偏振光实现照明。通过调整半波片一使得线偏振光的偏振方向和涡旋波片一的0级快轴方向垂直，出射径向偏振光。生成的径向偏振光只在每一周期的前半段实现有效照明。
13.进一步地：激光器出射线偏振激光，经非偏振分束器一，在每一光场照明周期的后半周期内，由声光调制器二进行调制，此时声光调制器二(8)允许光束通过，声光调制器一(3)阻止光束通过，使得在该时间内只有半波片二(9)和涡旋波片二(10)生成的角向偏振光实现照明。通过调整半波片一使得线偏振光的偏振方向和涡旋波片一的0级快轴方向平行，出射角向偏振光。生成的角向偏振光只在每一周期的后半段实现有效照明。
14.进一步地：通过调节扩束器的放大倍数和孔径光阑的孔径大小，出射直径匹配物镜通光孔径。
15.进一步地：样品信号光被物镜收集经原照明光路返回后经过非偏振分束器三。
16.进一步地：由涡旋波片三调节出射光束为线偏振光，并经由偏振片去除样品表面反射光，只允许携带待测样品信息的散射光经聚焦透镜，进入单模光纤和pmt探测器收集探测。
17.进一步地：在同一周期内，pmt探测器前半周期收集的为径向偏振光照明下的散射信号，后半周期收集的为角向偏振光照明下的散射信号。通过对每一周期内收集到的信号进行作差，得到超分辨暗场成像结果。
18.本发明提供了一种基于矢量偏振光束的差分暗场共焦显微测量方法，该方法是基于矢量偏振光束的差分暗场共焦显微测量装置实现的，具体步骤：
19.步骤a、激光器出射线偏振激光，经非偏振分束器一，，在每一光场照明周期的前半周期内，声光调制器一(3)进行调制，此时声光调制器一(3)允许光束通过，声光调制器二(8)阻止光束通过，使得在该时间内只有波片一(5)和涡旋波片一(6)生成的径向偏振光实现照明。通过调整半波片一使得线偏振光的偏振方向和涡旋波片一的0级快轴方向垂直，出射径向偏振光。生成的径向偏振光只在每一周期的前半段实现有效照明；
20.步骤b、激光器出射线偏振激光，经非偏振分束器一，在每一光场照明周期的后半周期内，由声光调制器二(8)进行调制，此时声光调制器二(8)允许光束通过，声光调制器一(3)阻止光束通过，使得在该时间内只有半波片二(9)和涡旋波片二(10)生成的角向偏振光实现照明。通过调整半波片二使得线偏振光的偏振方向和涡旋波片二的0级快轴方向平行，出射角向偏振光。生成的角向偏振光只在每一周期的前半段实现有效照明；
21.步骤c、通过调节扩束器的放大倍数和孔径光阑的孔径大小，出射直径匹配物镜通光孔径；
22.步骤d、矢量偏振光经非偏振分束器三，通过入射物镜，在待测样品上形成聚焦光斑，并通过驱动三维位移台，实现对待测样品的光束扫描；
23.步骤e、样品信号光被物镜收集经原照明光路返回后经过非偏振分束器三，由涡旋波片三调节为线偏振光；
24.步骤f、通过控制偏振片的偏振方向，实现去除样品表面反射光，只允许携带待测样品信息的散射光经聚焦透镜，进入单模光纤和pmt探测器收集探测；
25.步骤g、在同一周期内，pmt探测器前半周期收集的为径向偏振光照明下的散射信号，后半周期收集的为角向偏振光照明下的散射信号；
26.步骤h、对径向偏振光和角向偏振光照明下pmt探测器记录的散射信号作差，得到差分散射信号。
27.有益效果：
28.第一、根据单一矢量偏振照明光收集的散射信号，可实现样品的普通暗场测量；同时分析径向偏振信号光和角向偏振信号光分别照明下的散射信号差值，可有效提升横向分辨率。
29.第二、装置采用激光器输出的高斯型光束进行照明，避开了传统暗场共焦测量对物镜通光孔径大于环形光内径的要求，有利于使用大数值孔径物镜进行高分辨率暗场成像。
附图说明
30.图1附图为本发明提供的基于矢量偏振光束的差分暗场共焦显微测量装置结构示意图。
31.图中：1激光器、2非偏振分束器一、3声光调制器一、4直角反射镜一、5半波片一，6涡旋波片一、7直角反射镜二、8声光调制器二、9半波片二、10涡旋波片二、11非偏振分束器二、12扩束器、13孔径光阑、14非偏振分束器三、15物镜、16待测样品、17三维位移台、18涡旋波片二、19偏振片、20聚焦透镜、21单模光纤、22pmt探测器。
具体实施方式
32.在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
33.在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
34.实施例1：如附图1所示本实施例提供了一种基于矢量偏振光束的差分暗场共焦显
微测量装置，用于提高暗场测量的分辨力。
35.矢量偏振照明光产生模块、光束扫描照明模块和差分暗场共焦成像模块；
36.矢量偏振照明光产生模块按照光线传播方向依次为：激光器1、非偏振分束器一2、声光调制器一3、直角反射镜一4、半波片一5、涡旋波片一6和直角反射镜二7、激光器1、非偏振分束器一2、声光调制器二8、半波片二9、涡旋波片二10和非偏振分束器二11；
37.激光器1出射线偏振激光，经非偏振分束器一2，在每一光场照明周期的前半周期内，声光调制器一3进行调制，此时声光调制器一3允许光束通过，声光调制器二8阻止光束通过，使得在该时间内只有波片一5和涡旋波片一6生成的径向偏振光实现照明，通过调整半波片一5使得线偏振光的偏振方向和涡旋波片一6的0级快轴方向垂直，出射径向偏振光。生成的径向偏振光只在每一周期的前半段实现有效照明。
38.激光器1出射线偏振激光，经非偏振分束器一2，在每一光场照明周期的后半周期内，由声光调制器二8进行调制，此时声光调制器二8允许光束通过，声光调制器一3阻止光束通过，使得在该时间内只有半波片二9和涡旋波片二10生成的角向偏振光实现照明，通过调整半波片二9使得线偏振光的偏振方向和涡旋波片二10的0级快轴方向平行，出射角向偏振光。生成的角向偏振光只在每一周期的前半段实现有效照明。
39.所述光束扫描照明模块按照光线传播方向依次为：扩束器12、孔径光阑13、非偏振分束器三14、物镜15和待测样品16；
40.通过调节扩束器12的放大倍数和孔径光阑13的孔径大小，出射直径匹配物镜15通光孔径，矢量偏振光经非偏振分束器三14后入射物镜15，在待测样品16上形成聚焦光斑，并通过驱动三维位移台17，实现对待测样品16的光束扫描
41.所述差分暗场共焦成像模块按照光线传播方向依次为：涡旋波片三18、偏振片19、聚焦透镜20、单模光纤21和pmt探测器22；
42.样品信号光被物镜收集经原照明光路返回后经过非偏振分束器14，通过涡旋波片三18出射线偏振光，并经由偏振片19去除样品表面反射光，只允许携带待测样品16信息的散射光经聚焦透镜20，进入单模光纤21和pmt探测器22收集探测。
43.更为具体地：激光器1出射线偏振激光，经非偏振分束器一2，由声光调制器一3进行调制，通过调整半波片一5使得线偏振光的偏振方向和涡旋波片一6的0级快轴方向垂直，出射径向偏振光。生成的径向偏振光只在每一周期的前半段实现有效照明。
44.更为具体地：激光器1出射线偏振激光，经非偏振分束器一2，由声光调制器二8进行调制，通过调整半波片二9使得线偏振光的偏振方向和涡旋波片二10的0级快轴方向平行，出射角向偏振光。生成的角向偏振光只在每一周期的前半段实现有效照明。
45.更为具体地：通过调节扩束器12的放大倍数和孔径光阑13的孔径大小，出射直径匹配物镜15通光孔径。
46.更为具体地：待测样品16信号光被物镜15收集经原照明光路返回后经过非偏振分束器三14。
47.更为具体地：通过涡旋波片三18出射线偏振光，并经由偏振片19去除样品表面反射光，只允许携带待测样品16信息的散射光经聚焦透镜20，进入单模光纤21和pmt探测器22收集探测。。
48.更为具体地：在同一周期内，pmt探测器22前半周期收集的为径向偏振光照明下的
散射信号，后半周期收集的为角向偏振光照明下的散射信号。通过对每一周期内收集到的信号进行作差，得到超分辨暗场成像结果。
49.实施例2：本实施例提供了一种基于矢量偏振光束的差分暗场共焦显微测量方法，用于提高暗场测量的分辨力。具体步骤：
50.步骤a、激光器1出射线偏振激光，经非偏振分束器一2，由声光调制器一3进行调制，通过调整半波片一5使得线偏振光的偏振方向和涡旋波片一6的0级快轴方向垂直，出射径向偏振光。生成的径向偏振光只在每一周期的前半段实现有效照明。
51.步骤b、激光器1出射线偏振激光，经非偏振分束器一2，由声光调制器二8进行调制，通过调整半波片二9使得线偏振光的偏振方向和涡旋波片二10的0级快轴方向平行，出射角向偏振光。生成的角向偏振光只在每一周期的前半段实现有效照明；
52.步骤c、通过调节扩束器12的放大倍数和孔径光阑13的孔径大小，出射直径匹配物镜15通光孔径；
53.步骤d、矢量偏振光经非偏振分束器三14，通过入射物镜15，在待测样品16上形成聚焦光斑，并通过驱动三维位移台17，实现对待测样品16的光束扫描；
54.步骤e、样品信号光被物镜15收集经原照明光路返回后经过非偏振分束器三14，由涡旋波片三18调节为线偏振光；
55.步骤f、通过控制偏振片19的偏振方向，实现去除样品表面反射光，只允许携带待测样品16信息的散射光经聚焦透镜20，进入单模光纤21和pmt探测器22收集探测；
56.步骤g、在同一周期内，pmt探测器22前半周期收集的为径向偏振光照明下的散射信号，后半周期收集的为角向偏振光照明下的散射信号；
57.步骤h、对径向偏振光和角向偏振光照明下pmt探测器22记录的散射信号作差，得到差分散射信号。
58.更为具体的，激光器1所发激光光束波长为400nm-620nm。
59.虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

技术特征：
1.基于矢量偏振光束的差分暗场共焦显微测量装置，其特征在于：包括矢量偏振照明光产生模块、光束扫描照明模块和差分暗场共焦成像模块；矢量偏振照明光产生模块按照光线传播方向依次为：激光器(1)、非偏振分束器一(2)，非偏振分束器一(2)将激光传播路径分为两路：第一路按照光线传播方向依次为：声光调制器一(3)、直角反射镜一(4)、半波片一(5)、涡旋波片一(6)、直角反射镜二(7)和非偏振分束器二(11)；第二路按照激光光线传播方向依次为：声光调制器二(8)、半波片二(9)、涡旋波片二(10)和非偏振分束器二(11)；非偏振分束器二(11)将第一路和第二路激光光线合束传播至光束扫描照明模块；光束扫描照明模块按照光线传播方向依次为：扩束器(12)、孔径光阑(13)、非偏振分束器三(14)、物镜(15)和待测样品(16)，非偏振分束器三(14)将激光光线分为两路，一路经物镜(15)传播至待测样品(16)，另一路传播至差分暗场共焦成像模块；差分暗场共焦成像模块按照光线传播方向依次为：涡旋波片三(18)、偏振片(19)、聚焦透镜(20)、单模光纤(21)和pmt探测器(22)。2.根据权利要求1所述的基于矢量偏振光束的差分暗场共焦显微测量装置，其特征在于：激光器(1)出射线偏振激光，经非偏振分束器一(2)，在每一光场照明周期的前半周期内，声光调制器一(3)进行调制，此时声光调制器一(3)允许光束通过，声光调制器二(8)阻止光束通过，使得在该时间内只有波片一(5)和涡旋波片一(6)生成的径向偏振光实现照明。3.根据权利要求1所述的基于矢量偏振光束的差分暗场共焦显微测量装置，其特征在于：激光器(1)出射线偏振激光，经非偏振分束器一(2)，在每一光场照明周期的后半周期内，由声光调制器二(8)进行调制，此时声光调制器二(8)允许光束通过，声光调制器一(3)阻止光束通过，使得在该时间内只有半波片二(9)和涡旋波片二(10)生成的角向偏振光实现照明。4.根据权利要求1所述的基于矢量偏振光束的差分暗场共焦显微测量装置，其特征在于：通过调节扩束器(12)的放大倍数和孔径光阑(13)的孔径大小，出射直径匹配物镜(15)通光孔径。5.根据权利要求1所述的基于矢量偏振光束的差分暗场共焦显微测量装置，其特征在于：待测样品(16)信号光被物镜(15)收集经原照明光路返回后经过非偏振分束器三(14)。6.根据权利要求1所述的基于矢量偏振光束的差分暗场共焦显微测量装置，其特征在于：通过涡旋波片三(18)出射线偏振光，并经由偏振片(19)去除样品表面反射光，只允许携带待测样品(16)信息的散射光经聚焦透镜(20)，进入单模光纤(21)和pmt探测器(22)收集探测。7.根据权利要求1所述的基于矢量偏振光束的差分暗场共焦显微测量装置，其特征在于：在同一周期内，pmt探测器(22)前半周期收集的为径向偏振光照明下的散射信号，后半周期收集的为角向偏振光照明下的散射信号。通过对每一周期内收集到的信号进行作差，得到超分辨暗场成像结果。8.基于矢量偏振光束的差分暗场共焦显微测量方法，该方法是基于权利要求1～7任一所述基于矢量偏振光束的差分暗场共焦显微测量装置实现的，其特征在于：具体步骤：步骤a、激光器(1)出射线偏振激光，经非偏振分束器一(2)，在每一光场照明周期的前
半周期内，声光调制器一(3)进行调制，此时声光调制器一(3)允许光束通过，声光调制器二(8)阻止光束通过，使得在该时间内只有波片一(5)和涡旋波片一(6)生成的径向偏振光实现照明；步骤b、激光器(1)出射线偏振激光，经非偏振分束器一(2)，在每一光场照明周期的后半周期内，由声光调制器二(8)进行调制，此时声光调制器二(8)允许光束通过，声光调制器一(3)阻止光束通过，使得在该时间内只有半波片二(9)和涡旋波片二(10)生成的角向偏振光实现照明；步骤c、通过调节扩束器(12)的放大倍数和孔径光阑(13)的孔径大小，出射直径匹配物镜(15)通光孔径；步骤d、矢量偏振光经非偏振分束器三(14)，通过入射物镜(15)，在待测样品(16)上形成聚焦光斑，并通过驱动三维位移台(17)，实现对待测样品(16)的光束扫描；步骤e、样品信号光被物镜(15)收集经原照明光路返回后经过非偏振分束器三(14)，由涡旋波片三(18)调节为线偏振光；步骤f、通过控制偏振片(19)的偏振方向，实现去除样品表面反射光，只允许携带待测样品(16)信息的散射光经聚焦透镜(20)，进入单模光纤(21)和pmt探测器(22)收集探测；步骤g、在同一周期内，pmt探测器(22)前半周期收集的为径向偏振光照明下的散射信号，后半周期收集的为角向偏振光照明下的散射信号；步骤h、对径向偏振光和角向偏振光照明下pmt探测器(22)记录的散射信号作差，得到差分散射信号。

技术总结
本发明公开了一种基于矢量偏振光束的差分暗场共焦显微测量装置与方法，属于光学精密测量技术领域。包括矢量偏振照明光产生模块、光束扫描照明模块和差分暗场共焦成像模块；通过调整半波片和涡旋波片，分别产生径向偏振信号光和角向偏振信号光，并控制声光调制器将光束调制为脉冲形式，实现在同一周期内，径向偏振信号光和角向偏振信号光交替进行照明，时间占比均为50％。同时利用照射在待测样品反射后的矢量偏振光偏振态不发生改变的特性，经由涡旋波片和偏振片，只收集散射信号。同时分析径向偏振信号光和角向偏振信号光分别照明下的散射信号差值，可以对亚表面划痕、磨损及亚表面裂痕、气泡等缺陷的三维分布信息进行超分辨检测成像。检测成像。检测成像。


技术研发人员：刘俭 刘辰光 邹重亮 华子杰
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.03.15
技术公布日：2023/8/14