[发明专利]利用改进的3PIE技术检测光学元件内部缺陷的方法

说明书

本发明公开了一种利用改进的3PIE技术检测光学元件内部缺陷的方法，首先假设内部缺陷全部分布于光学元件后表面，利用传统叠层衍射成像算法计算各缺陷在光学元件后表面的复振幅分布，针对每个缺陷利用自动对焦算法确定其轴向位置，然后根据其位置确定三维叠层衍射算法的轴向切片，最后复原出内部缺陷的振幅和相位。本发明可以获得缺陷的位置、尺寸等信息，且结构简单，适用于大口径光学元件的检测，且具有高的检测效率。

技术领域

本发明属于缺陷检测领域，具体涉及一种利用改进的三维叠层衍射成像技术(3PIE)检测光学元件内部缺陷的方法。

背景技术

光学材料中的稀疏缺陷会显著影响高精度光学系统中的光学元件的性能，导致较差的信号质量或严重的测量误差，特别是在大功率激光应用中，这些缺陷可能引起不规则高能量光的聚集，从而严重影响光学系统的激光损伤阈值。在实际材料的选择、加工和应用过程中，气泡、亚表面损伤和激光损伤等内部缺陷都是影响光学元件性能的重要因素。为了减少或避免内部缺陷的影响并增加光学部件的使用寿命，必须获得关于缺陷的位置、形状和尺寸等内部缺陷的信息，以便进一步评估。

现有的缺陷评估的方法可以分为破坏性和非破坏性两类。在非破坏性类型中，光学非接触测量是一种缺陷检测的典型方法。全内反射显微镜(TIRM)可以用于获取表面损伤的端面图像，但是由于TIRM没有深度分辨能力，因此无法获得缺陷的深度。使用光学相干断层扫描可以获得缺陷的截面图像。然而其横向分辨率不高，不能探测到非常小的缺陷。共聚焦扫描显微镜具有较高的横向分辨率，但其较小的景深和工作距离限制了对表面下方缺陷的观察。基于微观散射成像的表面缺陷检测系统可以定量估计800×800mm范围内小于0.5μm的平面光学部件的缺陷，但不能得到缺陷的振幅及相位信息。数字全息显微镜(DHM)可以测量从缺陷散射的光场的全息图，以确定缺陷的振幅和相位信息，但是这些方法必须搭建复杂的测量系统，测量过程较为复杂繁琐。A.M.Maiden在《Ptychographic transmissionmicroscopy in three dimensions using a multi-slice approach》(Opt.Soc.29(8)，1606-1614,2012)一文中，提出了一种可以恢复样品内部三维信息的方法，但是随着样品厚度的增加，叠层算法中往往需要大量的扫描孔径照明以及迭代次数。

CN 104406988公开了《一种玻璃内部缺陷的检测方法》，其使用线结构光的方法检测玻璃内部缺陷的位置及形状，但并不能获得其相位等信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用改进的3PIE技术检测光学元件内部缺陷的方法，能够减少算法迭代次数，简化测试光路，并同时获得内部缺陷的位置、振幅、相位等信息。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种利用改进的3PIE技术检测光学元件内部缺陷的方法，方法步骤如下：

步骤一、搭建检测光路：

所述检测光路包括共光轴依次设置的光阑、透镜、待测样品和CCD，还包括二维平移台，二维平移台夹持待测样品；准直光经过光阑后，由透镜聚焦，经过透镜焦点形成发散的球面波，透过待测样品到达CCD的靶面上，其中光阑与透镜的距离为Z₁，透镜与待测样品距离为Z₂，待测样品与CCD的距离为Z₃，待测样品厚度为d；转入步骤二；

步骤二、采集图像，并用CCD依次记录各扫描位置所对应的强度图像：

移动二维平移台，将待测样品在与光轴垂直的平面内以叠层扫描的方式进行平移，并用CCD依次记录各扫描位置所对应的强度图像；转入步骤三；

步骤三、计算待测样品后表面的出射光场：

赋予待测样品一个初始的随机猜测为O₀(r)，照明光为P₀(r)，待测样品后表面出射光场复振幅ψ_n(r)：