[发明专利]球面元件表面缺陷散射探测装置和测量方法

说明书

一种球面元件表面缺陷散射探测装置和测量方法，利用球面元件的轴对称性，通过球面元件快速旋转和散射暗场探测实现全口径快速高灵敏度测量。通过在不同方位角设置光电探测器采集表面缺陷的散射光，提升了对不同方向的线状表面缺陷探测能力。本发明实现了原位球面元件定中调节和表面缺陷测量，避免了分离调节测量引起的定位误差，同时避免了已有的暗场成像测量系统结构和光源调节的复杂性。

技术领域

本发明涉及光学元件缺陷检测，特别是一种球面元件表面缺陷的探测装置和测量方法。

背景技术

球面元件在光刻系统、航天相机、空间望远系统和高功率激光系统等精密光学仪器和设备中具有广泛的应用。在加工过程中，球面元件表面容易产生划痕、麻点和崩边等缺陷。表面缺陷诱导杂散光，对弱光成像具有显著影响。缺陷对光束的衍射和吸收效应对光场进行调制，在强激光系统中容易导致元件损伤和炸裂。

目前对于球面元件表面缺陷的检测，还主要依赖人工目视。人工检测存在主观性强、缺陷尺寸和位置结果不准确，以及不能连续工作等问题。近年来，多家科研单位针对表面缺陷发展了多种检测技术。CN1313821C公布的暗场散射成像技术、CN106442564B公布的点阵线扫描技术、CN110441309A公布的显微散射偏振成像技术以及CN112229606A公布的多模态原位缺陷测量技术只能用于平面元件表面缺陷检测，若用于球面元件，由于表面不同位置的法线方向一直变化，其散射信号探测系统易受表面反射光影响，而且大面积二维测量时，表面容易离焦，导致无法成像或探测散射信号。CN103293162B和CN104215646B公布的球面光学元件暗场检测技术要求光源根据元件的曲面半径调整聚焦程度，而且球面元件的定中系统与表面扫描成像系统分离，不能原位测量。系统复杂，操作繁琐。CN112229854A公布的球面光学元件表面缺陷测量技术根据表面反射光和缺陷的散射光的偏振特性差异去除反射光对暗场成像的影响，无需根据元件的曲率改变照明光源的聚焦程度。但该技术也减弱了缺陷的散射信号强度。且上述两种技术都采用单一方向成像方式，影响缺陷探测能力；单孔径成像视场小，测量速度慢。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种球面元件表面缺陷散射探测装置和测量方法。该装置在定中的基础上实现原位表面测量，采用微米尺度聚焦光斑，并结合球面元件的旋转实现全口径快速扫描。通过不同方位角测量提高表面缺陷的测量灵敏度。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种球面元件表面缺陷散射探测装置，其特点在于，包括照明光源、半波片、偏振片、扩束器、反射镜、偏振分束器、四分之一波片、第一会聚透镜、球面元件、第二会聚透镜、光快门、四象限探测器、第三会聚透镜、第一针孔、第一光电探测器、第四会聚透镜、第二针孔、第二光电探测器、自定心夹具、旋转台、摆动台、精密位移台、控制器和计算机；

所述的球面元件固定在所述的自定心夹具上；

所述的照明光源发出的光束依次通过所述的半波片、偏振片、扩束器、反射镜、偏振分束器、四分之一波片和第一会聚透镜后，沿Z向垂直聚焦到所述的球面元件的待测表面；

所述的球面元件的待测表面的反射光依次通过所述的第一会聚透镜、四分之一波片，经所述的偏振分束器反射后，依次通过所述的第二会聚透镜和光快门，照射在所述的四象限探测器上；所述的第一会聚透镜和第二会聚透镜共焦；

所述的球面元件的待测表面的缺陷产生的一部分散射光依次经所述的第三会聚透镜和第一针孔，被所述第一光电探测器接收；所述的第一针孔位于散射光被所述的第三会聚透镜聚焦的聚焦光斑的位置，所述的第一针孔的直径等于聚焦光斑的直径；

所述的球面元件的待测表面的缺陷产生的另一部分散射光经依次经所述的第四会聚透镜和第二针孔，被所述第二光电探测器接收；所述的第二针孔位于散射光被所述的第四会聚透镜聚焦的聚焦光斑的位置，所述的第二针孔的直径等于聚焦光斑的直径；