[发明专利]基于光纤环形光束的暗场共焦布里渊显微测量装置与方法

说明书

基于光纤环形光束的暗场共焦布里渊显微测量装置与方法，属于光学精密测量技术领域。本发明装置包括光纤环形光照明模块、环形光扫描模块、明场共聚焦模块、暗场共焦布里渊频谱分析模块；通过光纤产生环形照明光束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，可同时获取微米级表面及亚表面划痕、磨损及亚表面裂痕、气泡等缺陷的三维分布信息；共聚焦及布里渊频谱立体测量可对样品机械性质进行三维检测。

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，主要涉及一种基于光纤环形光束的暗场共焦布里渊显微测量装置与方法。通过光纤产生环形照明光束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；共焦布里渊频谱立体测量可对样品机械性质进行三维检测。

背景技术

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。

共焦显微测量技术由于其良好的光学层析能力和高分辨率成像的优势，已成为光学元件无损检测的重要手段。其中，暗场共聚焦测量技术作为共聚焦显微测量技术的重要分支，利用在暗场背景条件下对样品中光源的散射信号进行收集从而实现无荧光标记、高对比度、高分辨率的显微成像。由于暗场共聚焦显微技术能够有效抑制表面反射光，因此为光学元件表面及亚表面检测提供了新的途径。

然而普通光学暗场共聚焦显微测量技术的测量需要引入环形光生成部件如锥透镜对、空间光调制器等，大大增加了系统的调试难度；另一方面，普通光学暗场或明场范围均局限于几何缺陷的检测，如划痕、弯曲、阶跃、磨损等，无法获取样品的其他化学特性，一定程度上限制了光学元件检测及分析的全面性。本发明公开基于光纤环形光束的暗场共焦布里渊显微测量装置与方法，在获取表面划痕、磨损及亚表面裂痕、气泡等缺陷的几何三维分布信息的同时，可通过布里渊频谱的测量对样品表面及亚表面的力学性质如声速、声阻抗等性质进行检测，兼具表面及亚表面缺陷一体化检测功能；该技术利用光纤生成环形光，压缩成像系统整体体积的同时可降低系统的调试难度，该技术可有效填补上述需求。

发明内容

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。

本发明公开了一种基于光纤环形光束的暗场共焦布里渊显微测量装置与方法，该装置与方法同现有技术相比，解决了普通暗场共聚焦技术无法对样品机械声学性质进行检测的缺陷，在保证高对比度、高分辨率、高信噪比的同时有效压缩了整个显微测量系统的体积。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种基于光纤环形光束的暗场共焦布里渊显微测量装置，包括环形光照明模块、环形光扫描模块、明场共焦探测模块、暗场共焦布里渊频谱分析模块；

环形光照明模块按照光线传播方向依次为：激光器一、单模光纤一、双模光纤、激光器二、单模光纤二、波分复用器、光纤准直器、扩束器、半波片和孔径光阑一；

环形光扫描模块按照光线传播方向依次为：半反半透膜、二维扫描振镜、扫描透镜、管镜、物镜和待测样品；

明场共焦探测模块按照光线传播方向依次为：二向色镜、聚焦透镜一、针孔和PMT探测器；

暗场共焦布里渊频谱分析模块按照光线传播方向依次为：孔径光阑二、聚焦透镜二、单模光纤二、虚拟成像相控阵列光谱仪和sCMOS相机；

进一步地：单模光纤一截止波长为400nm-500nm，纤芯直径为3μm-3.5μm；双模光纤截止波长为550nm-600nm，纤芯直径为3.5μm-4.5μm。