一種大口徑材料表面散射的高速測量裝置和方法與流程

2024-02-23 18:58:15

本發明涉及材料表面散射的測量領域，特別是一種大口徑材料表面散射的高速測量裝置和方法。

背景技術：

在精密光學工程、半導體製造、精密機械製造以及國防軍工等高科技領域，對所用材料的表面缺陷都有嚴格的要求，材料的表面缺陷是指在材料加工和搬運等各種環節中產生的形狀尺寸各異的劃痕和麻點等微小缺陷。材料的表面缺陷會嚴重影響元器件的工作性能，如高功率雷射系統中材料的表面缺陷會極大的降低其雷射損傷閾值，同時表面缺陷對入射的強雷射束會造成不同程度的熱吸收，隨著材料上高能量雷射輻射次數的增多，材料的表面缺陷會造成光學元器件的損傷甚至破壞，另外材料的表面缺陷會引起雷射束的散射，從而降低雷射束的能量利用率，極大的影響了強雷射系統的工作性能。因而材料表面缺陷的準確測量對於評價材料的性能、改進材料的加工工藝有著重要的意義。

目前國內外對超光滑材料表面微小缺陷的檢測方法主要包括目視法、顯微成像法、雷射散射測量法。目視法主要是通過人工肉眼觀察來完成缺陷檢測的，具有主觀性強、無法量化、解析度低、檢測結果可靠性低等缺點。顯微成像法(參考文獻CN1563957A)是通過暗場光源照明和顯微光學CCD成像系統相結合的方式，對被測光學表面進行成像和拼接，從而實現了對材料表面微小缺陷的量化檢測，但是其缺點是檢測速度慢，同時後續數位化圖像處理時間較長。

雷射散射測量法由於具有高靈敏度的優點而被廣泛用於材料缺陷檢測中，目前普遍採用的大口徑樣品表面散射的測量技術是採用樣品固定、二維掃描光源和探測器的方式來測量大口徑樣品表面散射的，首先光源和探測系統移動到樣品的起始位置，待探測器完成散射光的收集後，光源和探測系統接著移動到樣品的下一個測量位置，探測器繼續完成散射光的收集，然後測量系統重複以上掃描運動和散射光的採集動作，直到在整個樣品表面完成散射光的收集，進而實現大口徑樣品表面散射的測量。該測量方法的主要缺點是測量時間非常緩慢，如對於尺寸大小為500mm×500mm的樣品，表面散射的測量工作需要長達幾天的時間，在長時間的測量過程中，測量環境會發生很多未知的變化，進而會帶來不可忽略的測量誤差，同時測量時間較長也嚴重降低了測量系統的工作效率。

技術實現要素：

為了解決現有大口徑材料表面散射測量技術中存在的問題，本發明提供一種高速實現大口徑材料表面散射測量的裝置及方法。

本發明的技術解決方案如下：

一種大口徑材料表面散射的高速測量裝置，包括雷射器、雷射擴束系統、第一高反射鏡、起偏器、偏振分光稜鏡、1/4波片、第二高反射鏡、旋轉稜鏡、振鏡、遠心場鏡、散射光探測器、反射光探測器和行觸發探測器；

所述的雷射器發射的雷射光束經所述的雷射擴束系統準直擴束後，通過所述的第一高反射鏡入射到起偏器產生S偏振光束，該S偏振光束通過偏振分光稜鏡的反射後入射到1/4波片中產生圓偏振光，該圓偏振光通過第二高反射鏡後入射到旋轉稜鏡上，旋轉稜鏡將入射雷射束沿水平方向在一定角度範圍內連續掃描，同時反射到振鏡上，該振鏡將入射雷射束沿垂直方向在一定角度範圍內連續掃描，同時反射到遠心場鏡上，該遠心場鏡將入射雷射束垂直聚焦到被測樣品的表面上，所述的散射光探測器收集被測樣品表面的散射光，所述的反射光探測器收集被測樣品表面的反射光，行觸發探測器用於大口徑元件測量過程中精確控制旋轉稜鏡和振鏡的運動，各部件均通過計算機實現遠程控制。

一種大口徑材料表面散射的高速測量方法，包括以下步驟：

①通過調整旋轉稜鏡和振鏡，使測試雷射束照射在大口徑樣品的初始採樣位置；

②組合旋轉稜鏡和振鏡，使入射雷射束在待測樣品的表面從初始採樣位置勻速運動到下一位置，同時，散射光探測器保持連續的光強信號採集，光強信號的積分時間等於雷射光束從初始採樣位置勻速運動到下一位置所需要的時間，記錄散射光探測器採集到的光強信號值，記為χ1；

③重複步驟②，直到完成待測樣品表面上第一行的掃描，得到散射光強信號χ2，χ3，……；

④組合旋轉稜鏡8和振鏡9，使雷射光束在垂直方向移動到待測樣品表面上第二行的起始位置處，重複步驟②和③，直到完成待測樣品表面上第二行的掃描測量；

⑤重複步驟④，直到雷射光束在待測樣品整個表面內完成掃描；

⑥基於散射光探測器測得的信號χ1，χ2，χ3……χn-1和χn，得到待測樣品大口徑表面的散射信號分布。

雷射器發射的雷射光束經所述的雷射擴束系統準直擴束後，通過所述的第一高反射鏡入射到起偏器產生S偏振光束，該S偏振光束通過偏振分光稜鏡的反射後入射到1/4波片中產生圓偏振光，該圓偏振光通過第二高反射鏡後入射到旋轉稜鏡上，旋轉稜鏡將入射雷射束沿水平方向在一定角度範圍內連續掃描，同時反射到振鏡上，該振鏡將入射雷射束沿垂直方向在一定角度範圍內連續掃描，同時反射到遠心場鏡上，該遠心場鏡將入射雷射束垂直聚焦到被測樣品的表面上，所述的散射光探測器收集被測樣品表面的散射光，所述的反射光探測器收集被測樣品表面的反射光，行觸發探測器用於大口徑元件測量過程中精確控制旋轉稜鏡和振鏡的運動，各部件均通過計算機實現遠程控制。

與傳統大口徑材料表面散射的測量技術相比，本發明專利提出的大口徑材料表面散射的測量裝置和方法主要具有以下優點：

(1)可實現大口徑樣品表面散射的高速測量。由於系統是採用連續運動稜鏡和步進振鏡(尺寸小、重量輕)的方式來實現大口徑樣品表面掃描的，並且散射光探測器一直保持在持續不斷的信號採集過程中，與傳統測量技術中採用的運動光源和探測器(尺寸大、重量高)的測量方案(散射光探測器首先完成一個位置處的光信號測量，然後光源和探測器移動到下一個測量位置，接著散射光探測器再開始下一次信號採集)相比，本發明專利可以實現大口徑材料表面散射的高速測量，面對同樣尺寸大小的樣品，在選取同樣採樣點數的情況下，大口徑樣品表面散射測量所需的時間可以降低到傳統方法的百分之一以下。

(2)測量系統結構緊湊，構建成本低。由於系統是採用連續運動稜鏡和振鏡(尺寸小、重量輕)的方式來實現大口徑樣品表面掃描的，與傳統測量技術中採用的移動光源和探測器(尺寸大、重量高)的測量方案相比，本發明專利所採用的測量系統的結構緊湊，構建開發成本較低。

附圖說明

圖1是本發明的大口徑材料表面散射測量裝置的結構圖

圖2是本發明在大口徑材料表面散射測量時所雷射束的掃描路線示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。

實施例：

圖1是本實施例的結構示意圖，該裝置主要包括雷射器1，雷射擴束系統2，第一高反射鏡3，起偏器4，偏振分光稜鏡5，1/4波片6，第二高反射鏡7，旋轉稜鏡8，振鏡9，遠心場鏡10，被測樣品11，散射光探測器12，反射光探測器13和行觸發探測器14。

雷射器1採用Thorlabs公司的穩定型He-Ne雷射器，其發出中心波長為632.99nm的單色雷射，雷射器出射功率的穩定性為±0.2％，2為Thorlabs公司的伽利略雷射擴束系統，可提供2倍到5倍或者5倍到10倍連續可變的擴束比，3為Thorlabs公司的寬帶介質膜高反射鏡，在0到45°入射角下，S和P分量偏振光的反射率均大於99％，其波長工作範圍為400nm—7500nm，偏振片4採用Thorlabs公司的LPVIS050-MP2形線偏振片，消光比可達到10000以上，偏振分光稜鏡5採用Thorlabs公司的寬帶偏振分束立方稜鏡，6為1/4波片，第二高反鏡7採用Thorlabs公司的寬帶介質膜高反射鏡，在0到45°入射角下，S和P分量偏振光的反射率均大於99％，其波長工作範圍為400nm—7500nm，8為旋轉稜鏡，9為振鏡，10為遠心場鏡，11為被測樣品(石英玻璃)，尺寸大小為500mm×500mm，12為散射光探測器，13為反射光探測器，14為行觸發探測器。

雷射器1用於為測試系統提供雷射光束，雷射擴束系統2起到對雷射光束進行準直和擴束的作用，準直擴束後的雷射光束通過第一高反射鏡3後入射到起偏器4中，然後產生S偏振光束，S偏振光束接著通過偏振分光稜鏡5的反射後入射到1/4波片6中，從而產生圓偏振光，圓偏振光通過第二高反射鏡7後入射到旋轉稜鏡8上(旋轉稜鏡8可以將入射雷射束沿水平方向在一定角度範圍內連續掃描)，雷射光束經過旋轉稜鏡8的反射後，入射到振鏡9上(振鏡9可以將入射雷射束沿垂直方向在一定角度範圍內連續掃描)，然後振鏡9將入射雷射束反射進入到遠心場鏡10上，遠心場鏡10將雷射束垂直聚焦到被測樣品11的表面上，散射光探測器12安裝在樣品測量位置的附近，用於收集被測樣品11表面的散射光，反射光探測器13用於收集被測樣品11表面的反射光。

本實施例中旋轉稜鏡8是用於將入射雷射束在一定角度範圍內進行連續角度掃描的裝置，實現該功能的裝置還包括但不限于振鏡、聲光調製器、電光調製器、旋轉電機。

本實施例中散射光探測器12和反射光探測器13為實現光電轉換的器件，實現該功能的裝置包括但不限於光電二極體、電荷耦合元件、光電倍增管。

在如圖1所示的大口徑材料表面散射的測量系統中，雷射器1發出的雷射束，經過一系列光學元器件的傳輸後，照射在被測樣品11的表面上，若被測樣品11的表面沒有缺陷，則入射雷射束沿原路返回至1/4波片6後，雷射束變為P偏振光，P偏振光經過偏振分光稜鏡5透射後入射到反射光探測器13上，反射光探測器13反映被測樣品11表面的反射率，若被測樣品11的表面有缺陷，則入射雷射束髮生散射，散射光被散射光探測器12接收，散射光探測器收集到的信號作為待測樣品表面缺陷的散射信號。

在大口徑材料表面散射的測量過程中，旋轉稜鏡8一直保持持續的旋轉運動，從而使入射雷射束沿水平方向在一定角度範圍內連續掃描，同時振鏡9一直保持步進運動，從而可以使入射雷射束沿垂直方向在一定角度範圍內完成步進，經過遠心場鏡10的作用後，旋轉稜鏡8和振鏡9組合運動的效果就是在被測樣品11的表面上，垂直入射的雷射光束實現了連續的二維掃描運動，雷射光束在被測樣品11表面上的掃描軌跡如圖2所示，雷射光束從位置P1勻速運動到位置P2，中間不做停留，繼續勻速運動到下一個點，直到完成整個待測表面的掃描。

在測試雷射光束的勻速運動過程中，散射光探測器12一直處於持續不斷的數據採集過程中，散射光探測器12數據採集的積分時間與雷射光束在兩個取樣位置間的運動時間保持高度一致，如雷射光束從位置P1勻速運動到位置P2所需的時間和散射探測器12數據採集的積分時間一樣，在該積分時間內，散射光探測器12收集的光強信號(公式表述如下)即作為待測樣品11在P1P2區域位置處的散射信號。

當雷射光束在待測樣品11的整個表面完成掃描後，散射光探測器12也收集完成了待測表面各個位置處的散射光強，通過計算機處理即可獲得大口徑樣品表面散射的強度分布。

基於如圖1所示的大口徑材料表面散射的高速測量裝置，本發明專利同時提出了一種大口徑材料表面散射的高速測量方法，主要包括以下步驟：

①通過旋轉稜鏡8使雷射光束在待測樣品11表面上，從位置P1勻速運動到位置P2，同時使散射光探測器12保持連續的光強信號採集，光強信號的積分時間等於雷射光束從位置P1勻速運動到位置P2所需要的時間，記錄散射光探測器採集到的光強信號值，記為χ1；

②分別在待測樣品11表面上的位置P2和位置P3之間，位置P3和位置P4之間，……重複步驟①，直到完成待測樣品(11)表面上第一行的掃描，得到散射光強信號χ2，χ3，……；

③旋轉振鏡9，使雷射光束在垂直方向移動到待測樣品11表面上第二行的起始位置處，重複步驟①和②，直到完成待測樣品11表面上第二行的掃描測量；

④重複步驟③，直到雷射光束在待測樣品11整個表面內完成掃描。

⑤基於散射光探測器測得的信號χ1，χ2，χ3……χn-1和χn，得到待測樣品11大口徑表面的散射信號分布。

以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。