一種檢測表面缺陷的散射光高效收集裝置及收集方法與流程
2024-02-23 19:18:15
本發明涉及雷射散射表面缺陷檢測技術領域，特別是一種針對超光滑表面微小缺陷散射光的高效收集裝置及方法，可以顯著提高雷射點掃描和雷射線掃描時缺陷散射光的收集效率和系統信噪比。
背景技術：
超光滑表面元器件在微光機電系統、雷射聚變系統、雷射器諧振腔、探測器晶片、大規模集成電路基片和半導體製造等為主的光電子產業領域都有廣泛的應用。以雷射聚變系統為例，光學元件表面的微小缺陷（如劃痕和麻點）一方面會由於散射降低雷射的能量利用率，另一方面會造成雷射能量的沉積，通過熱吸收效應造成雷射損傷和破壞，極大限制了核心元器件的雷射損傷閾值，降低了系統的性能。因此，對超光滑表面微小缺陷的定量檢測是需要迫切解決的問題。
目前國內外超光滑表面微小缺陷檢測方法主要包括：目視法、顯微成像法、雷射散射測量法。目視法主要通過人工觀察，具有主觀性、無法量化、解析度低、檢測結果不可靠的缺點。顯微成像法（參考文獻CN1563957A）通過暗場光源照明和顯微光學CCD成像系統結合對被測表面進行成像和拼接，實現了量化檢測，但是檢測速度慢，後續數位化處理時間長。雷射散射測量法由於其高靈敏度被廣泛用於半導體檢測中，該方法通過光收集器將被測表面產生的散射雷射收集到探測器中。根據瑞利散射理論，探測器距離缺陷點越近，散射光強越大，即探測器相對於缺陷點的散射截面越大。因此，儘可能增加探測器相對於缺陷點的散射截面是提高檢測靈敏度的一種有效手段。參考文獻CN201220019507.8採用了一種積分球的散射光收集裝置，積分球內表面塗有高反射率的漫反射材料，缺陷點產生的各個方向的散射光通過積分球的開口進入積分球進行多次漫反射達到均勻化，其中一部分散射光最終被設置在積分球一側的散射光電探測器接收。該方法通過積分球將缺陷點產生的散射光儘可能多地收集起來，間接增加了探測器相對於缺陷點的散射截面，但是積分球中只有一部分光能進入散射光探測器。進入散射光探測器的光強與進入積分球中的總光強比值等於散射光探測器面積與積分球內表面有效面積的比值，通常這個比值在10-3的量級，因此散射光收集效率有限。
技術實現要素：
為克服以上缺陷，本發明公開了一種高效的散射光收集裝置及收集方法，該方法基於拋物線基本原理，可極大提高散射光收集效率和系統信噪比。
為實現上述目的，本發明採用下述技術方案:
一種檢測表面缺陷的散射光高效收集裝置，包括拋物線散射光收集器，所述拋物線散射光收集器具有拋物線焦點F1，待測缺陷位於拋物線焦點F1處，待測缺陷的散射光經過拋物線散射光收集器內表面和位於拋物線散射光收集器中心的第一透鏡準直後平行射出，射出的光經過設置在拋物線散射光收集器上方的第一透鏡聚焦進入散射光探測器並被探測，散射光探測器設置在第二透鏡光射出方向的焦點處。
進一步地，第一透鏡光射入方向的焦點位置與拋物線焦點F1重合。
進一步地，所述待測缺陷為點缺陷，所述拋物線散射光收集器為拋物線圓面面散射光收集器1，以及與拋物線圓面面散射光收集器1對應的第一圓面透鏡2、第二圓面透鏡3和點形散射光探測器4。
進一步地，所述待測缺陷為線缺陷，所述拋物線散射光收集器為拋物線柱面散射光收集器5以及與拋物線柱面散射光收集器5對應的第一柱面透鏡6、第二柱面透鏡7和線陣散射光探測器8。
進一步地，所述第一透鏡和第二透鏡均為凸透鏡。
進一步地，所述拋物線散射光收集器具體為其內部輪廓具有拋物線形截面的中心旋轉對稱的結構，材料為玻璃材質或者金屬材質，內部鍍有高反膜材料。
進一步地，所述散射光探測器為高靈敏度的光電二極體或者光電倍增管。
進一步地，所述拋物線散射光收集器與第二透鏡口徑相等，同時拋物線散射光收集器的口徑大於第一透鏡的口徑。
進一步地，拋物線焦點F1與第一透鏡工作距離等於第一透鏡的焦距，散射光探測器與第二透鏡的工作距離等於第二透鏡的焦距。
一種檢測表面缺陷的散射光高效收集方法，採用所述的散射光高效收集裝置，其特徵在於所述散射光高效收集方法包括以下步驟，
（1）雷射照射在位於拋物線焦點F1處的待測缺陷上，得到散射光；
（2）散射光經過拋物線散射光收集器內表面和位於拋物線散射光收集器中心的第一透鏡準直後平行射出；
（3）射出的光經過設置在拋物線散射光收集器上方的第二透鏡聚焦進入散射光探測器並被探測。
本發明與現有技術相比具有如下優點：
本發明公開了一種高效的散射光收集裝置及收集方法，該方法基於拋物線基本原理，可極大提高散射光收集效率和系統信噪比，通過將拋物線的特性應用於光學原理上，得到適用於雷射點掃描和雷射線掃描缺陷檢測方法的散射光收集器設計方法。將經過散射光收集器的缺陷點或線散射光全部收集到散射光探測器中，與傳統的積分球收集方式相比，具有更高的收集效率、系統信噪比和檢測靈敏度。本發明實現了超光滑表面微小缺陷的定量檢測，待檢測的表面缺陷點的大小從微米至納米級均可以被檢查出來。
附圖說明
圖1是本發明中拋物線定義和拋物線切線與法線性質示意圖；
圖2是本發明中用於雷射點掃描的拋物線散射光收集器原理示意圖；
圖3是本發明中用於雷射線掃描的拋物線柱狀散射光收集器原理示意圖。
具體實施方式
下述實施例是對於本發明內容的進一步說明以作為對本發明技術內容的闡釋，但本發明的實質內容並不僅限於下述實施例所述，本領域的普通技術人員可以且應當知曉任何基於本發明實質精神的簡單變化或替換均應屬於本發明所要求的保護範圍。
本發明公開了一種高效的散射光收集方法及裝置，該方法基於拋物線基本原理，可極大提高散射光收集效率和系統信噪比。
如圖1所示，根據拋物線定義：平面內到定點F1與定直線CD距離相等的點Q的軌跡叫做拋物線。其中定點F1叫拋物線的焦點。定直線CD叫拋物線的準線。焦點F1到橢圓上任意點Q的線段叫點Q的焦半徑。過焦點F1並與準線CD垂直的直線叫做拋物線的軸。再根據拋物線切線和法線的性質：經過拋物線上一點Q作一條直線平行於拋物線的軸，則經過點Q的法線平分這條直線和這一點的焦半徑的夾角。根據以上定義和性質，假設拋物線焦點F1為一理想點光源，從點光源F1發出的任意方向的光束交拋物線於Q點，則從Q點經拋物線反射的光束必平行於拋物線的軸。根據上述推論，將圖1中拋物線的實線部分輪廓作為光束收集器內反射表面，將焦點F1作為點光源，則點光源發出的各個方向的光束經過光束收集器反射，均可以平行出射。
檢測表面缺陷的散射光高效收集裝置，包括拋物線散射光收集器，所述拋物線散射光收集器具有拋物線焦點F1，待測缺陷位於拋物線焦點F1處，待測缺陷的散射光經過拋物線散射光收集器內表面和位於拋物線散射光收集器中心的第一透鏡準直後平行射出，射出的光經過設置在拋物線散射光收集器上方的第一透鏡聚焦進入散射光探測器並被探測，散射光探測器設置在第二透鏡光射出方向的焦點處，第一透鏡光射入方向的焦點位置與拋物線焦點F1重合，第一透鏡和第二透鏡均為凸透鏡。所述拋物線散射光收集器具體為其內部輪廓具有拋物線形截面的中心旋轉對稱的結構，材料為玻璃材質或者金屬材質，內部鍍有高反膜材料。所述散射光探測器為高靈敏度的光電二極體或者光電倍增管。所述拋物線散射光收集器與第二透鏡口徑相等，同時拋物線散射光收集器的口徑大於第一透鏡的口徑。拋物線焦點F1與第一透鏡工作距離等於第一透鏡的焦距，散射光探測器與第二透鏡的工作距離等於第二透鏡的焦距，第一透鏡與第二透鏡的工作距離任意。
當待測缺陷為點缺陷時，所述拋物線散射光收集器為拋物線圓面面散射光收集器（1），以及與拋物線圓面面散射光收集器（1）對應的第一圓面透鏡（2）、第二圓面透鏡（3）和點形散射光探測器（4）。
根據圖1表達的原理，結合圖2所示，對於雷射點掃描的表面點缺陷檢測方法，將表面缺陷點的散射光看成是理想點光源發出的光束。該點光源位於拋物線圓面面散射光收集器（1）的焦點F1處，則與被測表面法線夾角較大的表面缺陷點的散射光經過拋物線圓面面散射光收集器（1）內表面反射後均平行出射。而與被測表面法線夾角較小的表面缺陷點的散射光則通過設置在拋物線圓面面散射光收集器（1）中心的第一圓面透鏡（2）平行出射，其中點F1是該透鏡的焦點。在拋物線圓面面散射光收集器（1）正上方設置第二透鏡，將所有平行出射的散射光聚焦於第二透鏡的焦點處。在第二圓面透鏡（3）的焦點處設置點形散射光探測器（4），則所有經過拋物線圓面面散射光收集器（1）平行出射的散射光均被點形散射光探測器（4）收集。
當待測缺陷為線缺陷時，所述拋物線散射光收集器為拋物線柱面散射光收集器（5）以及與拋物線柱面散射光收集器（5）對應的第一柱面透鏡（6）、第二柱面透鏡（7）和線陣散射光探測器（8）。
根據圖1表達的原理，結合圖3所示，對於雷射線掃描的表面缺陷檢測方法，將表面缺陷點的散射光看成是理想線光源發出的光束。拋物線柱面散射光收集器（5）為一柱狀結構，拋物線柱面散射光收集器（5）的橫截面為圖1所示的部分拋物線輪廓。該拋物線輪廓的焦點F1設置於雷射聚焦線所在的直線上。在拋物線柱面散射光收集器（5）中心設置第一柱面透鏡（6）。雷射聚焦線所在的直線上若有缺陷，則與被測樣品表面法線夾角較大的缺陷點散射光可以通過拋物線柱面散射光收集器（5）的拋物線輪廓反射後平行出射，而與被測樣品表面法線夾角較小的缺陷點散射光可以通過位於拋物線柱面散射光收集器（5）中心的第一柱面透鏡（6）平行出射。在拋物線柱面散射光收集器（5）正上方設置第二柱面透鏡（7），將所有平行出射的散射光聚焦於第二柱面透鏡（7）的焦線處。第二柱面透鏡（7）的焦線處設置線陣散射光探測器（8），則所有經過拋物線柱面散射光收集器（5）平行出射的散射光均被線陣散射光探測器（8）收集。
本發明中散射光探測器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。
本發明中線陣散射光探測器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陣列、電荷耦合元件陣列、光電倍增管陣列。
本發明的優點是通過將拋物線的特性應用於光學原理上，得到適用於雷射點掃描和雷射線掃描缺陷檢測方法的散射光收集器設計方法。將經過散射光收集器的缺陷點散射光全部收集到散射光探測器中，與傳統的積分球收集方式相比，具有更高的收集效率、系統信噪比和檢測靈敏度。