一种光散射角分辨检测分析系统的制作方法

1.本发明涉及光学元件表面质量检测技术领域，特别涉及光散射角分辨检测分析系统。


背景技术：

2.在空间光学、惯性约束核聚变、微光学、极紫外光刻、超大规模集成电路等光学领域，对高表面质量的超光滑光学元件存在着广泛的需求。光学元件的形貌误差、粗糙度、划痕、麻点等缺陷会造成散射、能量吸收、有害的耀斑、衍射花纹、膜层破坏、激光损伤等，直接影响整个光学系统的性能和正常运行。高端光学元件质量高精密检测有着重大科研需求，目前基于光散射和吸收的光学元件高精度质量检测技术及设备被国外垄断。我国光刻等关键核心技术依然被“卡脖子”，以芯片制造中最核心的制造设备光刻机为例，其核心部件投影物镜占整个系统成本的1/3以上，其投影物镜高精密表面质量检测尤为重要。因此，开展超光滑表面面形误差、表面缺陷、光谱、几何参量等特性的高精度检测新原理、新方法研究、评价算法研究，发展高精密光学元件检测及质量评价设备符合国家战略需求。
3.此外，随着高能激光的发展，对晶体材料提出越来越高的要求，需要突破优质大尺寸激光与非线性晶体的制备技术，而缺陷和损伤对强激光严重影响已引起了国内外研究人员的重视，而晶体材料由于制造工艺(生长工艺)、原材料杂质的存在，不可避免的存在各种类型缺陷，对晶体材料微小介观缺陷及晶体缺陷的有效评价对性能提升至关重要，在晶体加工过程中，对晶体进行切割等处理时其内部缺陷对晶体的光学性能也会产生影响，包括损伤阈值、透过率、均匀性等。急需研制一套精密光学元件质量检测设备，针对光学元器件缺陷的快速检测成像具有重要意义。综合国内外检测方法，因采用的原理和实施方法不同，在检测精度、检测效率上各有优势。探索将具备优势的缺陷检测识别方法、缺陷提取方法与效率提升方法迭代结合的技术手段，发挥自动化快速缺陷识别技术优势，建立应用于精密光学晶体元件体缺陷工程化检测能力，将是缺陷检测技术面向未来的趋势。迄今为止，国内外尚未建立基于光学非线性效应光学元件质量评价系统，特别针对弱散射的晶体结构层面微小缺陷检测，晶体微观缺陷检测和表征的仪器有待进一步开发。
4.现有技术张科鹏：《基于散射测量的光学元件表面质量评估方法研究》，中国科学院大学2019博士学位论文中公开了一种显微散射暗场成像系统，该系统测量原理是：将多束高亮度白光光纤光源呈环形均固定在光源调整架上，调整使其以合适角度倾斜入射到被检表面，入射光束经瑕疵调制后形成散射光，利用放大成像系统如显微镜对散射光进行收集，并最终成像在ccd图像传感器上，获得由暗背景和亮特征构成的暗场图像，基于图像数字处理系统对所成图样进行分析，进而获得表面瑕疵信息。在上述显微散射暗场成像系统中，需要采用多束光源以不同的预设角度入射，检测光源成本交高。且该方案采用的是高亮度白光光纤光源，其入射至被检表面时候，对细微瑕疵的散射所形成的光点较小，收集到的散射光亮度较弱，ccd难以记录清晰图像，且白光光源需要经过复杂调制解调才能消除不同波长光线之间串扰，整个系统分辨率及鲁棒性均有待提高；同时该系统为了避免杂光影响，
通常需要在密闭的暗室进行，暗室壁还需要涂成黑色形成暗场，应用范围受到限制；再者该系统将光源均匀固定在光源调整架上，多束光纤分别同时以不同预设角度固定在光源调整架上，整个光源调整架分布于待测台上方且且趋于微弧面，无法形成同时接收反射光和散射光的半球面。
5.专利cn107044959a公开了一种显微多模态融合光谱检测系统，其包括拉曼光谱模块、荧光光谱模块、近红外光谱模块等多路同轴化设计，通过光学调制模块，对各光谱模块中光源发出光进行光路调制和通道闭合，光经光学显微模块的主光路传输到待测点后以漫反射或透射传输回光学调制模块，依次传输到各光谱获取模块得到待测对象的光谱，多模块设计使整个设计成本提高，且对调制解调要求较高。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，需要提供一种光散射角分辨检测分析系统，解决现有技术中分辨率和鲁棒性有待提高的技术问题，同时通过算法模型构建，实现检测速度快和检测精度高的优点，且能够同时运用于暗场或明场，运用范围得到拓展，并且本系统的结构能够降低整个系统设计成本。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种光散射角分辨检测分析系统，包括：光源、传输光纤、光纤准直镜组、第一旋转平台、被测光学元件、第二旋转平台、三维运动控制平台、探测器模块，数据处理与分析模块和控制器模块；
8.所述第二旋转平台以相对于三维运动控制平台表面轴向旋转的方式设于所述三维运动控制平台上，被测光学元件置于所述第二旋转平台上，所述第一旋转平台为一半球体形状并罩设于第二旋转平台和三维运动控制平台上的相对位置处；
9.所述光学准直镜组和探测器模块均设置于所述第一旋转平台上，所述光学准直镜组和探测器模块均可在所述第一旋转平台上以预设的角度旋转；第一旋转平台带动探测器模块和/或光纤准直镜组旋转，第二旋转平台带动探测被测光学元件旋转，旋转范围大速度快。
10.所述光源通过传输光纤传输至光学准直镜组后，经光学准直镜组准直后以预设角度入射至被测光学元件；
11.所述控制器模块分别与所述的第一旋转平台、第二旋转平台、三维运动控平台和探测器模块电性相连实现对各平台及探测器模块控制；
12.所述数据处理分析模块分别与探测器模块和控制器模块电性相连，数据处理分析模块对从探测器模块测得的光散射数据、散射光强分布数据和图像数据进行计算和分析得到被测光学元件表面信息，所述数据处理分析模块发送控制参数信息至控制器模块。
13.进一步的，所述探测器模块包括物镜系统、分光器、二维光电传感器和拉曼光谱仪，所述分光器将物镜系统接收到的散射光分为1:1的两部分，一部分进入拉曼光谱仪，一部分进入二维光电传感器。增加拉曼光谱仪能够对微弱光散射信号有效放大，从而提高检测精度，分辨率和鲁棒性均大大提高。
14.进一步的，所述散射光为物镜系统接收到的受光源照射而发出的被测光学元件缺陷位置的散射光。
15.进一步的，所述探测器模块在所述第一旋转平台上以预设的角度旋转步进量
△
α
旋转，旋转范围0～360
°
。
16.进一步的，所述探测器模块在所述第一旋转平台上以预设的角度步进量
△
β进行旋转，旋转范围0～360
°
。
17.进一步的，所述光学准直镜组和探测器模块在所述第一旋转平台上沿同心圆轨迹旋转。光纤准直镜组受控制器模块的控制，以预设的角度将光源发出的激光以预设的角度入射到位于第一旋转平台圆弧轨迹圆心处的被测光学元件上。
18.进一步的，所述第二旋转平台为圆形旋转平台，且该第二旋转平台沿旋转平台圆心位置旋转，旋转范围0～360
°
。所述第二旋转平台与所述的控制器模块连接，并受控制器模块控制。
19.进一步的，所述三维运动控制平台是用于承载第二旋转平台及其上的被测光学元件，并且把被测光学元件移入第一旋转平台的圆心点位置，并带动被测光学元件沿着x方向、y方向和z方向步进运动的三维位移台。
20.进一步的，所述光源为激光光源，波长为632.8nm或785nm，光源通过调节光束口径大小后经聚焦镜聚焦后的光束通过光纤耦合装置进入到传输光纤中。
21.进一步的，所述二维光电传感器是照相机、ccd、cmos图像传感器，或二维光电探测器阵列，其探测面上接收光束经过被测光学元件的图像数据，并与数据处理分析模块相连。
22.本发明还公开一种利用所述光散射角分辨检测分析系统对光散射角分辨检测分析的检测步骤，通过所述光散射角分辨检测分析系统获得n
×
m个拉曼光谱数据raman_a11_α1_β1、
……
、raman_a11_α1_βm、raman_a11_α2_β1、
……
、 raman_a11_α2_βm、
……
、raman_a11_αn_βm发送至数据处理分析模块中进行计算；根据角分辨检测的各个角度中的弱散射信号，分析其功率谱密度和总散射场强以反演出微小缺陷结构尺寸，从而完成该检测点的被测光学元件的光散射角分辨检测分析。
23.上述技术方案具有以下有益效果：
24.本发明采用角分辨散射法是对探测器在每个角度位置接收到的散射光强度分布曲线进行分析来实现对元件表面质量的评价。但不同于现有技术中所采用多束白光光纤同时多角度入射的方式，本发明创新式地采用了第一旋转平台、第二旋转平台，并采用拉曼光谱仪作为探测器的一部分，探测器同步采集当前位置的被测光学元件的拉曼光谱数据，并结合运动台反馈的第一旋转平台上光纤准直镜组角度αn和探测器模块的角度βm，采集并计算出n
×
m个检测位置a(x,y,z)的散射角θs、散射方位角φs，再以此计算出功率谱密度psd 和粗度δ的值，整个设计构思巧妙合理，避免了采用多个光源检测导致的误差，也简化了现有技术中的计算公式和流程步骤，设计成本低，整个算法由精准控制平移角度，数据样本有效率高，运算效率高，能够实现光学元器件缺陷的快速检测成像。
附图说明
25.图1为具体实施方式结构示意图。
26.图2为具体实施方式另一角度结构示意图。
27.图3为具体实施方式再一角度结构示意图
28.图4为具体实施方式的光散射示意图。
29.附图标记：1、光源；2、传输光纤；3、光纤准直镜组；4、第一旋转平台；5、被测光学元
件；6、第二旋转平台；7、三维运动控制平台；8、物镜系统；9、分光器；10、二维光电传感器；11、拉曼光谱仪；12、数据处理与分析模块；13、控制器模块。
具体实施方式
30.为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
31.实施例1
32.参考图1-图4所示，本实施例针对激光透过被测光学系统表面及内部缺陷发生了光的散射现象，创新性地采用线性响应的角分辨散射光场分析进行介观缺陷的结构和分布的识别和分析，开展晶体光学元件微缺陷的成像系统研制，进而拓展到精密光学元件和大口径光学元器件，以实现对光学元件中的缺陷的类型、分布和形成机理等进行系统分析。
33.本实施例1公开了一种基于光散射角分辨检测分析系统，沿着光线传播的方向依次是光源1、传输光纤2、光纤准直镜组3、第一旋转平台4、被测光学元件5、第二旋转平台6、三维运动控制平台7、物镜系统8、分光器9、二维光电传感器10、拉曼光谱仪11、数据处理与分析模块12、控制器模块 13；
34.所述的光源1是可以切换不同波长的激光光源，所述的光源1可切换的波长包括632.8nm、785nm；所述的光源1通过调节光束口径大小后经聚焦镜聚焦后的光束通过光纤耦合装置进入到传输光纤2中，再经过光纤准直镜组3 准直为平行光束，以预设的角度入射到固定在三维运动控制平台7和第二旋转平台6上的被测光学元件5；
35.所述的光学准直镜组3，用于对传输光纤2传输的激光光束进行滤波准直，使得光束以预设的光束直径平行入射到被测光学元件5上；
36.在探测光路上，探测器模块包括物镜系统8、二维光电传感器10和拉曼光谱仪11及其组件，并分别由数据线连接到数据处理分析模块12；所述的光源1入射光束的光学准直镜组3与探测器模块保持同心圆轨迹的第一旋转平台4上；
37.所述的第一旋转平台4是用于将探测器模块和光纤准直镜组3沿着同心圆轨迹进行调节的精密旋转模组，并与控制器模块13相连；
38.所述的光纤准直镜组3受控制器模块13的控制，以预设的角度将光源1 发出的激光以预设的角度入射到位于第一旋转平台4圆弧轨迹圆心处的被测光学元件5上；增加拉曼光谱仪11能够对微弱光散射信号有效放大，从而提高检测精度，分辨率和鲁棒性均大大提高。
39.所述的探测器模块受控制器模块13的控制，以预设的角度对激光光束入射到位于第一旋转平台4圆弧轨迹圆心处的被测光学元件5后发出的光散射数据和图像数据进行检测，并分别将采集到的数据传送给数据采集分析模块 12；
40.所述的第二旋转平台6，用于放置被测光学元件5，并且可以沿着旋转平台圆心位置，以预设的角度步进量进行旋转，旋转范围0～360
°
，并且与所述的控制器模块13连接，并受控制器模块13控制；
41.所述的三维运动控制平台7与控制器模块13相连，是用于承载第二旋转平台6及其上的被测光学元件5，并且把被测光学元件5移入第一旋转平台4 的圆心点位置，并带动被测光学元件5沿着x方向、y方向和z方向步进运动的三维位移台；
42.所述的分光器9，将物镜系统8接收到的受光源1照射而发出的被测光学元件5缺陷位置的散射光分为1:1的两部分，一部分进入拉曼光谱仪11，一部分进入二维光电传感器10；
43.所述的二维光电传感器10是照相机、ccd、cmos图像传感器、二维光电探测器阵列中的一种，其探测面上接收光束经过被测光学元件5的图像数据，并与数据处理分析模块12相连；
44.所述的拉曼光谱仪11，用于采集由分光器9分束的一部分受光源1照射而发出的被测光学元件5缺陷位置的散射光，并与数据处理分析模块12相连；
45.所述的数据处理分析模块12用于控制光散射角分辨检测过程、存储测量数据，并对光散射及拉曼光谱数据进行处理与分析。数据处理分析模块12可根据拉曼光谱仪11采集的弱散射信号数据结合三维运动控制平台7反馈的空间位置信息进行拼接成像；
46.所述的数据处理分析模块12与控制器模块13相连，并可以通过在数据处理分析模块12上设置参数从而通过控制器模块13对所述的第一旋转平台 4、第二旋转平台6、三维运动控平台7、物镜系统8、二维光电传感器10、拉曼光谱仪11的工作状态参数进行调节。
47.为了进一步说明本实施例的具体实施过程，下文详细阐述光散射角分辨检测分析系统对光散射角分辨检测分析的检测步骤，进而论证本实施例的光散射角分辨检测分析系统是如何提高检测精度，分辨率和鲁棒性的。
48.步骤一、将二维光电传感器10与被测光学元件5的坐标进行标定，建立被测光学元件5坐标与二维光电传感器10直角平面坐标的映射关系；
49.步骤二、将第二旋转平台6固定在三维运动控制平台7，以使第二旋转平台6随着三维运动控制平台7整体沿着x方向、y方向和z方向步进运动；
50.步骤三、将被测光学元件5固定在第二旋转平台6上，以使被测光学元件5沿着第二旋转平台6的圆心位置以预设的步进量进行旋转；
51.步骤四、控制器模块13控制三维运动控制平台7带动第二旋转平台6上的被测光学元件5沿着x方向、y方向和z方向步进运动，以将被测光学元件 5移动到第一旋转平台4的旋转轨迹的圆心位置，当前检测点位置设定为a11；
52.步骤五、开启光源1选择切换至预设波长，通过调节光束口径使其以预设大小例如光斑直径φ＝0.5mm的光束通过光纤耦合装置进入到传输光纤2 中，通过控制器模块13调整光纤准直镜组3在第一旋转平台上的角度，使其以预设的初始角度例如θ＝45
°
(图中未示意)入射到已位于第一旋转平台4 旋转轨迹圆心位置的被测光学元件5上；
53.步骤六、通过控制器模块13调整物镜系统8(探测器模块)在第一旋转平台4上的角度，使其以垂直角度β1＝90
°
对准已位于第一旋转平台4旋转轨迹圆心位置的被测光学元件5上，调整物镜系统8使得被测光学元件5进入物镜系统8的焦平面位置；
54.步骤七、保持物镜系统8(探测器模块)不动，控制器模块13调节第一旋转平台4，使得光纤准直镜组3以α1的角度对准已位于第一旋转平台4旋转轨迹圆心位置的被测光学元件5，具体参考图1所示；
55.步骤八、拉曼光谱仪11同步采集当前位置的被测光学元件5的拉曼光谱数据，并结合运动台反馈的第一旋转平台4上光纤准直镜组(3)角度α1和探测器模块的角度β1，生成数据raman_a11_α1_β1并发送给数据处理分析模块 12；
56.步骤九、保持光纤准直镜组3不动，控制器模块13控制探测器模块在第一旋转平台4上以预设的角度旋转步进量
△
β进行旋转至β2位置，拉曼光谱仪11采集当前位置的被测光学元件5的拉曼光谱数据，并结合运动台反馈的信息α1和β2，将数据raman_a11_α1_β2发送给数据处理分析模块12，具体参考图2所示；
57.步骤十、重复步骤九的操作，使得物镜系统8(探测器模块)以
△
β的角度旋转步进量旋转m次旋转角度共360
°
，计m＝360
°
/
△
β次，，
△
β的取值范围为5-20
°
，分别为β1,β2,β2,...,βm，拉曼光谱仪11采集当前位置的被测光学元件5的拉曼光谱数据，并结合运动台反馈的位置信息α1和βm，将数据raman_a11_α1_βm发送给数据处理分析模块12；
58.步骤十一、数据处理分析模块12根据采集到的当前位置下，被测光学元件5旋转360
°
所采集的拉曼光谱数据，拉曼光谱仪实现了对微弱光散射信号的有效放大，通过结合球面调和函数拟合方法解析散射数据；
59.步骤十二、保持三维运动控制平台7不动，控制器模块13控制光纤准直镜组3在第一旋转平台4上以预设的角度旋转步进量
△
α旋转n次，
△
α的取值范围为5-20
°
，分别至αn＝90
°‑
n*
△
α位置，并重复步骤八～十一，从而分别获得n
×
m个拉曼光谱数据raman_a11_α1_β1、
……
、raman_a11_α1_βm、raman_a11_α2_β1、raman_a11_α2_β2(如图3所示)、
……
、 raman_a11_α2_βm、
……
、raman_a11_αn_βm发送至数据处理分析模块12中进行计算，得到角分辨检测的各个角度中的弱散射信号；根据分析角分辨检测的各个角度中的弱散射信号，分析其功率谱密度和总散射场强以反演出微小缺陷结构尺寸，从而完成该检测点的被测光学元件5的光散射角分辨检测分析。
60.其中，根据角分辨检测的各个角度中的弱散射信号，分析其功率谱密度和总散射场强以反演出微小缺陷结构尺寸，从而完成该检测点的被测光学元件5的光散射角分辨检测分析，具体包括以下步骤：
61.参考图4所示，构建光纤准直镜组3在第一旋转平台4的旋转角度αn、探测器模块在在第一旋转平台4的旋转角度βm、散射角θs、散射方位角φs之间的关系如下公式(1)：
[0062][0063]
根据n
×
m个拉曼光谱数据的raman_a11_α1_β1、
……
、raman_a11_α1_βm、 raman_a11_α2_β1、
……
、raman_a11_α2_βm、
……
、raman_a11_αn_βm，分别计算出n
×
m个检测位置a(x,y,z)的散射角θs、散射方位角φs；本实施例的检测位置a(x,y,z)是指通过设置不同旋转角度αn的光纤准直镜组和不同旋转角度βm的探测器模块时，拉曼光谱仪所采集弱散射信号的各个角度(位置)，该检测位置a(x,y,z)并非指被测光学元件(5)所在的检测点位置a11。
[0064]
功率频谱密度(psd)与角分布散射(ars)之间关系满足：
[0065][0066]
[0067]
其中ars(θs,φs)是指散射角θs，散射方位角φs的检测位置a具有一个散射立体角
△
ωs，
△
ps为该散射立体角
△
ωs的散射光功率，pi为入射光功率，k＝2π//λ表示光波矢量，λ为入射光波长，q为包含表面折射率、偏振和散射几何信息光学因子，空间频率
[0068]
根据n
×
m个检测位置a(x,y,z)的散射角θs、散射方位角φs，通过上述公式计算出功率谱密度psd，再根据psd与均方根粗度值δ之间的关系公式δ2＝2π∫psd(f)fdf，最终计算得到粗度δ的值。
[0069]
本实施例针对激光透过被测光学系统表面及内部缺陷发生了光的散射现象，创新性地采用线性响应的角分辨散射光场分析进行介观缺陷的结构和分布的识别和分析，开展晶体光学元件微缺陷的成像系统研制，进而拓展到精密光学元件和大口径光学元器件，以实现对光学元件中的缺陷的类型、分布和形成机理等进行系统分析。
[0070]
本发明采用角分辨散射法是对探测器在每个角度位置接收到的散射光强度分布曲线进行分析来实现对元件表面质量的评价。但不同于现有技术中所采用多束白光光纤同时多角度入射的方式，本发明创新式地采用了第一旋转平台、第二旋转平台，并采用拉曼光谱仪11作为探测器的一部分，探测器同步采集当前位置的被测光学元件5的拉曼光谱数据，并结合运动台反馈的第一旋转平台4上光纤准直镜组3角度αn和探测器模块的角度βm变化，计算出 n
×
m个检测位置a(x,y,z)的散射角θs、散射方位角φs，再以此计算出功率谱密度psd和粗度δ的值，整个设计构思巧妙合理，避免了采用多个光源检测导致的误差，也简化了现有技术中的计算公式和流程步骤，设计成本低，整个算法由精准控制平移角度，数据样本有效率高，运算效率高，能够实现光学元器件缺陷的快速检测成像。
[0071]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
或“包含
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
[0072]
尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。