基于涡旋二向色性的暗场共焦显微测量装置与方法

本发明属于光学精密测量，主要涉及一种基于涡旋二向色性的暗场共焦显微测量装置与方法。通过阵列涡旋波片生成涡旋光照明样品，提取散射信号，同时对±m阶涡旋光照明下的散射信号作差考察涡旋二向色性，可获取微纳材料的结构特征，同时获取其手性信息。

背景技术：

1、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。其中，光学元件缺陷的手性结构会严重影响入射光束的光场分布情况，降低光斑质量。

2、暗场共焦显微测量技术具有良好的光学层析能力、较高的成像分辨率以及暗背景带来的较高成像对比度等优势，已成为光学元件无损三维检测的重要手段。普通光学暗场共焦显微测量技术仅能实现样品的几何缺陷检测，如划痕、气泡等，但其无法获取缺陷的其他物理化学性质。为了更为全面地表征光学元件及材料的缺陷特性，以更准确地实现缺陷识别及分类，集成多种模态的显微测量方式被更多地应用在了缺陷测量领域。然而样品的手性检测依然缺少有力工具。

3、因此，如何设置一种样品手性检测工具，实现样品有效检测是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、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。

2、本发明公开了一种基于涡旋二向色性的暗场共焦显微测量装置与方法，在利用一阶涡旋光照明下的暗场共焦获取微结构样品的结构信息和工业光学样品表面划痕、磨损等缺陷信息的同时，利用涡旋散射二向色性谱分析获取微纳结构的手性信息，为微纳结构检测提供一种新的途径。该装置与方法同现有技术相比，解决了普通暗场共焦技术成像模式单一，无法获取样品手性信息的缺陷，一定程度实现物性检测分析。

3、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

4、本发明提供了一种基于涡旋二向色性的暗场共焦显微测量装置，包括阵列涡旋光产生模块、阵列涡旋光照明模块和阵列暗场共焦探测模块；

5、所述阵列涡旋光产生模块按照光线传播方向依次为：激光器、半波片、四分之一波片、一维扫描振镜、扫描透镜、管镜和阵列涡旋波片，产生涡旋照明光束通过阵列涡旋波片照射至非偏振分束器生成光路一和光路二，分别照射至所述阵列涡旋光照明模块和所述阵列暗场共焦探测模块；

6、所述阵列涡旋光照明模块按照光线传播方向依次为：非偏振分束器、物镜、待测样品和三维位移台，物镜将光路一的光束聚焦在放置于所述三维位移台上的所述待测样品上，并反馈反射光与散射光至所述阵列暗场共焦探测模块；

7、所述阵列暗场共焦探测模块按照光线传播方向依次为：孔径光阑阵列、聚焦透镜、单模光纤和pmt探测器，在光路二的光束照明下采集反馈的散射光，得到涡旋二向色性散射信号。

8、进一步地：激光器出射线偏振激光，由半波片和四分之一波片调节光束偏振方向为圆偏振光。

9、进一步地：光束由一维扫描振镜改变传播方向，依次经扫描透镜和管镜后照射入阵列涡旋波片，阵列涡旋波片包含涡旋相位阵列，每一个涡旋相位分布exp(imφ)，对应阶为m，光束照明在其上后生成m阶涡旋照明光束，光束入射在±m阶涡旋相位图的中心，m＝0,1,2…,10。

10、进一步地：通过阵列涡旋波片的各阶涡旋照明光束经过非偏振分束器由物镜聚焦在待测样品上的同一个焦点后，物镜收集的反射光与散射光通过非偏正分束器折射至孔径光阑阵列。非偏正分束器以50：50分束，光束从左至右入射至所述待测样品，样品回光从右向左传输后被非偏正分束器反射，以此呈现出两路；在孔径光阑阵列对反射光进行滤光，只接收散射光。

11、进一步地：孔径光阑阵列上每个通光孔径中心位置与阵列涡旋波片的涡旋相位中心位置相同，且具有相同的通光孔径，具体孔径大小与1阶涡旋照明光束的照明下反射的环形涡旋光的中心暗斑匹配。

12、进一步地：通过孔径光阑阵列的散射光进入聚焦透镜，耦合进单模光纤并由pmt探测器收集散射光信号，记录信号强度。

13、进一步地：对+m阶涡旋照明光束照明下的pmt探测器收集的散射光信号与-m阶涡旋照明光束照明下的pmt探测器收集的散射光信号作差，得到涡旋二向色性散射信号。收集的散射光信号为pmt信号。

14、本发明提供了一种基于涡旋二向色性的暗场共焦显微测量方法，该方法是基于涡旋二向色性的暗场共焦显微测量装置实现的，具体步骤：

15、步骤a、激光器出射线偏振激光，由半波片和四分之一波片调节光束偏振方向为圆偏振光；

16、步骤b、圆偏振光由一维扫描振镜改变传播方向，对一维扫描振镜加载21个固定电压，使其偏转的光束经扫描透镜和管镜后入射阵列涡旋波片上±m阶涡旋相位图的中心，m＝0,1,2…,10，产生涡旋照明光束；

17、步骤c、通过阵列涡旋波片的涡旋照明光束经过非偏振分束器后由物镜聚焦在待测样品上的同一个焦点；

18、步骤d、物镜收集的反射光与散射光经过非偏振分束器后，通过孔径光阑阵列滤除任意阶涡旋反射光，保留光束中心的散射光；

19、步骤e、聚焦透镜将散射光聚焦至单模光纤，由pmt探测器收集；

20、步骤f、对±m阶涡旋照明光束照明下pmt探测器记录的散射光作差，得到涡旋二向色性散射信号；

21、步骤g、利用三维位移台移动待测样品，改变聚焦光斑的位置，并返回所述步骤c，获得下一聚焦光斑位置的涡旋二向色性散射信号，获得待测样本的二维或三维图像。直接分析一阶涡旋照明下的散射信号，可提取亚表面划痕、磨损及亚表面裂痕、气泡等缺陷的三维分布信息。

22、有益效果：

23、第一、一维扫描振镜配合阵列涡旋波片生成涡旋光束照明样品可以灵活控制照明涡旋光的阶数，实现多功能检测。其中±1阶涡旋光照明下的暗场共焦信号可实现微纳结构检测以及工业样品缺陷检测，更高阶的±m阶涡旋光照明下的暗场共焦信号可以实现涡旋二向色性散射信号即微纳结构手性信息的提取；

24、第二、装置采用暗场探测的测量方案，利用光阑阵列反射信号和散射信号的分离，提升手性检测的灵敏度。

技术特征：

1.基于涡旋二向色性的暗场共焦显微测量装置，其特征在于：包括阵列涡旋光产生模块、阵列涡旋光照明模块和阵列暗场共焦探测模块；

2.根据权利要求1所述的基于涡旋二向色性的暗场共焦显微测量装置，其特征在于：激光器(1)出射线偏振激光，由半波片(2)和四分之一波片(3)调节线偏振激光的光束偏振方向为圆偏振光。

3.根据权利要求2所述的基于涡旋二向色性的暗场共焦显微测量装置，其特征在于：光束由一维扫描振镜(4)改变传播方向，依次经扫描透镜(5)和管镜(6)后照射入阵列涡旋波片(7)，阵列涡旋波片(7)包含涡旋相位阵列，每一个涡旋相位分布对应阶为m，光束照明在其上后生成m阶涡旋照明光束，光束入射在±m阶涡旋相位图的中心，m＝0,1,2…,10。

4.根据权利要求3所述的基于涡旋二向色性的暗场共焦显微测量装置，其特征在于：通过阵列涡旋波片(7)的各阶涡旋照明光束经过非偏振分束器(8)后由物镜(9)聚焦在待测样品(10)上的同一个焦点后，物镜(9)收集的反射光与散射光通过非偏正分束器(8)折射至孔径光阑阵列(12)。

5.根据权利要求3所述的基于涡旋二向色性的暗场共焦显微测量装置，其特征在于：孔径光阑阵列(12)上每个通光孔径中心位置与阵列涡旋波片(7)的涡旋相位中心位置相同，且具有相同的通光孔径，具体孔径大小与1阶涡旋照明光束的照明下反射的环形涡旋光的中心暗斑匹配。

6.根据权利要求4所述的基于涡旋二向色性的暗场共焦显微测量装置，其特征在于：通过孔径光阑阵列(12)的散射光进入聚焦透镜(13)，耦合进单模光纤(14)并由pmt探测器(15)收集散射光信号，记录信号强度。

7.根据权利要求6所述的基于涡旋二向色性的暗场共焦显微测量装置，其特征在于：对+m阶涡旋照明光束照明下的pmt探测器(15)收集的散射光信号与-m阶涡旋照明光束照明下的pmt探测器(15)收集的散射光信号作差，得到涡旋二向色性散射信号。

8.基于涡旋二向色性的暗场共焦显微测量方法，该方法是基于权利要求1-7任一项所述的基于涡旋二向色性的暗场共焦显微测量装置实现的，其特征在于：具体步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于涡旋二向色性的暗场共焦显微测量装置与方法，属于光学精密测量技术领域。包括阵列涡旋光产生模块、阵列涡旋光照明模块和阵列暗场共焦探测模块；阵列涡旋光产生模块的阵列涡旋波片生成涡旋光照明阵列涡旋光照明模块的样品，阵列暗场共焦探测模块提取散射信号，并对相反阶数涡旋光照明下的收集的散射信号作差。直接分析一阶涡旋照明下的散射信号，可提取亚表面划痕、磨损及亚表面裂痕、气泡等缺陷的三维分布信息；分析相反阶涡旋光照明下的散射信号差值，可获取微纳结构的手性信息。

技术研发人员：刘俭,刘辰光,华子杰
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13