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原文传递显微散射偏振成像表面缺陷测量装置和测量方法

专利名称：	显微散射偏振成像表面缺陷测量装置和测量方法
摘要：	一种显微散射偏振成像表面缺陷测量装置和测量方法，该装置主要包括激光器、第一会聚透镜、旋转扩散器、第二会聚透镜、光阑、第三会聚透镜、针孔、第四会聚透镜、偏振片、半波片、偏振分束器、X‑Y位移平台、样品、显微镜头、四分之一波片、微偏振片阵列、相机和计算机。本发明采用微偏振片阵列实现表面缺陷实时显微散射偏振成像，通过计算偏振度图像，提升了超光滑元件表面缺陷探测的灵敏度，实现高反膜元件表面缺陷有效检测，能够满足米级大口径超光滑元件表面缺陷快速检测需求。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	上海;31
申请人：	中国科学院上海光学精密机械研究所
发明人：	邵建达;刘世杰;倪开灶;王圣浩;周游;王微微;徐天柱;鲁棋
专利状态：	有效
申请日期：	2019-07-08T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-12T00:00:00+0800
申请号：	CN201910609670.6
公开号：	CN110441309A
代理机构：	上海恒慧知识产权代理事务所(特殊普通合伙)
代理人：	张宁展
分类号：	G01N21/88(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	201800上海市嘉定区清河路390号
主权项：	1.一种显微散射偏振成像表面缺陷测量装置，其特征在于，包括激光器(1)、第一会聚透镜(2)、旋转扩散器(3)、第二会聚透镜(4)、光阑(5)、第三会聚透镜(6)、针孔(7)、第四会聚透镜(8)、偏振片(9)、半波片(10)、偏振分束器(11)、X-Y位移平台(12)、样品(13)、显微镜头(14)、四分之一波片(15)、微偏振片阵列(16)、相机(17)和计算机(18)；所述的激光器(1)、第一会聚透镜(2)、旋转扩散器(3)、第二会聚透镜(4)、光阑(5)、第三会聚透镜(6)、针孔(7)、第四会聚透镜(8)、偏振片(9)、半波片(10)、偏振分束器(11)依次共光轴排列，该光轴与所述的样品(13)的待测表面的法线成一定角度；所述的第一会聚透镜(2)与第二会聚透镜(4)共焦，所述的旋转扩散器(3)位于共焦位置；所述的第三会聚透镜(6)与第四会聚透镜(8)共焦，所述的针孔(7)位于共焦位置；所述的显微镜头(14)、四分之一波片(15)、微偏振片阵列(16)和相机(17)依次共光轴排列，该光轴位于入射面内，与所述的样品(13)待测表面的法线平行；所述的四分之一波片(15)的快轴与沿所述的显微镜头(14)的光轴传播的s偏振(或p偏振)光的偏振面的夹角为45°；所述的微偏振片阵列(16)由多个2×2单元的微纳结构周期性构成，每一个2×2单元包含四个透射光偏振方向，分别为0°、45°、90°和135°，所述的微偏振片阵列(16)的尺寸与所述的相机(17)感光芯片的尺寸一致，两者紧密贴合，每一个像素位置重合；所述的微偏振片阵列(16)的像元尺寸与所述的相机(17)的像元尺寸一致；所述的样品(13)固定在所述的X-Y位移平台(12)上，所述的样品(13)的待测表面位于所述的显微镜头(14)的成像物面上；所述的计算机(18)的输出端与所述的旋转扩散器(3)、相机(17)和X-Y位移平台(12)的控制端相连，所述的相机(17)的输出端与所述的计算机(18)的输入端相连。 2.利用权利要求1所述的显微散射偏振成像表面缺陷测量装置进行超光滑元件表面缺陷检测的测量方法，其特征在于，该方法包括下列步骤： 1)将所述的样品(13)固定在所述的X-Y位移平台(12)上； 2)所述的激光器(1)发出的光束依次通过所述的第一会聚透镜(2)、旋转扩散器(3)和第二会聚透镜(4)后被降低相干性和扩束准直，微调所述的光阑(5)选取出射光束中较均匀部分，选取的均匀光束依次通过所述的第三会聚透镜(6)、针孔(7)和第四会聚透镜(8)组成的滤波系统后输出准直光束；该准直光束经过所述的偏振片(9)后成为线偏振光，该线偏振光依次经过所述的半波片(10)和偏振分束器(11)后变成s偏振(或p偏振)光斜入射到所述的样品(13)的待测表面； 3)旋转所述的半波片(10)，使通过所述的偏振分束器(11)输出的s偏振(或p偏振)光强度最大；该s偏振(或p偏振)光照射在所述的样品(13)的待测表面上；所述的样品(13)的光滑表面和表面缺陷产生的散射光依次通过所述的显微镜头(14)、四分之一波片(15)和微偏振片阵列(16)后，在所述的相机(17)上成像，得到单个子孔径散射偏振图像； 4)所述的X-Y位移平台(12)按设计的路线移动，实现所述的样品(13)待测表面的全口径测量； 5)所述的旋转扩散器(3)、相机(17)和X-Y位移平台(12)在所述的计算机(18)控制下工作，所述的X-Y位移平台(12)每移动一个位置，所述的相机(17)获取一幅散射偏振图像并输入所述的计算机(18)； 6)所述的计算机(18)对所述的每一幅散射偏振图像进行如下数据处理： ①计算所有子孔径散射偏振图像的偏振度图像：所述的微偏振片阵列(16)每一个2×2单元的四个偏振方向的透射光强分别为I0、I45、I90和I135；所述的相机(17)采集的每一幅散射偏振子孔径图像包含M×N个像素，每一个像素(i,j)的线偏振度D(i,j)由其与周围相邻另外三个像素(i,j+1)、(i+1,j)及(i+1,j+1)共四个像素的光强I0、I45、I90和I135按下式计算得到：所述的s偏振(或p偏振)光经过样品(13)表面，光滑表面产生的散射光偏振态在入射面内几乎不变，通过所述的四分之一波片(15)后，散射光的偏振态接近圆偏振，I0、I45、I90和I135接近，由上式计算的线偏振度接近0；所述的s偏振(或p偏振)光经过样品表面缺陷发生多重散射，产生的散射光偏振态发生改变，s偏振(或p偏振)光中包含p偏振(或s偏振)光；经过四分之一波片(15)后，散射光偏振态偏离圆偏振，由上式计算的线偏振度发生显著变化，不再为0；所述的样品(13)表面缺陷越严重，线偏振度越大；由上式计算的经过四分之一波片(15)后的散射光线偏振度的取值范围为[0,1]；重复上述计算过程得到所有子孔径散射偏振图像的偏振度图像； ②计算偏振度灰度图像：将值在[0,1]的偏振度图像线性投影到值在[0,255]的灰度图像，即： G(i,j)＝INT(D(i,j)·255) 其中，G(i,j)表示单幅偏振度图像中像素(i,j)经过线性投影后的灰度值，INT为取整函数；经过上述投影变换得到适合数字图像处理的所有子孔径偏振度灰度图像；偏振度灰度图像为不依赖光强分布的背景均匀的暗背景亮缺陷图像； ③利用现有的子孔径图像拼接、中值滤波、二值化、形态学孔洞填充和特征提取方法提取表面缺陷的尺寸和位置信息。
所属类别：	发明专利