高速激光线扫描晶体缺陷共焦线暗场散射检测系统

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，更具体地说是一种高速激光线扫描晶体内部缺陷的检测系统，涉及点线共焦技术和激光暗场散射技术。

背景技术

目前，固体激光器是最常用的激光器，晶体是固体激光系统中的核心工作物质，其主要功能是作为发射激光的增益物质，晶体光学质量的好坏对激光系统的频率转换、光增益和光调制等关键性能有着决定性的影响。由于光学晶体胚块的生长过程十分漫长，在此期间难免会产生各种各样的宏观和微观缺陷，其中最容易出现的有：开裂、包囊物、生长条纹和杂质颗粒。因此，光学晶体胚块在被制成光学晶体器件时，要进行内部的缺陷检测，掌握缺陷的大小、位置等信息，从而使晶体胚块制作出光学晶体时能够完美地避开缺陷，这成为提高光学晶体质量、制备效率以及固体激光器性能的必要手段。

已有的用于检测晶体缺陷的方法包括数字全息成像法、并行共焦显微镜和激光散射断层法各有利弊，其中：

数字全息成像法是利用光的干涉和衍射来实现物体三维图像的采集与重现，被激光照射的物体产生散射光束，其中一部分的光束被光电传感器件CCD记录成全息图，然后将全息图存入计算机，用计算机模拟光学衍射过程来实现被记录物体的全息再现和处理，最后通过观察全息来实现光学晶体内部缺陷的检测。虽然数字全息成像法的准确度高，但是它的准确性高度依赖全息反演算法，干涉数据冗余量大，计算相当费时，导致其在工业生产时检测速度极慢，不能满足晶体生产的在线检测需求。

并行共焦显微镜是通过分光元件使得光源分光成一列阵点光源，并使得每一束光束都成像到被检测物体上形成光点，而每个光点又同时成像到探测器件上，它们点与点对应，实现了物体的二维信息的采集与记录，将每个二维面记录完后，即可实现物体的三维重建，从而实现光学晶体的内部缺陷检测。但是并行共焦显微镜的最大问题就是数值孔径NA与视场FOV之间的矛盾，大数值孔径将线视场限制在毫米级，根本无法做到晶体内部缺陷的快速检测，因此这种技术也不能满足晶体生产的快速检测需求。

激光散射断层法是用鲍威尔镜片将射入的准直激光束在一定角度中均匀射出，使得扇形激光束穿透被测物体的二维平面，激光束遇到缺陷后会产生散射，用CCD将每一层的散射光收集，实现物体的内部缺陷检测。虽然激光散射断层法的检测速度非常快，但是缺乏共焦功能，而且CCD的成像具有景深的缺陷，这会导致散射光的串扰十分严重、背景噪声大、信噪比低，很难实现晶体内部缺陷的高效检测，极易出现纰漏，导致晶体生产的优质比降低。

因此，目前急需一种可以既高速又准确地检测晶体内部缺陷大小、位置的方法，为晶体生产的高效化提供保证。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种高速激光线扫描晶体缺陷共焦线暗场散射检测系统，以实现晶体内部缺陷的高速且高灵敏度的检测。

本发明为解决技术问题采取如下技术方案：

本发明高速激光线扫描晶体缺陷共焦线暗场散射检测系统的特点是：所述检测系统包括激光测头单元和散射光检测单元；

所述激光测头单元的光路结构为：由激光器出射的激光束经半波片调整偏振态后，经由第一反射镜和第二反射镜折叠光路后入射到扩束镜，利用所述扩束镜获得扩束激光束，所述扩束激光束通过第三反射镜反射到旋转的线阵扫描器件，将入射的激光束扫描成周期性扇形激光束，首先由光电二极管检测以获得行触发信号，再入射到远心场镜中，利用所述远心场镜将入射在远心场镜中的有效激光束平行且聚焦在被测晶体的内部，形成聚焦在远心场镜的焦线上的线阵扫描激光束；

所述散射光检测单元的光路结构为：由共焦器件和导光器件构成散射光收集模块，所述扫描激光束在针对存在内部缺陷的被测晶体进行扫描后形成为散射光，所述散射光首先入射到共焦器件，利用所述共焦器件实现扫描线与导光器件的收集线共焦，使所述散射光由导光光纤从入射端传递到出射端，并在所述导光光纤的出射光路中经滤光片滤除杂光，最后由光电倍增管进行信号接收。

本发明高速激光线扫描晶体缺陷共焦线暗场散射检测系统的特点也在于：由电机驱动线阵扫描器件按设定的旋转频率进行旋转，将入射到线阵扫描器件上的准直激光束扫描成周期性扇形激光束，远心场镜将每一束有效激光束聚焦为扫描激光束，在被测晶体的内部按设定的速度在Z方向上进行线扫描。

本发明高速激光线扫描晶体缺陷共焦线暗场散射检测系统的特点也在于：

设置测头二维移动基座，将由所述激光器、半波片、第一反射镜、第二反射镜、扩束镜、第三反射镜、线阵扫描器件，以及远心场镜构成的激光测头单元整体设置在所述测头二维移动基座上，使所述激光测头单元能够相对于固定设置的被测晶体分别实现X和Y方向上的移动；

设置检测二维移动基座，将由所述共焦器件、导光光纤、滤光片以及光电倍增管构成的散射光检测单元整体设置在所述检测二维移动基座上，使所述散射光检测单元能够相对于固定设置的被测晶体分别实现X和Y方向上的移动；

通过控制所述测头二维移动基座和检测二维移动基座相对于被测晶体(14)在X方向上以速度v

本发明高速激光线扫描晶体缺陷共焦线暗场散射检测系统的特点也在于：

所述速度v

式(1)中：

ω为扫描光斑的半径；ΔT为线阵扫描器件的单面扫描周期；

且：ΔT＝1/(8f

所述一个光斑间距是指一个光斑直径，即2ω的值。

本发明高速激光线扫描晶体缺陷共焦线暗场散射检测系统的特点也在于：所述线阵扫描器件为多面体棱镜、声光调制器，或为数字微镜扫描器。

本发明高速激光线扫描晶体缺陷共焦线暗场散射检测系统的特点也在于：所述共焦器件为柱面镜，或为柱状椭面镜。

本发明高速激光线扫描晶体缺陷共焦线暗场散射检测系统的特点也在于：所述线阵扫描器件的转动轴处于远心场镜的后焦面上。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明针对点-点共焦技术的视场范围窄小的问题利用点-线共焦技术突破了传统线共焦显微镜的数值孔径NA与视场FOV相互制约的技术瓶颈，将线视场从“毫米”量级大幅提升到“数十毫米”量级，为晶体缺陷高速检测提供了技术保障；

2、本发明针对线-线共焦技术存在的串扰问题利用激光线共焦暗场散射高速扫描技术使线共焦器件在激光扫描的每一瞬间仍保持完整的共焦性能，克服了传统线共焦中相邻扫描位置射光存在串扰、共焦性能下降、背景噪声增大的难题，为晶体缺陷的高灵敏度检测提供了技术基础。

附图说明

图1为本发明高速激光线扫描晶体缺陷共焦线暗场散射检测系统光路示意图；

图2为本发明中线阵扫描器件与远心场镜的工作原理示意图；

图3a为本发明中导光光纤的入射端导光光纤束布局示意图；

图3b为本发明中导光光纤的出射端导光光纤束布局示意图；

图4为本发明激光线扫描晶体截面策略示意图；

图5为本发明三维扫描晶体内部策略图。

图中标号：1激光器、2半波片、3第一反射镜、4第二反射镜、5扩束镜、6第三反射镜、7线阵扫描器件、8光电二极管、9远心场镜、10共焦器件、11导光光纤、11a导光光纤入射端、11b导光光纤出射端、12滤光片、13光电倍增管、14被测晶体、A1周期性扇形激光束、A2有效激光束、A3线阵扫描激光束。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例中高速激光线扫描晶体缺陷共焦线暗场散射检测系统包括激光测头单元和散射光检测单元。

参见图1，本实施例中激光测头单元的光路结构为：由激光器1出射的激光束经半波片2调整偏振态后，经由第一反射镜3和第二反射镜4构成的折叠光路后入射到扩束镜5，利用扩束镜5获得扩束激光束，扩束激光束通过第三反射镜6反射到旋转的线阵扫描器件7，经线阵扫描器件7扫描出射的周期性扇形激光束A1首先由光电二极管8检测获得行触发信号，再入射到远心场镜9中，利用远心场镜9将入射在远心场镜9中的有效激光束A2平行且聚焦在被测晶体14的内部，形成聚焦在远心场镜的焦线上的扫描激光束；其中，第一反射镜3和第二反射镜4用以改变激光束传播方向，利用折叠光路实现光学器件的合理布局，扩束镜5用以增加激光束的直径，光电二极管8用于检测行触发信号。

如图1所示，本实施例中散射光检测单元的光路结构为：由共焦器件10和导光器件11构成散射光收集模块，扫描激光束在针对存在内部缺陷的被测晶体14进行扫描后形成散射光，散射光首先入射到共焦器件10，利用共焦器件10实现扫描线与导光器件11的收集线共焦，使散射光由导光光纤11从入射端传递到出射端，并在导光光纤11的出射光路中经滤光片12滤除杂光，最后由光电倍增管13进行信号接收；远心场镜9的扫描焦线与散射光收集模块的入射端在共焦器件10的一对共轭焦线上，用以收集散射光；导光光纤11的内部为导光光纤束，激光由入射端进入后在导光光纤束内多次反射，最终在出射端射出到光电倍增管13；滤光片12用于滤除指定波长之外的杂光，以减小噪声影响；光电倍增管13设在散射光收集模块的出射端，用于收集被测晶体内部缺陷散射光信号，并转化为电信号；

具体实施中，由电机驱动线阵扫描器件7按设定的旋转频率进行旋转，将入射到线阵扫描器件7上的准直激光束扫描成周期性扇形激光束，远心场镜9将每一束有效激光束聚焦为扫描激光束，在被测晶体17的内部按设定的速度在Z方向上进行线扫描。

设置测头二维移动基座，将由激光器1、半波片2、第一反射镜3、第二反射镜4、扩束镜5，第三反射镜6、线阵扫描器件7，以及远心场镜9构成的激光测头单元整体设置在测头二维移动基座上，使激光测头单元能够相对于固定设置的被测晶体14分别实现X和Y方向上的移动；设置检测二维移动基座，将由共焦器件10、导光光纤11、滤光片12以及光电倍增管13构成的散射光检测单元整体设置在检测二维移动基座上，使散射光检测单元能够相对于固定设置的被测晶体14分别实现X和Y方向上的移动。

通过控制测头二维移动基座和检测二维移动基座相对于被测晶体14在X方向上以速度v

速度v

式(1)中：ω为扫描光斑的半径，其由远心场镜的规格决定；ΔT为线阵扫描器件(7)的单面扫描周期；且：ΔT＝1/(8f

一个光斑间距是指一个光斑直径，即2ω的值。

具体实施中，线阵扫描器件7可以采用多面体棱镜、声光调制器，或为数字微镜扫描器；共焦器件10为柱面镜，或为柱状椭面镜；线阵扫描器件7的转动轴处于远心场镜9的后焦面上。

图2所示的本实施例中线阵扫描器件7与远心场镜9的工作原理是：线阵扫描器件7采用多面体棱镜，第三反射镜6将增大直径的激光束反射到由电机带动高速旋转的多面体棱镜上，扫描出周期性扇形激光束A1，单周期内的扇形激光束首先扫射到光电二极管8上，光电二极管8检测到行触发信号，设备开始运行检测散射光信号，并能通过检测到行触发信号的次数来判断单个截面的检测是否完成，之后单周期内有效激光束A2经远心场镜9聚焦成线阵扫描激光束A3。

图3a和图3b分别示出了本实施例中导光光纤的入射端与出射端的布局方式：导光光纤入射端11a的导光光纤束成排布局为长条状，长条状的长度不小于扫描焦线的长度，导光光纤出射端11b的导光光纤束布局为圆面，导光光纤束的纤芯与包层的折射率不同，激光能够在纤芯中通过全反射进行传递。

图4示出了本实施例中激光线扫描晶体截面策略，显示两列光斑以作示意：为了使聚焦光斑阵列完全覆盖扫描平面上所有位置，相邻聚焦光斑之间的距离必须小于

单个周期内，有效激光线长度L对应的时间为Δt，因此剩余激光线在一个周期内的占空比k为：k＝Δt/ΔT，根据有效激光线长度范围内的实际聚焦光斑数量N

图5示出了本实施例中光斑在晶体内部进行三维扫描策略：激光测头单元与散射光检测单元在移动装置的带动下在X轴上以设定速度移动即可将晶体内部的单一截面进行扫描；在移动装置的带动下，两装置再在Y轴上移动一个光斑直径，即可实现晶体内部的三维扫描。

本发明中高速激光线扫描晶体缺陷共焦线暗场散射检测系统按照如下步骤进行控制：

步骤1，激光器1发射一束指定波长的激光，半波片2调整激光偏振态，随后第一反射镜3、第二反射镜4改变激光传播方向来折叠光路，随后入射到扩束镜5中；

步骤2，扩束镜5增大激光束直径后经第三扩束镜6反射到高速旋转的多面体棱镜7上，扫描出周期性扇形激光束，先入射到光电二极管8，光电二极管检测到行触发信号，激光测头单元和散射光检测单元在X轴上以相同的设定速度移动，并且散射光检测单元开始采集散射光信号；

步骤3，多面体棱镜7扫描出的有效激光束在远心场镜的作用下聚焦在晶体内部(远心场镜的焦线)，并在焦线上进行线扫描，然后激光测头单元和散射光检测单元在两台移动装置的移动下，对晶体内部单一截面进行扫描；

步骤4，如果某一时刻晶体内部有一点存在缺陷，扫描激光束遇到该点缺陷产生散射，散射光通过共焦器件10的共焦原理入射到导光器件11的长条状入射端，这样可以最大程度的收集缺陷散射光，散射光在导光器件11中的导光光纤束内多次反射，最终在出射端射出，经过滤光片12后射入到光电倍增管13，散射光光信号就被转化为电信号进行传输；

步骤5，扫描激光束在扫描完一个截面后，两个移动基座带动激光测头单元和散射光检测单元在Y轴方向上移动一个光斑直径，扫描下一个截面；

步骤6、多次重复以上步骤最终可以实现晶体内部所有点的扫描。

在本发明中，除非有明确的规定和限定，特征之间相互交错，不一定独立存在。以上显示与描述包括本发明的基本原理、主要特征及其优点。从事该专业的技术人员需知，本发明不局限于上述实施例的限制，上述的实施例与说明书仅为本发明的优选例，而不是用来限制本发明，以成为唯一选择。在发明的精神和范围要求下，本发明还可进一步变化并优化，对本发明进行的改进优化都进入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护具体范围由所附的权利要求书及其等效物界定。