微结构样品检测设备及其检测方法与流程

1.本发明涉及微结构光场扫描技术领域，具体涉及一种微结构样品检测设备及其检测方法。


背景技术：

2.当今，应用于智能汽车、智能手机和便携显示设备的技术正在以非常快的速度变化和发展，人们希望将更多更好的功能挤入越来越小的空间。尽管如此，在光学模组领域，传统的基于几何光学的设计方案面临诸多限制，难以进一步实现技术的突破和应用。随着微纳光子学的发展，利用亚波长的结构单元来对光波进行调控和操纵成为可能，将结构单元进行有效的排布可以将多种复杂的光学功能集成在同一平面，最具代表性的是超构表面(metasurface)，其中起到透镜功能的超构表面叫做超构透镜(metalens)。由于超构透镜基于底层设计，实现了更高的光场调控自由度，相对于传统光学透镜，它具有平面化(几百纳米-几微米)，小型化(直径几十微米)，自由曲面和集成化等优势，在光通信、安防、智能驾驶、消费电子、医疗、科学仪器、传感等领域具有潜在应用价值。
3.光场扫描检测是将待检测的微结构样品(包括但不限于超构透镜)置于显微成像系统的物镜下，再将一束单色平行照明光以透射或反射的方式垂直照射到微结构样品上。先将微结构样品的加工表面调至显微物镜的最佳焦面处，此时定义为光场扫描的零点；使扫场电机工作，沿垂直于微结构样品的方向进行扫描采集图像，实现对微结构样品光场的扫描检测。根据不同扫场位置处的光强分布，可计算出微结构样品的光场信息，从而计算出微结构样品的焦距、mtf、psf、斯特列尔比、聚焦效率等参数，也可实现对微结构样品的频域信息检测，其对于微结构样品的加工性能检测具有重要意义。
4.现有的光场扫描检测技术存在以下问题：
5.1.不能根据微结构样品的实际口径和实际形状，调整照明光斑的大小和形状。
6.2.激光光束在准直后，经过光阑，发生衍射，因此照射在微结构样品面上的照明光斑强度分布呈现环纹状。当检测的微结构样品为超构透镜时，由于超构透镜表面也包含环纹状的微结构信息，当用带有环纹的照明光斑进行照明时，会造成样品信息判断不准确，如样品表面高度判断、样品表面微结构加工情况判断等，还会对扫描光场分布造成干扰，影响样品焦距、mtf(modulation transfer function，调制传递函数)、psf(point spread function，点扩散函数)、斯特列尔比、聚焦效率等参数的计算准确度。
7.3.当检测小尺寸的微结构样品时，使用到能量密度高、光束直径细的平行光束，光束经过透镜时发生较明显的二次反射，与原光束干涉，进而影响检测。
8.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

9.为克服现有技术存在的缺陷，现提供一种微结构样品检测设备及其检测方法，以
解决现有的光场扫描检测方法存在照明光斑形状大小不可调、光路中二次反射及菲涅尔衍射导致的检测样品信息判断不准确的问题。
10.为实现上述目的，提供一种微结构样品检测设备，包括：
11.成像光路，所述成像光路可同时或可切换地对微结构样品的表面或远场信息进行成像，所述成像光路具有用于放置微结构样品的载物台；
12.扫场电机，用于沿垂直于所述微结构样品的方向对所述微结构样品进行光场扫描；
13.长工作距平行光路，用于以反射或透射方式将单束平行照明光投射至所述微结构样品上，所述平行光路包括扩束整形镜组、选区光阑和中继镜组，所述扩束整形镜组具有一入射端和出射端，所述入射端对准于光源，所述选区光阑对准于所述出射端，所述中继镜组包括同光轴设置的前透镜和后透镜，所述前透镜对准于所述选区光阑的光阑孔，所述后透镜对准于所述微结构样品，所述微结构样品的样品面与所述选区光阑为物像共轭且像方远心。
14.进一步的，还包括用于产生不同尺寸的平行光束光斑的变束镜组，所述变束镜组设置于所述选区光阑和所述中继镜组之间。
15.进一步的，所述变束镜组为开普勒光路结构或伽利略光路结构。
16.进一步的，还包括第一挡杂光阑，所述选区光阑的中间像面位于所述变束镜组和中继镜组之间，所述第一挡杂光阑设置于所述中间像面处。
17.进一步的，所述中继镜组还包括第二挡杂光阑，所述第二挡杂光阑设置于所述前透镜和所述后透镜之间。
18.本发明提供一种微结构样品检测设备的检测方法，包括以下步骤：
19.将待检测的微结构样品放置于成像光路的载物台，并将所述微结构样品的样品面调整至所述成像光路的焦平面处，且所述微结构样品的样品面与选区光阑为物像共轭且像方远心；
20.将光源的光线导入平行光路，所述平行光路以反射或透射方式将单束平行照明光投射至所述微结构样品上；
21.所述扫场电机沿垂直于所述微结构样品的方向对所述微结构样品的光场分布进行扫描以获得所述微结构样品的光场信息；
22.基于所述光场信息，计算获得所述微结构样品的光学参数信息；
23.切换至所述成像光路的远场模式以获得所述微结构样品的频域信息。
24.进一步的，所述光学参数信息包括焦距、调制传递函数、点扩散函数、斯特列尔比、聚焦效率。
25.本发明的有益效果在于，本发明的微结构样品检测设备，其平行光路反射或透射平行光束具有长的工作距离，在一段长的工作范围内，光束平行度高，且边缘衍射效应小，适用于检测不同焦距的微结构样品。平行光路产生不同光束直径的平行光束，以适配不同微结构样品的尺寸。在选区光阑的后面增加了中继光路，使得微结构样品的样品面与选区光阑为物像共轭关系，且像方远心。选区光阑使用多边形光阑，在样品面处可得到强度均匀的平行光束光斑。激光光束经过本发明的微结构样品检测设备的平行光路的选区光阑和中继镜组后，避免平行光束发生菲涅尔衍射，进而使得打在微结构样品面上的照明光斑强度
分布均匀，提高了微结构样品的频域信息判断的准确度。
附图说明
26.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
27.图1为本发明实施例的微结构样品检测设备的结构示意图。
28.图2为本发明实施例的平行光路的结构示意图。
29.图3为本发明实施例的变束镜组的结构示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
31.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
32.参照图1至图3所示，本发明提供了一种微结构样品检测设备，用于微结构样品频域信息检测。具体的，在本实施例中，本发明的微结构样品检测设备包括：成像光路1、扫场电机2和长工作距平行光路3。
33.在本实施例中，成像光路为显微镜。显微镜安装有显微成像探测器、反射光照明组件和空间频谱成像探测器。
34.成像光路1具有用于放置微结构样品4的载物台12。
35.扫场电机2用于沿垂直于微结构样品4的方向对微结构样品4进行光场扫描。扫场电机2对准于微结构样品4。
36.平行光路3具有长工作距。平行光路3用于以反射或透射方式将单束平行照明光投射至微结构样品4上。
37.具体的，平行光路3包括扩束整形镜组31、选区光阑32和中继镜组33。扩束整形镜组31具有一入射端和出射端。入射端对准于光源。选区光阑32对准于出射端。中继镜组33包括同光轴设置的前透镜331和后透镜332，前透镜331对准于选区光阑32的光阑孔。后透镜332对准于微结构样品4。微结构样品4的样品面与选区光阑32为物像共轭且像方远心。
38.其中，微结构样品可为超构表面、超构透镜、涡旋光束片等平面光学元器件等。其中超构透镜样品的有效孔径范围可从10μm～10mm，焦距范围可覆盖5μm～50mm。
39.扩束整形镜组用于实现对不同输入形式激光的整形和扩束，如不同波长的空间光或光纤光的激光扩束整形实现方式。
40.扩束整形镜组采用柱透镜实现一维或二维光束整形扩束。
41.扩束整形镜组采用准直镜组实现光束准直扩束。
42.扩束整形镜组采用微透镜阵列实现特殊形状的光斑整形。
43.扩束整形镜组采用锥透镜实现环形光束整形。
44.扩束整形镜组的光路中可包含消色差元件或轴向调节元件，以保证不同波长的光束质量。
45.选区光阑32实现对光斑尺寸和形状的调制，可使用各种形状的硬边光阑，软边光阑。
46.选区光阑用于产生不同尺寸的平行光束光斑，以适配不同尺寸的微结构样品。包含但不限于开普勒或伽利略光路结构，光路中可包含消色差元件或轴向调节元件，以保证不同波长的光束质量。
47.中继镜组对选区光阑进行二次成像，用于形成长的透射照明工作距、且消除光阑边缘衍射的平行光束。
48.中继镜组包含但不限于4f光路，也可以是其他能够实现像方远心的中继成像光路。中继镜组的光路中可包含消色差元件或轴向调节元件，以保证不同波长的光束质量。
49.本发明的微结构样品检测设备，其平行光路透射平行光束具有长的工作距离，在一段长的工作范围内，光束平行度高，且边缘衍射效应小，适用于微结构样品。平行光路产生不同光束直径的平行光束，以适配不同微结构样品的尺寸。在选区光阑的后面增加了中继光路，使得微结构样品的样品面与选区光阑为物像共轭关系，且像方远心。选区光阑使用多边形光阑，在样品面处可得到强度均匀的平行光束光斑。激光光束经过本发明的微结构样品检测设备的平行光路的选区光阑和中继镜组后，避免平行光束发生菲涅尔衍射，进而使得照射到微结构样品面上的照明光斑强度分布均匀，提高了微结构样品的频域信息判断的准确度。
50.本发明的微结构样品检测设备还包括变束镜组34。变束镜组34用于产生不同尺寸的平行光束光斑。变束镜组34设置于选区光阑32和中继镜组33之间。
51.具体的，变束镜组34为开普勒光路结构或伽利略光路结构。
52.本发明的微结构样品检测设备还包括第一挡杂光阑35。选区光阑的中间像面位于变束镜组和中继镜组之间。第一挡杂光阑设置于所述中间像面处。
53.在选区光阑32的中间像面320处增加第一挡杂光阑35，阻挡经中继镜组的前透镜的界面反射的光形成二次反射回光，从而保证了照射到样品面的检测光斑的均匀性。
54.对于产生极细的平行光束的情况，为了防止中继镜组的镜片二次反射明显，消除二次反射，在中继镜组的前方设置第一挡杂光阑以消除杂光。
55.进一步的，在本实施例中，中继镜组33还包括第二挡杂光阑333。第二挡杂光阑333设置于前透镜331和后透镜332之间。
56.平行光束通过切换变束镜组的方式实现，以光纤激光器作为光源为例，光纤光经准直镜组准直后，经过可调光阑，后经过中继镜组后，以宽的平行光束形式投射到样品上。将切换模块切入光路后，准直光束经过可调光阑，后经过切换模块和中继镜组构成的二次成像光路，以窄的平行光束形式投射到样品上。
57.表1为图2所示的宽光束平行光路的组件的光学参数
[0058][0059][0060]
表2为图3所示的细光束平行光路的组件的光学参数
[0061][0062]
本发明提供一种微结构样品检测设备的检测方法，包括以下步骤：
[0063]
s1：将待检测的微结构样品4放置于成像光路1的载物台12，并将微结构样品4的样品面调整至成像光路1的物镜11的最佳焦面处，且微结构样品4的样品面与选区光阑32为物像共轭且像方远心。
[0064]
s2：将光源的光线导入平行光路3，平行光路3以反射或透射方式将单束平行照明光投射至微结构样品4上。
[0065]
s3：扫场电机2沿垂直于微结构样品4的方向对微结构样品4的光场进行扫描以获得微结构样品4的光场信息。
[0066]
s4：基于光场信息，计算获得微结构样品4的频域信息。频域信息包括焦距、mtf、psf、斯特列尔比、聚焦效率。
[0067]
以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

技术特征：
1.一种微结构样品检测设备，其特征在于，包括：成像光路，所述成像光路可同时或可切换地对微结构样品的表面或远场信息进行成像，所述成像光路具有用于放置微结构样品的载物台；扫场电机，用于沿垂直于所述微结构样品的方向对所述微结构样品进行光场扫描；长工作距平行光路，用于以反射或透射方式将单束平行照明光投射至所述微结构样品上，所述平行光路包括扩束整形镜组、选区光阑和中继镜组，所述扩束整形镜组具有一入射端和出射端，所述入射端对准于光源，所述选区光阑对准于所述出射端，所述中继镜组包括同光轴设置的前透镜和后透镜，所述前透镜对准于所述选区光阑的光阑孔，所述后透镜对准于所述微结构样品，所述微结构样品的样品面与所述选区光阑为物像共轭且像方远心。2.根据权利要求1所述的微结构样品检测设备，其特征在于，还包括用于产生不同尺寸的平行光束光斑的变束镜组，所述变束镜组设置于所述选区光阑和所述中继镜组之间。3.根据权利要求2所述的微结构样品检测设备，其特征在于，所述变束镜组为开普勒光路结构或伽利略光路结构。4.根据权利要求2所述的微结构样品检测设备，其特征在于，还包括第一挡杂光阑，所述选区光阑的中间像面位于所述变束镜组和中继镜组之间，所述第一挡杂光阑设置于所述中间像面处。5.根据权利要求1所述的微结构样品检测设备，其特征在于，所述中继镜组还包括第二挡杂光阑，所述第二挡杂光阑设置于所述前透镜和所述后透镜之间。6.一种如权利要求1～5中任意一项所述的微结构样品检测设备的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：将待检测的微结构样品放置于成像光路的载物台，并将所述微结构样品的样品面调整至所述成像光路的焦平面处，且所述微结构样品的样品面与选区光阑为物像共轭且像方远心；将光源的光线导入平行光路，所述平行光路以反射或透射方式将单束平行照明光投射至所述微结构样品上；所述扫场电机沿垂直于所述微结构样品的方向对所述微结构样品的光场分布进行扫描以获得所述微结构样品的光场信息；基于所述光场信息，计算获得所述微结构样品的光学参数信息；切换至所述成像光路的远场模式以获得所述微结构样品的频域信息。7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述光学参数信息包括焦距、调制传递函数、点扩散函数、斯特列尔比、聚焦效率。

技术总结
本发明公开了一种微结构样品检测设备及其检测方法，包括：成像光路，成像光路具有用于放置微结构样品的载物台；扫场电机，用于沿着垂直于微结构样品的方向，对样品进行轴向移动，从而进行光场扫描；长工作距平行光路，用于以反射或透射方式将单束平行照明光投射至微结构样品上，平行光路包括扩束整形镜组、选区光阑和中继镜组，扩束整形镜组具有一入射端和出射端，入射端对准于光源，选区光阑对准于出射端，中继镜组包括同光轴设置的前透镜和后透镜，前透镜对准于选区光阑的光阑孔，后透镜对准于微结构样品，微结构样品的样品面与选区光阑为物像共轭且像方远心。本发明解决了现有的光场扫描检测方法存在检测的样品光学参数信息不准确的问题。息不准确的问题。息不准确的问题。


技术研发人员：隆军 赵茂雄 卢国鹏 胡松婷 王婷婷 殷海玮
受保护的技术使用者：上海复享光学股份有限公司
技术研发日：2023.07.03
技术公布日：2023/9/9