一种轨道角动量域暗场成像系统及成像方法

本发明涉及表面缺陷检测领域，更具体地说是涉及一种轨道角动量域暗场成像方法和成像系统。

背景技术：

1、暗场散射成像是一种高灵敏度的表面缺陷检测技术，它使用相干光或非相干光以一定倾角照射被测表面，若被测表面存在缺陷(如：划痕、麻点、凹坑、脏污等)，缺陷在空间中产生散射光。根据傅里叶光学理论，沿入射光方向的散射光一般携带被测表面的低频信息，偏离入射光方向的散射光则携带表面缺陷的高频信息。将探测器设置于偏离入射光的方向，对携带高频信息的散射光进行收集和探测，以获得表面缺陷信息。通过对被测表面进行二维扫描，可获得暗背景、亮缺陷的暗场散射图像。

2、基于上述原理，暗场散射成像系统一般将入射光方向和散射光探测方向之间的夹角设置在50°至80°之间，即尽可能在空间域将被测表面的低频信息和表面缺陷的高频信息分离开。另外，携带高频信息的暗场散射光强通常很弱。为提高探测灵敏度，暗场散射成像系统一方面常采用大倾角入射光结合高数值孔径的椭球面反射镜、抛物面反射镜、物镜等元器件，导致系统硬件设计复杂、公差预算紧，对结构稳定性要求极高；另一方面常通过提高入射光能量提高暗场散射信号的信噪比，导致被测元件面临高能辐照损伤风险。

技术实现思路

1、本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种轨道角动量域暗场成像方法与成像系统，利用高斯基模光束照射被测表面，反射光场携带表面缺陷引起的相位延迟，通过衍射在远场形成畸变光场，畸变光场通过空间光调制器上写入的涡旋光全息图展开到轨道角动量域，利用2f系统测量畸变光场在各模态下的展开系数，从而实现高灵敏度地探测表面缺陷的散射光，克服现有方法暗场散射光弱、探测结构复杂和被测元件潜在损伤的难题。

2、本发明为实现发明目的采用如下技术方案：

3、本发明轨道角动量域暗场成像系统的特点是包括高斯基模光束照明模块、样品及扫描模块和轨道角动量域模态分解模块；

4、所述高斯基模光束照明模块，用于产生线偏振的、聚焦的高斯基模光束；

5、所述样品及扫描模块，用于实现高斯基模光束与样品之间的相对扫描；

6、所述轨道角动量域模态分解模块，用于将表面缺陷远场衍射的畸变光场通过空间光调制器写入的全息图在轨道角动量域进行模态分解，获取各模态下的展开系数，所述展开系数包括幅值和模间相位。

7、本发明轨道角动量域暗场成像系统的特点也在于：所述高斯基模光束照明模块，按照光线传播方向依次包括：激光器、半波片、扩束器、分光镜和聚焦物镜；所述样品及扫描模块，能够为样品在二维直线位移台的带动下相对于高斯基模光束做横向扫描，也能够为高斯基模光束照明模块在扫描机构的带动下相对于样品做横向扫描；所述轨道角动量域模态分解模块，按照光线传播方向依次包括样品、聚焦物镜、分光镜、反射镜、空间光调制器、2f系统、空间滤波器和光电探测器。

8、本发明轨道角动量域暗场成像系统的特点也在于：所述半波片的旋转角度使得高斯基模光束的线偏振方向平行于空间光调制器的液晶e轴。

9、本发明轨道角动量域暗场成像系统的特点也在于：由面阵光电探测器代替设置在所述2f系统的后焦平面上的空间滤波器和光电探测器的组合。

10、本发明轨道角动量域暗场成像方法的特点是利用轨道角动量域暗场成像系统，按如下步骤实现轨道角动量域暗场成像：

11、步骤1、激光器发出的线偏振高斯基模光束经过扩束器扩束后，由物镜聚焦到被测表面任意一点，记为p点，p点的坐标记为(px,py)；

12、步骤2、若被测表面p点存在缺陷，则被测表面的反射光场携带表面缺陷引起的相位延迟，通过衍射在远场形成畸变光场u(x,y)，所述畸变光场u(x,y)照射在空间光调制器上；

13、步骤3、在所述空间光调制器上依次写入不同模态的涡旋光全息图ψn(x,y)，其中n表示模态阶数，n的值为整数，所述涡旋光全息图ψn(x,y)将表面缺陷反射的畸变光场按照式(1)进行模态分解：

14、

15、其中：<·|·>表示内积，为ψn(x,y)的共轭；

16、步骤4、空间光调制器后方设置的2f系统将模态分解后的光场傅里叶变换到2f系统的后焦面上，得到由式(2)表示的频谱：

17、

18、其中：kx和ky表示频谱面坐标，表示傅里叶变换；取频谱面坐标中心w(kx＝0,ky＝0)，得到如式(3)所示的表面缺陷反射光场在轨道角动量域进行模态分解的展开系数cn：

19、cn＝ρnexp(iφn)＝w(kx＝0,ky＝0)        (3)

20、其中：ρn为展开系数的幅值，φn为模间相位，i为虚数，

21、步骤5、利用聚焦的高斯基模光束对被测表面进行逐点扫描，对每一点j重复步骤1至步骤4，获得被测表面各点的展开系数cn(jx,jy)；

22、步骤6、由展开系数的幅值平方或模间相位获得表面缺陷的暗场图像；

23、所述展开系数的幅值平方为：|ρn(jx,jy)2

24、所述展开系数的模间相位为：φn(jx,jy)

25、由此实现轨道角动量域暗场成像。

26、本发明轨道角动量域暗场成像方法的特点也在于：

27、在所述步骤1中，所述高斯基模光束的线偏振方向平行于空间光调制器的液晶e轴；

28、在所述步骤2中，被测表面反射光场的远场衍射距离选择为使得空间光调制器液晶靶面尺寸覆盖畸变光场；

29、在所述步骤3中，涡旋光全息图ψn(x,y)由涡旋光束的螺旋相位和闪耀光栅相位叠加后取模而成为：

30、ψn(x,y)＝modulo[ψn(x,y)vortex+ψn(x,y)grating,2π]     (4)

31、其中：modulo[·]表示取模运算，ψn(x,y)vortex为涡旋光束的螺旋相位，ψn(x,y)grating为闪耀光栅相位。

32、在所述步骤4中，频谱中心分量的范围根据式(5)选择为：

33、

34、其中：λ为高斯基模光束的波长，f为2f系统的焦距，d为入射到2f系统的光束直径。

35、本发明轨道角动量域暗场成像方法的特点也在于：

36、在所述步骤4中，模间相位由下述步骤得到：

37、步骤4.1、在空间光调制器上写入模态阶数为n＝0的全息图ψ0(x,y)，畸变光场u(x,y)经模态分解后，由2f系统测量出展开系数的幅值平方如式(6)：

38、

39、其中，ρ0为当模态阶数为n＝0时对应的展开系数的幅值；

40、步骤4.2、在空间光调制器上写入模态阶数为n≠0的全息图ψn(x,y)，畸变光场u(x,y)经模态分解后，由2f系统测量出展开系数的幅值平方为如式(7)：

41、

42、其中：ρn为当模态阶数为n≠0时对应的展开系数的幅值；

43、步骤4.3、在空间光调制器上写入混合全息图ψ0(x,y)+ψn(x,y)，畸变光场u(x,y)经模态分解后，由2f系统测量出展开系数的幅值平方如式(8)：

44、

45、其中：为混合模态阶数对应的展开系数的余弦项幅值；

46、步骤4.4、在空间光调制器上写入混合全息图ψ0(x,y)+i·ψn(x,y)，畸变光场u(x,y)经模态分解后，由2f系统测量出展开系数的幅值平方如式(9)：

47、

48、其中：为混合模态阶数对应的展开系数的正弦项幅值；

49、则有：

50、

51、利用式(10)计算获得模间相位φn。

52、本发明从轨道角动量本征态在数学上构成一组完备正交基的理论出发，提出一种轨道角动量域的暗场成像方法，利用高斯基模光束照射被测表面，反射光场携带表面缺陷引起的相位延迟，通过衍射在远场形成畸变光场，畸变光场通过空间光调制器上写入的涡旋光全息图展开到轨道角动量域(即模态分解)，利用2f系统测量畸变光场在各模态下的展开系数(包括幅值和模间相位)，来获取表面缺陷的暗场图像；与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

53、1、本发明对高斯基模光束照明下表面缺陷的反射光场在轨道角动量域进行模态分解，可通过不同阶数模态下的展开系数分析表面缺陷特征，通常在轨道角动量的一阶模态下即可获得强对比度的暗场图像；

54、2、本发明在表面缺陷的反射光场经模态分解后的展开系数中，振幅信息得到的暗场图像对空间高频信息更加敏感，而模间相位信息得到的暗场图像对散射光的串扰和噪声有一定抑制作用；

55、3、本发明利用表面缺陷的反射光进行轨道角动量域暗场成像，可以最大程度地利用高强度的明场光，提高信噪比，降低对照明光束功率的要求，避免元件损伤。