CN101135653A - 光学平面表面疵病的激光散射检测系统 - Google Patents

Abstract

一种光学平面表面疵病的激光散射检测系统，包括置放待测光学元件的X－Y精密步进平台，采用两束激光分别从垂直与倾斜两个方向聚焦照射待测光学元件的平面表面，产生的散射光通过多个光电探测器在不同方位角收集，转化为电信号后输入计算机，计算机通过步进电机驱动所述的X－Y精密步进平台带动待测光学元件，进行扫描测量，将测量的散射光信号与计算机数据库中已知的光学平面表面标准疵病的散射光信号进行比对，以实现光学平面表面疵病的定位、分类与分级。本发明具有分辨率高、准确率高、检测效率高以及不受人为主观因素与肉眼疲劳度影响等优点。

Description

光学平面表面疵病的激光散射检测系统

技术领域

本发明涉及光学平面，特别是一种光学平面表面疵病的激光散射检测系统。该系统是利用光学平面表面的疵病对入射激光的散射，利用米氏散射原理在暗场条件下多通道收集疵病各个方向的散射光，实现疵病的识别、定位、分类以及等级划分。

背景技术

所谓表面疵病是指光学元件表面异乎寻常的结构，精密光学元件表面疵病大致分为麻点、擦痕、开口气泡、破点及破边，是光学加工质量的重要指标，疵病的影响主要表现为：

①光束质量下降；

②损伤点产生的局部热效应造成光学元件破坏；

③由于光束在损伤点的衍射造成其它光学元件的损伤等。

对于高功率激光装置，光学元件的疵病的影响尤为严重。

目前对于光学元件损伤的检测，主要是利用非激光光源照明并靠人眼来观测，该方法是在暗场照明的情况下使用光学放大镜，通过人眼直接观测表面并判断疵病等级，其缺点是费时费力、效率低，且由于人为主观因素以及人眼疲劳程度等多方面因素的影响，使判断有较大的不确定性。随着现代光学技术，尤其是高功率激光技术的发展，对光学元件的加工与检验提出了更为苛刻的要求。仅凭目测的方法已不能满足要求。

大口径精密光学元件表面的疵病需要满足国家标准的Ⅱ级标准，疵病的检测不能像检验表面粗糙度那样采用抽样取平均之类的方式，而必须查找元件有效孔径内的所有可能的疵病。

表面疵病对于入射激光会产生散射，散射信号包含了疵病的类型和尺寸等非常丰富的信息，通过暗场收集疵病的散射光，并对各个方位角的散射信号进行分析，可以实现表面疵病的定位，分类，分级。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种光学平面表面疵病的激光散射检测系统，实现光学平面表面疵病的定位、分类和分级。

本发明的具体技术解决方案如下：

一种光学平面表面疵病的激光散射检测系统，包括置放待测光学元件的X-Y精密步进平台，采用两束激光分别从垂直与倾斜两个方向聚焦照射待测光学元件的平面表面，产生的散射光通过多个光电探测器在不同方位角收集，转化为电信号后输入计算机，计算机通过步进电机驱动所述的X-Y精密步进平台带动待测光学元件，进行扫描测量，将测量的散射光信号与计算机数据库中已知的光学平面表面标准疵病的散射光信号进行比对，以实现光学平面表面疵病的定位、分类与分级。

一种光学平面表面疵病的激光散射检测系统，其特征在于包括：

一供置放待测光学元件的X-Y精密步进平台；

在所述X-Y精密步进平台的法线方向和待测光学元件的上方，自下而上同光轴地依次设置第二平面反射镜、散射光收集光阑、散射光收集物镜、光纤组收集器，该光纤组收集器位于所述的散射光收集物镜的后焦面，该光纤组收集器所收集的多路散射光信号经光纤组引入光电探测器阵列转化为多路电信号，所述的第二平面反射镜与所述的法线方向呈45°；

一激光器，沿该激光器发出的激光束的方向同光轴地依次设置法拉第隔离器、扩束透镜、准直透镜、聚焦透镜、分光镜和第一平面反射镜，该第一平面反射镜与所述的激光器发出的激光束的夹角为35°，所述的分光镜的分光面与所述的激光束成45°，所述的激光束被所述的分光镜分成反射光束和透射光束，该透射光束经第一平面反射镜反射后倾斜地聚焦在所述的待测光学元件的平面表面上，该反射光束经第二平面反射镜反射后垂直地聚焦在所述的待测光学元件的平面表面上，该两照射光束在所述的待测光学元件的平面表面上共焦斑；

一台计算机，所述的光电探测器阵列收集的散射光信号转化为多路电信号，经过整形滤波后由高速数据采集卡输入该计算机(18)；该计算机的控制端接驱动模块，该驱动模块在该计算机的控制下通过步进马达驱动所述的X-Y精密步进平台运动。

在所述的第一平面反射镜反射后反射光束的倾斜地照射所述的待测光学元件的透射方向和反射方向设有光陷阱，在所述的第二平面反射镜反射后的反射光束垂直地照射所述的待测光学元件的透射方向亦设有光陷阱。

所述的光纤组收集器具有多个分散的散射光收集点，该多个分散的散射光收集点呈中心对称分布。

所述的散射光收集光阑是一具有中心孔的圆环，贴设在所述的散射光收集物镜上，将散射光收集物镜分成周围宽通道和中间窄通道。

所述的X-Y精密步进平台具有一定的Z向可调节能力，以便检测不同厚度的光学元件时，入射激光的焦斑始终位于待测光学元件的平面表面。

所述的激光器为激光二极管泵浦的倍频激光器，输出波长为λ＝532nm功率200mW的稳定激光。

同现有的目测法技术相比，本发明具有以下技术特点：

1、与现有技术相比，该发明由于采用了激光二极管激光扫描照明系统、高灵敏度的光电探测器(如光电倍增管阵列)、多通道暗场散射光收集、反射光与透射光光陷阱吸收等方法与技术，提高了信号的信噪比，进而提高了系统的分辨率与准确度，排除了人为主观因素的影响，使得系统能够更为精确稳定的检测、分类、分级表面疵病，提高了检测效率降低了成本。

2、与现有技术相比，本发明除了可以更为准确识别表面疵病以外，还可以对表面疵病进行精确定位与记录，对疵病等级进行更为科学的评价，能够统计光学平面表面更为丰富的疵病信息，并且能够对于每块检测的光学平面表面疵病信息进行存储，以便后续分析。

3、本发明特别实用于大口径精密光学平面疵病信息的检测。

附图说明

图1是本发明光学平面表面疵病的激光散射检测系统原理示意图。

图2是本发明散射光收集机构的光纤组排列结构截面图。

图3是本发明散射光收集机构物镜光阑示意图。

图4、图5是本发明系统信号处理框图。

具体实施方式

先请参阅图1，图1是本发明光学平面表面疵病的激光散射检测系统原理示意图。也是本发明最佳实施例的结构示意图，由图可见，本发明光学平面表面疵病的激光散射检测系统，其组成包括：

一供置放待测光学元件9的X-Y精密步进平台12；

在所述X-Y精密步进平台12的法线方向和待测光学元件9的上方，自下而上同光轴地依次设置第二平面反射镜8、散射光收集光阑14、散射光收集物镜15、光纤组收集器16，该光纤组收集器16位于所述的散射光收集物镜15的后焦面，该光纤组收集器16所收集的多路散射光信号经光纤组17引入光电探测器阵列19转化为多路电信号，所述的第二平面反射镜8与所述的法线方向呈45°；

激光器1，沿该激光器发出的激光束的方向同光轴地依次设置法拉第隔离器2、扩束透镜3、准直透镜4、聚焦透镜5、分光镜6和第一平面反射镜7，所述的分光镜6的分光面与所述的激光束成45°，所述的激光束被所述的分光镜6分成反射光束和透射光束，该透射光束经第一平面反射镜7反射后倾斜地聚焦在所述的待测光学元件9的平面表面上，该光束的入射角为70°，该反射光束经第二平面反射镜8反射后垂直地聚焦在所述的待测光学元件9的平面表面上，该两照射光束在所述的待测光学元件9的平面表面上共焦斑；

一台计算机17，所述的光电探测器阵列19收集的散射光信号转化为多路电信号，经过整形滤波后由高速数据采集卡20输入该计算机18；该计算机18的控制端接驱动模块11，该驱动模块11在该计算机18的控制下通过步进马达10驱动所述的X-Y精密步进平台12运动。

本实施例中，在所述的第一平面反射镜7反射后反射光束的倾斜地照射所述的待测光学元件9的透射方向和反射方向设有光陷阱13，在所述的第二平面反射镜8反射后的反射光束垂直地照射所述的待测光学元件9的透射方向亦设有光陷阱13。

本实施例中，所述的光纤组收集器16如图2所示，具有多个分散的散射光收集点，该多个分散的散射光收集点呈中心对称分布，包括中心散射光收集点161和环状分布的散射光收集点162，散射光收集点的数量越多越有利于疵病分类，但是也会增加系统成本，并且增加信号处理难度，可以根据实际需要适当选取光纤组17光纤的数量。

所述的散射光收集光阑14是一具有中心孔141的圆环，贴设在所述的散射光收集物镜15上，将散射光收集物镜15分成周围宽通道和中间窄通道。

所述的X-Y精密步进平台12具有一定的Z向可调节能力，以便检测不同厚度的光学元件时，入射激光的焦斑始终位于待测光学元件9的平面表面。

所述的激光器1为激光二极管泵浦的倍频激光器，输出波长为λ＝532nm功率200mW的稳定激光。

激光二极管泵浦倍频激光器1输出波长为λ＝532nm功率200mW的稳定激光经法拉第隔离器2，经扩束透镜3、准直透镜4、聚焦透镜5实现光束的扩束、准直、聚焦，被分光镜6分为透射光束和反射光束，分别由第一平面反射镜7、第二平面反射镜8沿倾斜与垂直两个方向入射聚焦于待测光学元件9表面；10为步进马达由计算机18控制驱动模块11实现驱动；12为X-Y精密步进平台，用于带动待测光学元件9并使其具有一定的Z向可调节能力，以便检测不同厚度的光学元件时，入射激光的焦斑始终位于检测平面表面；13为系统的光陷阱，用于吸收掉反射光与透射光，减少其对疵病散射信号的影响；14为散射光收集系统的光阑，将收集物镜分为周围宽通道和中间窄通道，以便收集各个不同通道的信号；15为一具有大数值孔径的散射光收集物镜；16为光纤组收集器，收集的多路散射光信号经由光纤组17引入光电探测器阵列19，转化为多路电信号，经过整形滤波后经由高速数据采集卡20采集传入计算机18中保存。

图4、图5是系统信号处理框图。如图所示，多个光电探测器单元输出的电信号经独立放大、滤波、整形模块后经由高速数据采集卡20转化为数字信号传入计算机18并保存，计算机18同时接收并保存来自步进扫描平台的位置信息，这些数据将在扫描结束后参与后续的计算分析。扫描完成后，系统从计算机数据库中提取每一个待分析的疵病的信号，分别与计算机数据库中的标准疵病信号进行对比，得到对应每个标准信号的可信度值，求出最大可信度对应的标准疵病，可以认为待分析疵病与该标准疵病最为符合为等效关系，该标准疵病可以较好的代替所分析的疵病。

标准疵病信息是通过其他精密仪器(干涉仪、隧道显微镜、AFT等)，做出大小、深浅、分布完全控制的疵病标准检测样本，扫描检测样本，测得的数据存入计算机数据库，作为系统比对所需的标准疵病信号。X-Y精密步进平台12带动待测钕玻璃片作X-Y步进扫描运动，对表面的扫描分辨率达1μm；重复精度达5μm。

经试用表明，本发明具有分辨率高、准确率高、检测效率高以及不受人为主观因素与肉眼疲劳度影响等优点。

Claims (7)

1.一种光学平面表面疵病的激光散射检测系统，其特征在于包括置放待测光学元件的X-Y精密步进平台，采用两束激光分别从垂直与倾斜两个方向聚焦照射待测光学元件的平面表面，产生的散射光通过多个光电探测器在不同方位角收集，转化为电信号后输入计算机，计算机通过步进电机驱动所述的X-Y精密步进平台带动待测光学元件，进行扫描测量，将测量的散射光信号与计算机数据库中已知的光学平面表面标准疵病的散射光信号进行比对，以实现光学平面表面疵病的定位、分类与分级。

2.根据权利要求1所述的光学平面表面疵病的激光散射检测系统，其特征在于包括：一供置放待测光学元件(9)的X-Y精密步进平台(12)；

在所述X-Y精密步进平台(12)的法线方向和待测光学元件(9)的上方，自下而上同光轴地依次设置第二平面反射镜(8)、散射光收集光阑(14)、散射光收集物镜(15)、光纤组收集器(16)，该光纤组收集器(16)位于所述的散射光收集物镜(15)的后焦面，该光纤组收集器(16)所收集的多路散射光信号经光纤组(17)引入光电探测器阵列(19)转化为多路电信号，所述的第二平面反射镜(8)与所述的法线方向呈45°；

一激光器(1)，沿该激光器(1)发出的激光束的方向同光轴地依次设置法拉第隔离器(2)、扩束透镜(3)、准直透镜(4)、聚焦透镜(5)、分光镜(6)和第一平面反射镜(7)，该第一平面反射镜与所述的激光器发出的激光束的夹角为35°，所述的分光镜(6)的分光面与所述的激光束成45°，所述的激光束被所述的分光镜(6)分成反射光束和透射光束，该透射光束经第一平面反射镜(7)反射后倾斜地聚焦在所述的待测光学元件(9)的平面表面上，该反射光束经第二平面反射镜(8)反射后垂直地聚焦在所述的待测光学元件(9)的平面表面上，该两照射光束在所述的待测光学元件(9)的平面表面上共焦斑；

一台计算机(17)，所述的光电探测器阵列(19)收集的散射光信号转化为多路电信号，经过整形滤波后由高速数据采集卡(20)输入该计算机(18)；该计算机(18)的控制端接驱动模块(11)，该驱动模块(11)在该计算机(18)的控制下通过步进马达(10)驱动所述的X-Y精密步进平台(12)运动。

3.根据权利要求2所述的光学平面表面疵病的激光散射检测系统，其特征是在所述的第一平面反射镜(7)反射后反射光束的倾斜地照射所述的待测光学元件(9)的透射方向和反射方向设有光陷阱(13)，在所述的第二平面反射镜(8)反射后的反射光束垂直地照射所述的待测光学元件(9)的透射方向亦设有光陷阱(13)。

4.根据权利要求2所述的光学平面表面疵病的激光散射检测系统，其特征在于所述的光纤组收集器(16)具有多个分散的散射光收集点，该多个分散的散射光收集点呈中心对称分布。

5.根据权利要求2所述的光学平面表面疵病的激光散射检测系统，其特征在于所述的散射光收集光阑(14)是一具有中心孔(141)的圆环，贴设在所述的散射光收集物镜(15)上，将散射光收集物镜(15)分成周围宽通道和中间窄通道。

6.根据权利要求2所述的光学平面表面疵病的激光散射检测系统，其特征在于所述的X-Y精密步进平台(12)具有一定的Z向可调节能力，以便检测不同厚度的光学元件时，入射激光的焦斑始终位于待测光学元件(9)的平面表面。

7.根据权利要求2所述的光学平面表面疵病的激光散射检测系统，其特征在于所述的激光器(1)为激光二极管泵浦的倍频激光器，输出波长为λ＝532nm功率200mW的稳定激光。

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