CN102288622A - 光学元件内部缺陷的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种光学元件内部缺陷的检测装置，包括：载物台、照明系统和成像系统；其中，所述照明系统相对于载物台的位置按照如下方式设置：在待测光学元件置于载物台上后，照明系统发出的照明光束可以正入射方式照射所述光学元件的表面；所述成像系统设置于所述载物台上光学元件的侧面外，可获取照明系统发出的照明光束在光学元件厚度方向形成的照明截面的二维图像。利用该装置能够实现对光学元件的内部缺陷的检测，而且还能够区分表面缺陷和内部缺陷。本发明还提供一种光学元件的检测方法。

Description

光学元件内部缺陷的检测方法及装置

技术领域

本发明涉及光学元件检测技术领域，具体涉及玻璃、塑料、透明晶体等透明材质的光学元件的内部缺陷的检测的装置及方法。

背景技术

高功率固体激光装置作为惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion，ICF)的驱动器，需要大量的大口径光学元件。然而，随着高功率固体激光器能量密度的逐渐提高，光学元件抗激光损伤能力已经成为阻碍输出通量增大的“瓶颈”。

光学元件的缺陷是引起光学元件激光损伤主要因素之一。数值模拟和实验结果表明光学元件的激光损伤往往是缺陷处局部熔坑或炸裂。因为光学元件中的缺陷对激光的吸收比材料的本征吸收高出几个数量级，而且缺陷周围易导致高强度电磁场和小尺度自聚焦，局部温度的急剧升高导致热应力超过材料的断裂强度而产生损伤，常伴随炸裂、熔融材料喷射等现象。另外，光学元件的缺陷还会引起不同程度的散射和衍射，严重影响了光学系统的性能。因此，如何有效检测光学元件的缺陷是ICF系统建造中亟待解决的工程问题，也是光学加工产业中必须解决的基础问题。

光学元件缺陷包括元件材料本身的及元件生产过程引入的内部缺陷(如气泡和杂质等)和光学元件加工过程引入的表面缺陷(如划痕、麻点、开口气泡、破点和破边等)及亚表面缺陷(如裂缝点和划痕等)。目前，一般是根据光学元件缺陷所处的位置不同，采用不同的检测方法与设备分别检测光学元件表面缺陷、亚表面缺陷和内部缺陷。对于光学元件表面缺陷和亚表面缺陷，目前已经发展了一些检测方法。例如，表面缺陷(即表面疵病)的检测方法主要有成像法、散射能量分析法与表面微观轮廓检测法等。亚表面缺陷检测的方法有将亚表面缺陷直接暴露出来观察的破坏性方法(如酸刻法、磁流变抛光三维分析法)，以及全内反射显微(total internal reflection microscopy，TIRM)技术、亚表面损伤深度与表面粗糙度比例模型预测法等非破坏性方法。

光学元件的内部缺陷，目前还没有成熟的检测方法和成型的检测设备。一些研究人员对光学元件内部缺陷的检测进行了初步的研究。其中方法之一是采用LED光源以掠入射方式照明被检测光学元件，当光线照射到光学元件内部缺陷或表面缺陷、亚表面缺陷时发生强烈散射，在暗室内利用CCD对其成像，从而得到二维缺陷分布。然而，该方法还存在如下问题：该检测结果是二维分布，无法区分内部缺陷和表面缺陷，因此在加工之前不能判断光学元件的内部缺陷是否满足要求。

发明内容

本发明提供一种光学元件的检测装置，利用该装置能够实现对光学元件的内部缺陷的检测，而且还能够区分表面缺陷和内部缺陷。本发明还提供一种光学元件的检测方法。

本发明提供的一种光学元件内部缺陷的检测装置，包括：载物台、照明系统和成像系统；

其中，所述照明系统相对于载物台的位置按照如下方式设置：在待测光学元件置于载物台上后，照明系统发出的照明光束可以正入射方式照射所述光学元件的表面；

所述成像系统设置于所述载物台上光学元件的侧面外，可获取照明系统发出的照明光束在光学元件厚度方向形成的照明截面的二维图像。

可选的，所述照明系统包括激光光源和设置于该激光光源出光方向的光束整形系统。

可选的，所述光束整形系统包括沿同一光轴依次设置的第一柱面镜、第二柱面镜和准直透镜组；所述第一柱面镜和第二柱面镜母线相互垂直且共轭距相等，所述准直透镜组的前焦点与所述第二柱面镜的后焦点重合；所述激光光源发出的光由所述第一柱面镜入射，并由所述准直透镜组出射，出射的光束为带状光束。

可选的，所述激光光源为半导体泵浦固体激光器。

优选的，还包括二维扫描支架，所述载物台固定装配于该二维扫描支架上，所述扫描支架的扫描维度x垂直于所述照明截面，扫描维度y平行于所述照明截面，该二维扫描支架可实现光学元件沿其表面二维方向移动。

可选的，所述成像系统包括成像透镜和摄像头；二者的设置位置使得所述照明截面与摄像头相对于所述成像透镜处于共轭位置。

可选的，所述成像透镜的数值孔径大于0.06；摄像头的分辨率大于480×640，摄像头的采集频率大于20帧每秒。

可选的，还包括与所述摄像头连接的图像处理装置。

优选的，还包括一维扫描支架，所述成像系统固定装配于该一维扫描支架上；该扫描支架的扫描维度x’与所述二维扫描支架的扫描维度x同向，且该一维扫描支架的扫描速度为二维扫描支架x方向扫描速度的n倍；其中n为待测光学元件的折射率。

本发明还提供一种光学元件的内部检测方法，包括如下步骤：

提供待检测光学元件；

以照明光束垂直照射所述光学元件的表面；

获取照明光束在所述光学元件厚度方向形成的截面的二维图像；

以照明光束扫描该光学元件的整个表面，获取该光学元件内部缺陷的三维图像；

对所获取的光学元件的图像中的缺陷进行识别和标记，并根据缺陷的位置识别表面缺陷和内部缺陷。

与现有技术相比，本发明的其中一个方面具有如下优点：光学元件内部缺陷的检测装置采用细带状均匀光束照明系统和高分辨率成像系统，可实现对光学元件内部陷的有效检测；由于光学元件的表面缺陷和内部缺陷中的散射成像光斑在成像后是分离的，因而可以很容易分辨表面缺陷和内部缺陷，并可以通过图像处理抑制表面缺陷对内部缺陷检测的影响；

在本发明的优选实施例中，还包括扫描支架，通过扫描支架的扫描成像，可获得光学元件内部缺陷的三维分布，由于具有扫描检测部件，本发明的装置特别适合于大口径光学元件的检测中，对ICF系统中的光学元件的检测具有重要意义，通过本检测装置，可有效监控ICF中光学元件的质量，从而提高激光驱动器的抗损伤能力，具有重要的工程价值。

附图说明

图1为本发明的光学元件内部缺陷的检测装置实施例的示意图；

图2为本发明的光学元件内部缺陷的检测装置实施例中照明系统的示意图；

图3和图4分别为图1所示的检测装置装配扫描支架后的结构示意图之一和之二；

图5为应用本发明的光学元件内部的检测装置获取的光学元件内部缺陷散射的暗场成像图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

下面结合附图对本发明的光学元件内部缺陷的检测装置进行详细描述。

图1为本发明的光学元件内部缺陷的检测装置的实施例的示意图，请参考图1，本实施例的光学元件内部缺陷的检测装置包括照明系统100、成像系统300以及待测元件的载物台200。

其中，所述载物台200用于支撑或夹持待检测光学元件5。

所述照明系统100用于产生带状照明光束。所述照明系统100相对于所述载物台200的位置按照如下方式设置：在待测光学元件置于载物台上后，照明系统100发出的照明光束可以以正入射方式照射到所述待测光学元件表面。如本实施例中，所述照明系统100的光束出射口正对所述载物台200的表面。也可以设置照明系统100发出的照明光束经过反射或折射后正入射到载物台200上的光学元件5的表面。

所述成像系统300设置于所述载物台200上的光学元件5的侧面外，从而可以获取照明系统100在该光学元件5的厚度方向形成的照明截面的二维图像。

利用上述实施例的光学元件的检测装置工作时，照明系统100发出的照明光束正入射到光学元件5的表面，并在光学元件5厚度方向形成照明截面6，所述的成像系统300可获取该照明截面6的二维图像，如果照明截面区域内有缺陷，则该区域内的缺陷会作为散射体对照明光束进行散射；成像系统300在获取照明截面区域图像的同时，也会对缺陷散射进行暗场成像，从而可获得清晰的缺陷图像，根据成像规律很容易获得缺陷位置以及分布等信息，对缺陷进行判断、分析，可以确定其为内部缺陷或者是表面缺陷。利用所述的照明光束对整个光学元件表面进行扫描，成像系统300可获得光学元件内部完整的三维图像，从而也获得光学元件内部整体的缺陷分布信息。

图1所示的照明系统100可以是任何能够产生带状细光束的光源或装置。图2示出了本实施例中的照明系统100产生带状细光束的其中一种方式。请参考图2，所述照明系统100包括激光光源1以及设置于该激光光源出光方向的光束整形系统。作为具体的例子，本实施例的光学元件的检测装置采用波长为532nm、功率为400mW的半导体泵浦固体激光器；在实际应用中，可以根据需要采用不同波长、功率以及类型的激光器。

所述光束整形系统包括沿同一光轴依次设置的第一柱面镜2、第二柱面镜3和准直透镜组4。第一柱面镜2和第二柱面镜3母线相互垂直且共轭距相等，所述准直透镜组4的前焦点与所述第二柱面镜3的后焦点重合。激光光源1发出的光由所述第一柱面镜2入射，并由所述准直透镜组4出射。

利用图2所示的照明系统，可产生细带状分布的光束。其原理如下，若激光光源1发出的光束在x和y方向的窗口尺寸分别为a和b，发散角分别为c和d，第一柱面镜2将所述光束在y方向聚焦到F点(其中F为第二柱面镜3的后焦点)，第一柱面镜2在x方向等效为平板元件；第二柱面镜3将光束在x方向聚焦到F点，该第二柱面镜3在y方向等效为平板元件；因此，所述的第一柱面镜2和第二柱面镜3将整个光束聚焦到F点。准直透镜组4的前焦点与F点重合，通过该准直透镜组4可将聚焦到焦点F的光束准直后得到能够均匀分布的平行光束，其形成的光斑在x和y方向的尺寸分别为u和v。本实施例中，通过设计第一柱面镜2、第二柱面镜3以及准直透镜组4，可将半导体泵浦固体激光器1发出的光束整形为u＝10mm，v＝1mm的均匀分布的带状细光束。

当然，产生带状细光束光学结构并不限于图2所示的结构，其还可以有其它方式，任何能够将激光光束扩束为均匀分布的带状光束的结构、装置以及系统均可以应用于此。

本实施例中，所述成像系统300包括成像透镜7和摄像头8。二者的设置位置使得所述照明截面与摄像头8相对于成像透镜处于共轭位置。

为实现对光学元件的扫描成像，同时便于所述成像系统300跟踪成像，可以将所述载物台200固定装配于二维扫描支架上，将成像系统300装配于一维扫描支架上。

如图3和图4所示，二维扫描支架包括相互垂直的x方向的扫描臂13和y方向扫描臂12，且所述x方向扫描臂13扫描维度x(即扫描方向)垂直于所述照明截面6，y方向扫描臂12的扫描维度平行于所述照明截面。利用该二维扫描支架，可实现光学元件5沿其表面二维方向移动。

利用所述的二维扫描支架和一维扫描支架工作时，将待检测光学元件5装夹在载物台的支架10上，然后将载物台固定于所述的二维扫描支架上。二维扫描支架在电控下带动载物台沿x和y方向进行二维平移。

照明系统发出的带状均匀分布的光束照明光学元件5的一个小区域，形成照明截面，若该区域内有内部缺陷，如气泡和杂质等，则照明光束会被内部缺陷散射，其中大部分的散射能量分布在z方向(垂直于x和y构成平面的方向)，只有一小部分散射能量朝x方向散射，该部分散射光束经成像系统的成像透镜7，成像到摄像头8上，从而在摄像头8上得到二维光斑分布图，它对应着照明区域6的yz向的二维缺陷分布，其中光学元件内部缺陷的大小和折射率可根据光斑的大小和亮度等信息得到。如图5为应用本实施例的光学元件内部的检测装置获取的光学元件内部缺陷散射的暗场成像图。通过x、y方向平移二维平移台12，带状均匀分布光束可以扫描照射到光学元件的不同区域，从而实现大口径光学元件内部缺陷的三维分布信息。

为了实现光学元件内部缺陷的精确测量，一方面，成像透镜7和摄像头8组成的成像系统必须是高分辨率的成像系统，成像透镜7采用高数值孔径(例如数值孔径大于0.06)的成像透镜，摄像头采用高分辨率的CCD(分辨率大于480×640，采集频率大于20帧每秒)；另一方面，摄像头8和照明区域6应该位于成像透镜7的共轭位置。其中摄像头8和成像透镜7的位置一般是固定设置的，因此应保持照明区域6和成像透镜7之间的光程差为恒定值。在光学元件5内部缺陷的二维扫描测量时，可先调节成像透镜7和摄像头8，使光学元件5中的某个特定区域处于摄像头8的共轭位置(对焦)，扫描时若光学元件5沿x方向移动距离D，则成像系统300在x方向同步移动距离nD，其中n表示光学元件5的折射率。若光学元件5沿y方向移动时，成像系统300保持不动。也就是说，光学元件5与成像系统300在x方向同步移动，成像系统300的移动距离是光学元件5的n倍。本实施例中，成像系统300通过支架15支撑着固定在x’方向扫描臂14上，构成一维扫描支架，一维扫描支架可在计算机的控制下进行平移。其中，该扫描一维扫描支架的扫描维度x’与所述二维扫描支架的扫描维度x同向。

通过所述成像系统300得到内部缺陷的散射图后，因为光学元件的表面缺陷和内部缺陷的散射成像光斑在摄像头8上是分离的，因此可通过图像处理装置(例如1中所示的图像处理装置9)对获取的缺陷分布图像进行缺陷判别、识别和标定，最后得到光学元件内部缺陷的三维分布信息。

上述的实施例中，将所述载物台200至于二维扫描平台上实现对光学元件的扫描照明。但扫描照明的方式并不局限于此，还可以通过照明光束的移动实现对光学元件的扫描照明，只是在光束扫描时，需要成像系统的联动。

此外，上述实施例中所述的照明系统，成像系统的具体结构仅仅是实例，其并不限于此，其还可以有其它的结构以及实现方式，这里不再一一赘述，本领域技术人员可以根据本发明的说明书的教导以其它的方式来实现。

本发明的实施例中，采用细带状均匀光束照明系统和高分辨率成像系统，可实现对光学元件内部陷的有效检测；通过扫描支架的扫描成像，可获得光学元件内部缺陷的三维分布，由于光学元件的表面缺陷和内部缺陷中的散射成像光斑在成像后是分离的，因而可以很容易分辨表面缺陷和内部缺陷，并可以通过图像处理抑制表面缺陷对内部缺陷检测的影响。

应用上述实施例的装置可实现对光学元件内部缺陷的有效检测，由于具有扫描检测部件，本发明的装置特别适合于大口径光学元件的检测中，对ICF系统中的光学元件的检测具有重要意义，通过本检测装置，可有效监控ICF中光学元件的质量，从而提高激光驱动器的抗损伤能力，具有重要的工程价值。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种光学元件内部缺陷的检测装置，其特征在于包括：载物台、照明系统和成像系统；

其中，所述照明系统相对于载物台的位置按照如下方式设置：在待测光学元件置于载物台上后，照明系统发出的照明光束可以正入射方式照射所述光学元件的表面；

所述成像系统设置于所述载物台上光学元件的侧面外，可获取照明系统发出的照明光束在光学元件厚度方向形成的照明截面的二维图像。

2.根据权利要求1所述的光学元件内部缺陷的检测装置，其特征在于，所述照明系统包括激光光源和设置于该激光光源出光方向的光束整形系统。

3.根据权利要求2所述的光学元件内部缺陷的检测装置，其特征在于，所述光束整形系统包括沿同一光轴依次设置的第一柱面镜、第二柱面镜和准直透镜组；所述第一柱面镜和第二柱面镜母线相互垂直且共轭距相等，所述准直透镜组的前焦点与所述第二柱面镜的后焦点重合；所述激光光源发出的光由所述第一柱面镜入射，并由所述准直透镜组出射，出射的光束为带状光束。

4.根据权利要求3所述的光学元件内部缺陷的检测装置，其特征在于，所述激光光源为半导体泵浦固体激光器。

5.根据权利要求1所述的光学元件内部缺陷的检测装置，其特征在于，还包括二维扫描支架，所述载物台固定装配于该二维扫描支架上，所述扫描支架的扫描维度x垂直于所述照明截面，扫描维度y平行于所述照明截面，该二维扫描支架可实现光学元件沿其表面二维方向移动。

6.根据权利要求1所述的光学元件内部缺陷的检测装置，其特征在于，所述成像系统包括成像透镜和摄像头；二者的设置位置使得所述照明截面与摄像头相对于所述成像透镜处于共轭位置。

7.根据权利要求6所述的光学元件内部缺陷的检测装置，其特征在于，所述成像透镜的数值孔径大于0.06；摄像头的分辨率大于480*640，摄像头的采集频率大于20帧每秒。

8.根据权利要求6所述的光学元件的内部缺陷的检测装置，其特征在于，还包括与所述摄像头连接的图像处理装置。

9.根据权利要求6所述的光学元件的内部缺陷的检测装置，其特征在于，还包括一维扫描支架，所述成像系统固定装配于该一维扫描支架上；该扫描支架的扫描维度x’与所述二维扫描支架的扫描维度x同向，且该一维扫描支架的扫描速度为二维扫描支架x方向扫描速度的n倍；其中n为待测光学元件的折射率。

10.一种光学元件的内部检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供待检测光学元件；

以照明光束垂直照射所述光学元件的表面；

获取照明光束在所述光学元件厚度方向形成的截面的二维图像；

以照明光束扫描该光学元件的整个表面，获取该光学元件内部缺陷的三维图像；

对所获取的光学元件的图像中的缺陷进行识别和标记，并根据缺陷的位置识别表面缺陷和内部缺陷。

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