CN103105400B - 大口径光学元件表面缺陷的检测分类方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大口径光学元件表面缺陷的检测分类方法，利用一束强照明光束和一束弱照明光束照射大口径光学元件，强照明光束与吸收缺陷相作用激发产生荧光，弱照明光束与非吸收缺陷相作用引起光束的散射，通过对荧光和散射光的分别检测来获得大口径光学元件吸收缺陷和非吸收缺陷的信息。本发明中，采用内全反射式的照明方式，对大口径光学元件内部多个区域同时进行照明检测，提高了检测效率。本发明在检测端，采用焦深小的成像系统或利用共聚焦成像的方法，只对表面及亚表面缺陷进行检测。本发明适用于光学无损探伤、光学精密检测、光学显微成像与缺陷分析、特别适用于强激光系统内的大口径透明光学元件表面及亚表面缺陷检测等多个领域。
Description
技术领域
本发明涉及光学材料缺陷探测领域，具体是一种大口径光学元件表面缺陷的检测分类方法。
背景技术
对很多光学材料而言，例如常用于强激光系统中的熔融石英玻璃和KDP晶体等，在材料的加工过程中，如切割、研磨、抛光等，不可避免的会引入表面及亚表面缺陷和污染，因此其表面及亚表面的光学质量往往比相关材料的本征特性差得很多，从而使得相关元件的表面及亚表面在很多应用中成为限制元件性能的瓶颈，比如在强激光系统中成为最容易被激光损伤的薄弱环节。
对于光学材料的表面及亚表面缺陷而言，通常可以分为吸收缺陷和非吸收缺陷：吸收缺陷通过对光能量的吸收引起缺陷区域材料光学性质的变化，从而改变透过的光束性质的变化；而非吸收缺陷，会引起光束的散射等；不同的缺陷对光学系统的影响是不一样的，对以上缺陷能够进行快速检测分类，对提高光学材料的性能、并在此基础上提升整个光学系统的性能有着重要的意义。
而目前常用的一些缺陷检测方法，如高分辨散射测量方法，高分辨荧光测量方法，原子力显微镜，扫描隧道显微镜，近场光学显微镜，以及高分辨光声显微镜，以及各类高分辨光热显微镜等，只对某一类缺陷能够进行有效的检测：高分辨散射测量方法主要对由于光学折射率或者面形缺陷引起的不均匀性敏感，难以用于吸收缺陷的分析。高分辨荧光测量方法可以较好的探测光学吸收缺陷，但是对于非吸收缺陷并不敏感。光声及各种光热显微方法可以对吸收缺陷进行有效检测，但是对非吸收缺陷无法适用。而原子力显微镜，扫描隧道显微镜，近场光学显微镜等高分辨手段主要探测的是大口径光学元件表面形貌及光学折射率的不均匀性，对光学吸收缺陷一般并不敏感。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种大口径光学元件表面缺陷的检测分类方法，利用一束较强激光和一束较弱的照明光束照射大口径光学元件，较强激光与吸收缺陷相作用激发产生荧光，较弱光与非吸收缺陷相作用引起光束的散射，通过对荧光和散射光的分别检测来获得大口径光学元件上吸收缺陷和非吸收缺陷的信息，实现对不同缺陷的分类检测，由于采用内全反射式的照明方式，对大口径光学元件内部多个区域同时进行照明检测，提高了检测效率。
本发明的技术方案为：
大口径光学元件表面缺陷的检测分类方法，包括以下步骤：
（1）、将强照明光束从大口径光学元件的入射侧面入射到大口径光学元件内部，并在大口径光学元件内部传输直至入射到大口径光学元件的表面，入射到大口径光学元件表面处的强照明光束相对大口径光学元件表面的入射角满足光学全反射条件，从而使强照明光束在大口径光学元件内部前、后表面之间进行多次全反射,对强照明光束经过的表面区域都实现了照明，直至经过大口径光学元件的前表面或后表面反射后从大口径光学元件的出射侧面出射；
（2）、将弱照明光束从大口径光学元件的入射侧面入射到大口径光学元件内部，并在大口径光学元件内部传输直至入射到大口径光学元件的表面，入射到大口径光学元件表面处的弱照明光束相对大口径光学元件表面的入射角满足光学全反射条件，从而使弱照明光束在大口径光学元件内部前、后表面之间进行多次全反射,对弱照明光束经过的表面区域都实现了照明，直至经过大口径光学元件的前表面或后表面反射后从大口径光学元件的出射侧面出射；
（3）、相对大口径光学元件表面设置一套或多套成像检测系统；当大口径光学元件表面及亚表面的强光束照明区域存在缺陷时，将引起强照明光束与吸收缺陷相互作用，激发产生荧光，吸收缺陷区域激发的荧光进入成像检测系统，获得吸收缺陷区域的暗场图像；
（4）、当大口径光学元件表面及亚表面的弱光束照明区域存在缺陷时，将引起弱照明光束与非吸收缺陷相互作用，引起弱照明光束的散射，或者弱照明光束在非吸收缺陷区域不满足全反射条件，一部分弱照明光束将通过折射从大口径光学元件的表面出射，非吸收缺陷引起的散射光和折射光进入成像检测系统，获得非吸收缺陷区域的暗场图像。
所述的强照明光束或弱照明光束对大口径光学元件前后表面进行完全照明，其实现方式为：
a、通过整形处理使强照明光束或弱照明光束以一定角度入射到大口径光学元件的内部，且强照明光束或弱照明光束完全覆盖入射侧面，然后入射到大口径光学元件内部的强照明光束或弱照明光束在大口径光学元件前后表面之间进行多次全反射直至从出射侧面出射；
b、改变强照明光束或弱照明光束的入射角度,改变后的入射角度与改变前的入射角度相对大口径光学元件的入射侧面法线对称，改变入射角度后的强照明光束或弱照明光束从入射侧面入射到大口径光学元件的内部，且强照明光束或弱照明光束完全覆盖入射侧面，然后入射到大口径光学元件内部的强照明光束或弱照明光束在大口径光学元件前后表面之间进行多次全反射直至从出射侧面出射；或改变强照明光束或弱照明光束的入射角度, 强照明光束或弱照明光束从出射侧面入射到大口径光学元件的内部，且强照明光束或弱照明光束完全覆盖出射侧面，然后入射到大口径光学元件内部的强照明光束或弱照明光束在大口径光学元件前后表面之间进行多次全反射直至从入射侧面出射。
所述的强照明光束或弱照明光束完全覆盖大口径光学元件的入射侧面或出射侧面的实现方式为两种，分别为：通过整形处理使强照明光束或弱照明光束的光斑尺寸大于或等于大口径光学元件入射侧面或出射侧面的尺寸，从而实现强照明光束或弱照明光束在大口径光学元件入射侧面或出射侧面的完全覆盖；或用光斑尺寸小于大口径光学元件入射侧面或出射侧面尺寸的强照明光束或弱照明光束沿大口径光学元件入射侧面或出射侧面扫描，从而实现强照明光束或弱照明光束在大口径光学元件入射侧面或出射侧面的完全覆盖。
所述的强照明光束或弱照明光束均为准直的平行光束。
所述的强照明光束选用紫外激光光束，所述的弱照明光束选用与强照明光束波长不一致的单色光束。
大口径光学元件表面缺陷的检测分类装置，包括有强照明光源、弱照明光源、设置于强照明光源发射端和大口径光学元件入射侧面之间的强照明光束整形处理装置、设置于弱强照明光源发射端和大口径光学元件入射侧面之间的弱照明光束整形处理装置、相对大口径光学元件表面设置的成像检测系统。
所述的大口径光学元件表面缺陷的检测分类装置还包括有设置于强照明光源后端的强照明光束开关、设置于弱照明光源后端的弱照明光束开关、设置于强照明光束整形处理装置后端的高反镜、设置于弱照明光束整形处理装置后端且其反射面相对高反镜反射面设置的双色镜、相对大口径光学元件出射侧面设置的照明光束吸收装置。
所述的成像检测系统为一套或多套，多套成像检测系统分别相对大口径光学元件前后表面的不同区域设置。
所述的成像检测系统包括有顺次设置的成像装置、滤光装置、探测装置和图像采集处理终端，所述的成像装置相对大口径光学元件表面设置。
所述的成像装置选用透镜或透镜组；所述的探测装置选用CCD相机；所述的滤光装置选用强照明光束滤光装置或弱照明光束滤光装置。
本发明的优点：
本发明利用强照明光束与大口径光学元件表面及亚表面吸收缺陷的作用产生的荧光进行成像检测来获得吸收缺陷的图像信息，利用弱照明光束与大口径光学元件表面及亚表面非吸收缺陷的作用产生的散射和折射光进行成像检测来获得非吸收缺陷的图像信息，实现了对不同缺陷的分类检测；
本发明采用暗场成像的方式，相对明场成像的方式，所获得的吸收缺陷区域与非吸收缺陷区域图像的对比度大大增加，辨识度更高；并且，采用内全反射照明的方式，大口径光学元件上多个区域同时获得照明，可以采用一套成像检测系统进行快速扫描检测或多套成像检测系统对照明区域进行并行检测，如图4所示，可以大大提高检测的效率，特别适用于大口径光学元件表面缺陷的检测分类。
本发明采用内全反射式的照明方式，对大口径光学元件内部多个区域同时进行照明检测，提高了检测效率；采用焦深小的成像系统或利用共聚焦成像的方法，只对大口径光学元件表面及亚表面缺陷进行检测，获得清晰可辨的暗场图像。本发明适用于光学无损探伤、光学精密检测、光学显微成像与缺陷分析、特别适用于强激光系统内的大口径透明光学元件表面及亚表面缺陷检测等多个领域。
附图说明
图1是本发明大口径光学元件表面缺陷的检测分类装置的结构示意图，其中，1为强照明光源, 2为强照明光束开关, 3为强照明光束整形处理装置，4为高反镜，5为双色镜，6为弱照明光源，7为弱照明光束开关,，8为弱照明光束整形处理装置，9为大口径光学元件，10为照明光束吸收装置，11为成像装置，12为滤光装置，13为探测装置，14为图像采集处理终端。
图2是本发明大口径光学元件前、后表面完全照明的示意图一。
图3是本发明大口径光学元件前、后表面完全照明的示意图二。
图4是本发明具体实施例中采用两套成像检测系统的大口径光学元件表面缺陷的检测分类装置的结构示意图，其中，1为强照明光源, 2为强照明光束开关, 3为强照明光束整形处理装置，4为高反镜，5为双色镜，6为弱照明光源，7为弱照明光束开关,，8为弱照明光束整形处理装置，9为大口径光学元件，10为照明光束吸收装置，11为第一成像装置，12为第一滤光装置，13为第一探测装置，14为第一图像采集处理终端，15为第二成像装置，16为第二滤光装置，17为第二探测装置，18为第二图像采集处理终端。
具体实施方式
见图1，大口径光学元件表面缺陷的检测分类装置：
包括有强照明光源1、弱照明光源6、设置于强照明光源1后端的强照明光束开关2、设置于弱照明光源6后端的弱照明光束开关7、设置于强照明光束开关2后端的强照明光束整形处理装置3、设置于弱照明光束开关7后端的弱照明光束整形处理装置8、设置于强照明光束整形处理装置3后端的高反镜4、设置于弱照明光束整形处理装置8后端且其反射面相对高反镜4反射面设置的双色镜5、相对大口径光学元件9出射侧面设置的照明光束吸收装置10和相对大口径光学元件9表面设置的成像检测系统；
成像检测系统包括有顺次设置的成像装置11、滤光装置12、探测装置13和图像采集处理终端14，成像装置11相对大口径光学元件9表面设置；成像装置11选用透镜或透镜组；探测装置13选用CCD相机；滤光装置12选用强照明光束滤光装置或弱照明光束滤光装置。
大口径光学元件表面缺陷的检测分类方法，包括以下步骤：
（1）、将强照明光束（紫外激光光束）从大口径光学元件的入射侧面入射到大口径光学元件内部，并在大口径光学元件内部传输直至入射到大口径光学元件的表面，入射到大口径光学元件表面处的强照明光束相对大口径光学元件表面的入射角满足光学全反射条件，从而使强照明光束在大口径光学元件内部前、后表面之间进行多次全反射,对强照明光束经过的表面区域都实现了照明，直至经过大口径光学元件的前表面或后表面反射后从大口径光学元件的出射侧面出射；
（2）、将弱照明光束（与强照明光束波长不一致的单色光束）从大口径光学元件的入射侧面入射到大口径光学元件内部，并在大口径光学元件内部传输直至入射到大口径光学元件的表面，入射到大口径光学元件表面处的弱照明光束相对大口径光学元件表面的入射角满足光学全反射条件，从而使弱照明光束在大口径光学元件内部前、后表面之间进行多次全反射,对弱照明光束经过的表面区域都实现了照明，直至经过大口径光学元件的前表面或后表面反射后从大口径光学元件的出射侧面出射；
（3）、相对大口径光学元件表面设置一套或多套成像检测系统；当大口径光学元件表面及亚表面的强光束照明区域存在缺陷时，将引起强照明光束与吸收缺陷相互作用，激发产生荧光，吸收缺陷区域激发的荧光进入成像检测系统，获得吸收缺陷区域的暗场图像；
（4）、当大口径光学元件表面及亚表面的弱光束照明区域存在缺陷时，将引起弱照明光束与非吸收缺陷相互作用，引起弱照明光束的散射，或者弱照明光束在非吸收缺陷区域的不满足全反射条件，一部分弱照明光束将通过折射从大口径光学元件的表面出射，非吸收缺陷引起的散射光和折射光进入成像检测系统，获得非吸收缺陷区域的暗场图像。
其中，滤光装置12含有一系列的滤光片，可以滤掉强照明光束、弱照明光束以及让荧光中某一波段的光束通过，通过适当选择合适的滤光装置，对强照明光束激发产生的荧光和弱照明光束的散射折射光进行分别探测；当检测荧光时，在探测端获得的是吸收缺陷区域的暗场图像；当检测弱照明光束的散射折射光时，在探测端获得的是非吸收缺陷区域的暗场图像。
本发明还可以利用强照明光束开关2和弱照明光束开关3配合关闭，让强照明光束和弱照明光束交替对大口径光学元件9进行照明，对荧光和弱照明光的散射折射光交替进行检测，来分别获得吸收缺陷和非吸收缺陷的信息。
其中，强照明光束或弱照明光束对大口径光学元件前后表面进行完全照明，其实现方式为：
a、见图2，通过整形处理使强照明光束或弱照明光束以一定角度入射到大口径光学元件的内部，且强照明光束或弱照明光束完全覆盖入射侧面，然后入射到大口径光学元件内部的强照明光束或弱照明光束在大口径光学元件前后表面之间进行多次全反射直至从出射侧面出射；
b、见图3，改变强照明光束或弱照明光束的入射角度,改变后的入射角度与改变前的入射角度相对大口径光学元件的入射侧面法线对称，改变入射角度后的强照明光束或弱照明光束从入射侧面入射到大口径光学元件的内部，且强照明光束或弱照明光束完全覆盖入射侧面，然后入射到大口径光学元件内部的强照明光束或弱照明光束在大口径光学元件前后表面之间进行多次全反射直至从出射侧面出射；或改变强照明光束或弱照明光束的入射角度, 强照明光束或弱照明光束从出射侧面入射到大口径光学元件的内部，且强照明光束或弱照明光束完全覆盖出射侧面，然后入射到大口径光学元件内部的强照明光束或弱照明光束在大口径光学元件前后表面之间进行多次全反射直至从入射侧面出射。
实际使用中，强照明光束或弱照明光束完全覆盖大口径光学元件的入射侧面或出射侧面的实现方式为两种，分别为：通过整形处理使强照明光束或弱照明光束的光斑尺寸大于或等于与大口径光学元件入射侧面或出射侧面的尺寸，从而实现强照明光束或弱照明光束在大口径光学元件入射侧面或出射侧面的完全覆盖；或用光斑尺寸小于大口径光学元件入射侧面或出射侧面尺寸的强照明光束或弱照明光束沿大口径光学元件入射侧面或出射侧面扫描，从而实现强照明光束或弱照明光束在大口径光学元件入射侧面或出射侧面的完全覆盖。
实际使用中，为提高检测速度和效率，也可以采用多套成像系统进行并行检测，见图4，采用两套成像检测系统的大口径透明光学元件表面缺陷的检测装置，包括有强照明光源1、弱照明光源6、设置于强照明光源1后端的强照明光束开关2、设置于弱照明光源6后端的弱照明光束开关7、设置于强照明光束开关2后端的强照明光束整形处理装置3、设置于弱照明光束开关7后端的弱照明光束整形处理装置8、设置于强照明光束整形处理装置3后端的高反镜4、设置于弱照明光束整形处理装置8后端且其反射面相对高反镜4反射面设置的双色镜5、相对大口径光学元件9出射侧面设置的照明光束吸收装置10和相对大口径光学元件9表面设置的成像检测系统；
两套成像检测系统分别相对大口径光学元件9的前表面和后表面设置，分别包括有第一成像装置11、第一滤光装置12、第一探测装置13和第一图像采集处理终端14，第二成像装置15、第二滤光装置16、第二探测装置17和第二图像采集处理终端18。
图4中只画出两套成像检测系统，实际使用中可以根据需要采用多套成像检测系统，多套成像检测系统可相对设置于大口径光学元件9的前后表面附近不同区域；且在实际使用中可采用焦深小的成像装置，这样系统只对表面及亚表面区域能够获得清晰可辨的图像。
Claims (5)
1.大口径光学元件表面缺陷的检测分类方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、将强照明光束从大口径光学元件的入射侧面入射到大口径光学元件内部，并在大口径光学元件内部传输直至入射到大口径光学元件的表面，入射到大口径光学元件表面处的强照明光束相对大口径光学元件表面的入射角满足光学全反射条件，从而使强照明光束在大口径光学元件内部前、后表面之间进行多次全反射,对强照明光束经过的表面区域都实现了照明，直至经过大口径光学元件的前表面或后表面反射后从大口径光学元件的出射侧面出射；
（2）、将弱照明光束从大口径光学元件的入射侧面入射到大口径光学元件内部，并在大口径光学元件内部传输直至入射到大口径光学元件的表面，入射到大口径光学元件表面处的弱照明光束相对大口径光学元件表面的入射角满足光学全反射条件，从而使弱照明光束在大口径光学元件内部前、后表面之间进行多次全反射,对弱照明光束经过的表面区域都实现了照明，直至经过大口径光学元件的前表面或后表面反射后从大口径光学元件的出射侧面出射；
（3）、相对大口径光学元件表面设置一套或多套成像检测系统；当大口径光学元件表面及亚表面的强光束照明区域存在缺陷时，将引起强照明光束与吸收缺陷相互作用，激发产生荧光，吸收缺陷区域激发的荧光进入成像检测系统，获得吸收缺陷区域的暗场图像；
（4）、当大口径光学元件表面及亚表面的弱光束照明区域存在缺陷时，将引起弱照明光束与非吸收缺陷相互作用，引起弱照明光束的散射，或者弱照明光束在非吸收缺陷区域不满足全反射条件，一部分弱照明光束将通过折射从大口径光学元件的表面出射，非吸收缺陷引起的散射光和折射光进入成像检测系统，获得非吸收缺陷区域的暗场图像。
2.根据权利要求1所述的大口径光学元件表面缺陷的检测分类方法，其特征在于：所述的强照明光束或弱照明光束对大口径光学元件前后表面进行完全照明，其实现方式为：
a、通过整形处理使强照明光束或弱照明光束以一定角度入射到大口径光学元件的内部，且强照明光束或弱照明光束完全覆盖入射侧面，然后入射到大口径光学元件内部的强照明光束或弱照明光束在大口径光学元件前后表面之间进行多次全反射直至从出射侧面出射；
b、改变强照明光束或弱照明光束的入射角度,改变后的入射角度与改变前的入射角度相对大口径光学元件的入射侧面法线对称，改变入射角度后的强照明光束或弱照明光束从入射侧面入射到大口径光学元件的内部，且强照明光束或弱照明光束完全覆盖入射侧面，然后入射到大口径光学元件内部的强照明光束或弱照明光束在大口径光学元件前后表面之间进行多次全反射直至从出射侧面出射；或改变强照明光束或弱照明光束的入射角度, 强照明光束或弱照明光束从出射侧面入射到大口径光学元件的内部，且强照明光束或弱照明光束完全覆盖出射侧面，然后入射到大口径光学元件内部的强照明光束或弱照明光束在大口径光学元件前后表面之间进行多次全反射直至从入射侧面出射。
3.根据权利要求2所述的大口径光学元件表面缺陷的检测分类方法，其特征在于：所述的强照明光束或弱照明光束完全覆盖大口径光学元件的入射侧面或出射侧面的实现方式为两种，分别为：通过整形处理使强照明光束或弱照明光束的光斑尺寸大于或等于大口径光学元件入射侧面或出射侧面的尺寸，从而实现强照明光束或弱照明光束在大口径光学元件入射侧面或出射侧面的完全覆盖；或用光斑尺寸小于大口径光学元件入射侧面或出射侧面尺寸的强照明光束或弱照明光束沿大口径光学元件入射侧面或出射侧面扫描，从而实现强照明光束或弱照明光束在大口径光学元件入射侧面或出射侧面的完全覆盖。
4.根据权利要求1所述的大口径光学元件表面缺陷的检测分类方法，其特征在于：所述的强照明光束或弱照明光束均为准直的平行光束。
5.根据权利要求1所述的大口径光学元件表面缺陷的检测分类方法，其特征在于：所述的强照明光束选用紫外激光光束，所述的弱照明光束选用与强照明光束波长不一致的单色光束。
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