CN103105403A - 透明光学元件表面缺陷的检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种透明光学材料表面缺陷的检测方法及装置，采用内全反射式的照明方法，即将照明光束引入到透明光学元件内部，并在透明光学元件内部的前、后表面之间进行多次全反射，对透明光学元件的前、后表面多个区域同时照明，利用表面缺陷所引起的散射光和折射光进行暗场成像来实现对表面缺陷的检测。本发明利用内全反射式照明，实现对光能的重复利用，并且可以对多区域同时进行暗场成像检测，特别是适用于大口径的透明光学元件的表面及亚表面缺陷的高灵敏度检测。
Description
技术领域
本发明涉及光学材料的缺陷检测领域，具体是一种透明光学元件表面缺陷的检测方法及装置，该方法和装置可以用于光学表面及亚表面缺陷的快速检测，特别适用于大口径光学元件，比如用于激光约束惯性核聚变系统的米级尺度光学元件。
背景技术
透明光学材料是各类光学系统中非常重要的元件。常用的透明光学材料有各类玻璃，熔融石英，以及各种晶体材料。透明光学元件在很多光学系统里使用时，常常会在表面镀上诸如增透膜或高反膜等一些薄膜层，有时也会与其他光学元件材料紧密贴合，实现某些特定功能。以上这些应用都对相关光学材料的特性提出了很高要求，如材料表面要具有很高的光学平整度，没有污染，表面及亚表面无超标缺陷等。而相关元件的生产加工要经过多道工序，在加工过程中不可避免的会产生各种污染和缺陷。这些污染和缺陷的尺度很多都在微米量级、亚微米甚至纳米量级，普通肉眼检测方法无法有效识别。研发快速、高灵敏度的污染和缺陷检测方法因此非常必要。
常用的表面缺陷检测方法有明场成像技术，即利用光束照明材料上的待检测区域，由材料反射或透射的光束经过成像系统，这样就获得了的待检测区域的图像。通过分析图象来识别缺陷。这种技术对透明光学材料来讲，有一定的局限性。因为材料具有很好的光学透明性，当缺陷尺度较小时，引起经过缺陷位置的光束的变化也较小，这样与经过无缺陷区域的光束对比度也较小，在图象上很难识别，即采用明场成像技术，分辨率受到限制，对较微小的缺陷无法有效识别。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种透明光学元件的表面缺陷的快速检测方法及装置，利用照明光束在样品内部的多次全反射实现对多区域的同时照明，利用一套或多套成像系统进行暗场成像，即解决了利用明场成像技术来进行透明光学元件缺陷检测对比度低、分辨率受限制、不能有效识别微小缺陷的问题，也提高了对大口径光学元件，比如用于激光约束惯性核聚变系统的米级尺度光学元件的检测效率。
本发明的技术方案为：
透明光学元件表面缺陷的检测方法，包括以下步骤：
（1）、将照明光束从透明光学元件的侧面入射到透明光学元件内部，照明光束在样品表面的入射角度满足光学全反射条件，照明光束在透明光学元件内部前、后表面之间进行多次全反射,对光束经过表面区域都实现了照明，直至经过透明光学元件的前表面或后表面反射后从透明光学元件出射侧面出射；
（2）、改变照明光束的入射角度，入射角度与步骤（1）中所述的入射方向相对透明光学元件的入射侧面对称；或者用另一束照明光束以适当的角度从步骤（1）中所述的元件的入射侧面或出射侧面入射到样品内部，入射角度的选择同样满足步骤（1）所述的光学全反射条件；照明光束在透明光学元件内部前、后表面之间进行多次全反射，对光束经过表面区域都实现照明；
（3）、相对透明光学元件表面设置一套或多套成像检测系统；当透明光学元件表面及亚表面光束的照明区域没有缺陷时，照明光束在透明光学元件内部的前后表面之间完全进行全反射，没有光能量出射，即没有照明光束进入成像检测系统；
（4）、当透明光学元件表面及亚表面的光束照明区域存在缺陷时，将引起照明光束的散射，或者照明光束在缺陷区域的入射角度不满足全反射条件，一部分照明光束将通过折射从透明光学元件的表面出射，缺陷引起出射的散射光和折射光进入成像检测系统，获得缺陷区域的暗场图像。
采用以上检测方法时，对透明光学元件前后表面全部区域的照明检测是通过如图2和图3所示的方式实现。如图2所示，当照明光束完全覆盖透明光学元件的入射侧面，图中阴影区域即为照明区域；改变入射光束的方向，如图3所示，光束从如图2中所示光束入射方向相对侧面法线对称的方向入射，图3中阴影区域即为照明区域。这样即实现了样品前、后表面全部区域的照明。
所述的照明光束完全覆盖透明光学元件的入射侧面以实现对透明光学元件前后表面的完全照明，实现方式为两种，分别为通过整形处理使照明光束的光斑尺寸与透明光学元件入射侧面尺寸一致来实现照明光束在透明光学元件入射侧面的全覆盖，或用光斑尺寸小于元件侧面尺寸的照明光束沿透明光学元件入射侧面扫描实现照明光束在透明光学元件入射侧面的全覆盖。
所述的照明光束为准直的平行光束。
透明光学元件表面缺陷的检测装置，包括有照明光源，设置于照明光源发射端和透明光学元件入射侧面之间的照明光束整形处理装置，相对透明光学元件表面设置的成像检测系统。
所述的透明光学元件表面缺陷的检测装置还包括有相对透明光学元件出射侧面设置的照明光束吸收装置。
所述的透明光学元件表面缺陷的检测装置还包括有设置于成像检测系统后端的图像采集处理终端。
所述的成像检测系统包括有成像装置和探测装置，所述的探测装置设置于成像装置的后端。
所述的成像检测系统为一套或多套，多套成像系统分别相对透明光学元件表面的不同区域设置。
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。
本发明的优点：
（1）、本发明采用内全反射式的照明方式结合暗场成像技术来进行透明光学元件样品表面及亚表面的缺陷检测，由于照明光束完全被束缚在透明光学元件样品里面，只有缺陷引起的散射光和折射光能够进入探测系统，这样避免了杂散光对检测的干扰，大幅度提高了缺陷检测灵敏度；
（2）、本发明采用暗场成像的方式，相对明场成像的方式，所获得的缺陷区域与无缺陷区域的图像的对比度得到很大增强，辨识度更高；
（3）、本发明采用内全反射照明的方式，透明光学元件样品上多个区域同时获得照明，这样可以采用多套成像检测系统对照明区域进行并行检测，大幅度提高检测速度和检测效率。
附图说明
图1是本发明透明光学元件表面缺陷的检测装置的结构示意图，其中，1为照明光源，2为照明光束整形处理装置，3为透明光学元件，4为照明光束吸收装置，5为成像装置，6为探测装置，7为图像采集处理终端。
图2是本发明实现前、后表面完全照明的扫描示意图一。
图3是本发明实现前、后表面完全照明的扫描示意图二。
图4是本发明具体实施方式中透明光学元件表面缺陷的检测装置的结构示意图，其中，1为照明光源，2为照明光束整形处理装置，3为透明光学元件，4为照明光束吸收装置，5为第一成像装置，6为第一探测装置，7为图像采集处理终端, 8为第二成像装置，9为第二探测装置。
具体实施方式
见图1，透明光学元件表面缺陷的检测装置：
包括有照明光源1，设置于照明光源1发射端和透明光学元件3入射侧面之间的照明光束整形处理装置2，设置于透明光学元件3表面附近的成像检测系统，设置于成像检测系统后端的图像采集处理终端7，相对透明光学元件3出射侧面设置的照明光束吸收装置4；
成像检测系统分别包括有成像装置5和探测装置6，成像装置5选用透镜或透镜组；探测装置6选用CCD相机。
透明光学元件表面缺陷的检测方法，包括以下步骤：
（1）、将照明光束从透明光学元件的侧面入射到透明光学元件内部，照明光束在样品表面的入射角度满足光学全反射条件，照明光束在透明光学元件内部前、后表面之间进行多次全反射,对光束经过表面区域都实现了照明，直至经过透明光学元件的前表面或后表面反射后从透明光学元件出射侧面出射；
（2）、改变照明光束的入射角度，入射角度与步骤（1）中所述的入射方向相对透明光学元件的入射侧面对称；或者用另一束照明光束以适当的角度从步骤（1）中所述的元件的入射侧面或出射侧面入射到样品内部，入射角度的选择同样满足步骤（1）所述的光学全反射条件；照明光束在透明光学元件内部前、后表面之间进行多次全反射，对光束经过表面区域都实现照明；
（3）、相对透明光学元件表面设置一套或多套成像检测系统；当透明光学元件表面及亚表面光束的照明区域没有缺陷时，照明光束在透明光学元件内部的前后表面之间完全进行全反射，没有光能量出射，即没有照明光束进入成像检测系统；
（4）、当透明光学元件表面及亚表面的光束照明区域存在缺陷时，将引起照明光束的散射，或者照明光束在缺陷区域的入射角度不满足全反射条件，一部分照明光束将通过折射从透明光学元件的表面出射，缺陷引起出射的散射光和折射光进入成像检测系统，获得缺陷区域的暗场图像。
实际使用时，对于大口径的透明光学元件样品，由于透明光学元件待检测的区域的尺寸大于成像系统可成像观察的区域的尺寸，需要对透明光学元件样品进行分区域成像检测。可以通过将成像系统安装在平移系统上，通过平移系统扫描对透明光学元件样品表面进行分区成像，再通过图像处理获得透明光学元件样品表面全区域的图像。同时，对透明光学元件样品表面的全覆盖的照明是通过如图2和图3所示的方式来实现的。
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，采用多套成像系统的大口径透明光学元件表面缺陷的检测装置，包括有照明光源1，设置于照明光源1发射端和透明光学元件3入射侧面之间的照明光束整形处理装置2，设置于透明光学元件3后表面侧部且相对透明光学元件3后表面的两套成像检测系统，设置于两套成像检测系统后端的图像采集处理终端7，相对透明光学元件3出射侧面设置的照明光束吸收装置4；
两套成像检测系统分别包括有第一成像装置5和第一探测装置6、第二成像装置8和第二探测装置9，第一探测装置6和第二探测装置9分别设置于第一成像装置5和第二成像装置8的后端。
其中，第一成像装置5和第二成像装置8均选用透镜或透镜组；第一探测装置6和第二探测装置9均选用CCD相机。
图中只画出两套成像系统。实际使用中可以根据需要采用多套成像系统。多套成像系统可相对设置于透明光学元件样品的前后表面不同区域的侧部且相对透明光学元件前后表面不同的区域。
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 (9)
1.透明光学元件表面缺陷的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、将照明光束从透明光学元件的入射侧面入射到透明光学元件内部，照明光束在样品表面的入射角度满足光学全反射条件，照明光束在透明光学元件内部前、后表面之间进行多次全反射,对光束经过表面区域都实现了照明，直至经过透明光学元件的前表面或后表面反射后从透明光学元件出射侧面出射；
（2）、改变照明光束的入射角度，入射角度与步骤（1）中所述的入射方向相对透明光学元件的入射侧面对称；或者用另一束照明光束以适当的角度从步骤（1）中所述的元件的入射侧面或出射侧面入射到样品内部，入射角度的选择同样满足步骤（1）所述的光学全反射条件；照明光束在透明光学元件内部前、后表面之间进行多次全反射，对光束经过表面区域都实现照明；
（3）、相对透明光学元件表面设置一套或多套成像检测系统；当透明光学元件表面及亚表面光束的照明区域没有缺陷时，照明光束在透明光学元件内部的前后表面之间完全进行全反射，没有光能量出射，即没有照明光束进入成像检测系统；
（4）、当透明光学元件表面及亚表面的光束照明区域存在缺陷时，将引起照明光束的散射，或者照明光束在缺陷区域的入射角度不满足全反射条件，一部分照明光束将通过折射从透明光学元件的表面出射，缺陷引起出射的散射光和折射光进入成像检测系统，获得缺陷区域的暗场图像。
2.根据权利要求1所述的透明光学元件表面缺陷的检测方法，其特征在于：所述的照明光束完全覆盖透明光学元件的入射侧面以实现对透明光学元件前后表面的完全照明，实现方式为两种，分别为通过整形处理使照明光束的光斑尺寸与透明光学元件入射侧面尺寸一致来实现照明光束在透明光学元件入射侧面的全覆盖，或用光斑尺寸小于元件侧面尺寸的照明光束沿透明光学元件入射侧面扫描实现照明光束在透明光学元件入射侧面的全覆盖。
3.根据权利要求1所述的透明光学元件表面缺陷的检测方法，其特征在于：所述的照明光束为准直的平行光束。
4.透明光学元件表面缺陷的检测装置，包括有照明光源，其特征在于：还包括设置于照明光源发射端和透明光学元件入射侧面之间的照明光束整形处理装置，相对透明光学元件表面设置的成像检测系统。
5.根据权利要求4所述的透明光学元件表面缺陷的检测装置，其特征在于：所述的透明光学元件表面缺陷的检测装置还包括有相对透明光学元件出射侧面设置的照明光束吸收装置。
6.根据权利要求4所述的透明光学元件表面缺陷的检测装置，其特征在于：所述的透明光学元件表面缺陷的检测装置还包括有设置于成像检测系统后端的图像采集处理终端。
7.根据权利要求4所述的透明光学元件表面缺陷的检测装置，其特征在于：所述的成像检测系统包括有成像装置和探测装置，所述的探测装置设置于成像装置的后端。
8.根据权利要求4所述的透明光学元件表面缺陷的检测装置，其特征在于：所述的成像检测系统为一套或多套，多套成像系统分别相对透明光学元件表面的不同区域设置。
9.根据权利要求4所述的透明光学元件表面缺陷的检测装置，其特征在于：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。
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