CN105044131A - 大口径光学元件表面损伤检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种大口径光学元件表面损伤检测的装置和方法，该装置包括：照明光源、大口径光学元件座、成像透镜、二维振镜、CCD相机和计算机，本发明利用振镜扫描方式检测光学元件表面损伤的方法无需空间上移动待测元件即可实现对光学元件不同位置的扫描，节省大量空间，使检测系统结构简单，易于集成。基于振镜扫描方式的大口径元件损伤检测装置和方法可以实现对大口径元件不同位置损伤图像的扫描式采集，并进行拼接得到完整的大口径元件的损伤图像，该方法对CCD的分辨率要求较低，拼接方式简单，可快速准确地完成大口径元件损伤的检测。

Description

大口径光学元件表面损伤检测装置和方法

技术领域

本发明涉及光学元件，特别是一种大口径光学元件表面损伤检测装置和方法。

背景技术

随着大口径、高通量密度ICF激光驱动器的发展，光学元件的负载能力成为限制激光驱动器性能提升的重要因素，其中影响光学元件负载能力的主要因素是激光诱导元件的损伤。检测光学元件表面损伤情况可以保证系统安全、稳定的运行。

最简单的监测元件表面损伤的手段是利用肉眼直接观察，但由于肉眼分辨最小尺寸在百微米量级，更小尺寸的损伤很难观察到，具有随机性和不确定性。而且，在ICF激光驱动器系统中，很多光学元件处在真空密闭的环境中，不利于肉眼观察表面情况。为了检测元件表面损伤情况，研究者通常将待测光学元件表面成像到CCD相机上来判断元件表面是否产生损伤。因为高功率激光驱动器系统光束口径通常达到～300mm，甚至更大，其光学元件表面的损伤检测要求大视场的图像采集系统。目前，市场上可搜索到的科学级CCD的分辨率最大可达～10k*10k，像素尺寸～10um，这对于300mm口径光束诱导损伤图像来说，分辨率是远远不够的(300mm/10um＝30k>10k)，需要对待测元件表面损伤情况进行扫描式检测。

对于大口径元件来说，由于CCD相机分辨率和像素尺寸的限制，使其不能一次性对整个大口径元件的表面损伤情况成像。因此，为了满足大口径元件表面损伤检测需求，需要移动CCD相机或者被测元件来实现。系统中在线使用的待测光学元件，由于其已装校调试好，不易于装卸，难于通过移动待测元件来实现大口径元件的表面损伤检测。对于移动CCD的方式，相应的成像系统也要移动，这对保证放大倍率的一致性和严格成像都会产生不利影响。

二维振镜作为一种矢量扫描器件，对于固定入射激光来说，通过转动振镜的反射镜片可以实现出射激光束的移动。相反的，如果出射激光束位置固定，也可以通过二维振镜的反射镜的转动来实现对不同位置处入射光的接收，如图1所示。扫描振镜利用伺服电机驱动反射镜片的转动，其控制系统使用位置传感器和负反馈回路设计来保证系统的精度，并且有较高的扫描速度和重复复位精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种大口径光学元件表面损伤检测的装置和方法，该方法对CCD的分辨率要求较低，拼接方式简单，可快速有效地实现大口径元件损伤情况的检测。

本发明的技术解决方案如下：

一种大口径光学元件表面损伤检测装置，其特点在于包括：照明光源、大口径光学元件座、成像透镜、二维振镜、CCD相机和计算机，上述部件的位置关系如下：

沿所述的照明光源输出光束方向依次是所述的大口径光学元件座、成像透镜和二维振镜，在所述的二维振镜的反射光的光轴上是所述的CCD相机，所述的大口径光学元件座上的光学元件待检测面与所述的CCD相机分别位于所述的成像透镜的物平面和像平面，所述的CCD相机的输出端与所述的计算机的输入端相连。

利用上述大口径光学元件表面损伤检测装置进行元件表面损伤检测方法，包括以下步骤：

①在所述的大口径光学元件座上设置分辨率标定板，所述的分辨率标定板上带有两个特征点，且两个特征点之间的距离是d，在所述的照明光源的照射下，所述的分辨率标定板成像在所述的CCD相机上，该CCD相机将采集到的图像送入所述的计算机，所述的计算机对所述的图像进行处理，得到两个特征点之间相距的像素数为N，得到所述的CCD相机采集的图像上的像素的尺寸为d/N；

②取下分辨率标定板，在所述的大口径光学元件座上设置待测的大口径光学元件，其x和y方向尺寸分别为D_x、D_y，使所述的大口径光学元件的表面与照明光源的出射光束垂直，所述的照明光源输出的光束经所述的大口径光学元件、成像透镜、二维振镜后成像在所述的CCD相机上，并且使所述的CCD相机上所成的像为待测的大口径光学元件的最左上角S₁₁的位置；

在所述的计算机控制下，所述的二维振镜沿x方向和y方向各自扫描一次，所述的照明光源的出射光束在待测的大口径光学元件表面移动距离分别为a_x和a_y，于是，所述待测大口径光学元件被划分为m行，n列，其中m＝D_y/a_y，n＝D_x/a_x；

③令所述二维振镜沿x方向依次从S₁₁位置扫描到到S_1j位置，其中j为正整数1、2、3、4、…、n，所述CCD相机依次采集每个位置处所成的图像，送所述的计算机，所采集的S_1j位置的图像与S_1(j+1)位置的图像相对移动了a_x距离，换算到图像上移动的像素数为a_x/(d/N)，在图像拼接时，所述的计算机将S_1(j+1)位置图像矩阵的第一列与S1j位置图像矩阵的第(1+ax/(d/N)列重叠，所有S1j位置的图像叠加得到待测光学元件表面该行损伤情况的图像A1，其中j＝1、2、3……n；

④令所述二维振镜的x方向扫描位置回到最初位置S11，然后，在所述的计算机控制下，相应的所述二维振镜每转动一次出射照明光在待测的大口径光学元件表面移动距离为ay，所述二维振镜沿y方向扫描到S21位置，重复步骤③，得到待测光学元件表面第2行损伤情况的图像A2；

⑤重复步骤④，依次地使所述二维振镜沿x方向从Si1位置扫描到Sij位置，得到待测光学元件表面第i行的损伤情况的图像Ai；

⑥令i＝i+1，当i>m，进入步骤⑦，否则重复步骤⑤；

⑦结束。

所述的大口径元件表面损伤检测方法，只需驱动所述二维振镜即可实现对待测大口径光学元件表面损伤情况的扫描，降低了环境和系统不稳定带来的误差。该检测方面的图像拼接方式简单，减小了损伤检测所需的时长。

本发明具有的优点和效果是：

本发明在整个检测系统中，只需相应驱动二维振镜，不需要移动系统中的任何元器件，就可以实现对大口径光学元件上不同位置处表面损伤的检测。利用振镜扫描方式检测光学元件表面损伤的方法无需空间上移动待测元件即可实现对光学元件不同位置的扫描，节省大量空间，使检测系统结构简单，易于集成。基于振镜扫描方式的大口径元件损伤检测装置和方法可以实现对大口径元件不同位置损伤图像的扫描式采集，并进行拼接得到完整的大口径元件的损伤图像，该方法对CCD的分辨率要求较低，拼接方式简单，可快速准确地完成大口径光学元件表面损伤的检测。

附图说明

图1是本发明大口径光学元件表面损伤检测装置；

图中：1-照明光源，2-待测光学元件，3-成像透镜，4-二维振镜，5-CCD相机，6-计算机。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，是本发明大口径光学元件表面损伤检测装置，装置包括：照明光源1、大口径光学元件座2、成像透镜3、二维振镜4、CCD相机5、计算机6，上述部件的位置关系如下：

沿所述的照明光源1输出光束方向依次是所述的大口径光学元件座2、成像透镜3和二维振镜4，在所述的二维振镜4的反射光的光轴上是所述的CCD相机5，所述的大口径光学元件座2上的光学元件待检测面与所述的CCD相机5分别位于所述的成像透镜3的物平面和像平面，所述的CCD相机5的输出端与所述的计算机6的输入端相连。

利用上述的大口径光学元件表面损伤检测装置进行元件表面损伤检测方法，该方法包括下列步骤：

①在所述的大口径光学元件座2上设置分辨率标定板，所述的分辨率标定板上带有两个特征点，且两个特征点之间的距离是d，在所述的照明光源1的照射下，所述的分辨率标定板成像在所述的CCD相机5上，该CCD相机5将采集到的图像送入所述的计算机6，所述的计算机6对所述的图像进行处理，得到两个特征点之间相距的像素数为N，得到所述的CCD相机5采集的图像上的像素的尺寸为d/N；

②取下分辨率标定板，在所述的大口径光学元件座2上设置待测的大口径光学元件，其x和y方向尺寸分别为D_x、D_y，使所述的大口径光学元件的表面与照明光源1的出射光束垂直，所述的照明光源1输出的光束经所述的大口径光学元件、成像透镜3、二维振镜4后成像在所述的CCD相机5上，并且使所述的CCD相机5上所成的像为待测的大口径光学元件的最左上角S₁₁的位置；

在所述的计算机6控制下，所述的二维振镜4沿x方向和y方向各自扫描一次，所述的照明光源1的出射光束在待测的大口径光学元件表面移动距离分别为a_x和a_y，于是，所述待测大口径光学元件被划分为m行，n列，其中m＝D_y/a_y，n＝D_x/a_x；

③令所述二维振镜4沿x方向依次从S₁₁位置扫描到到S_1j位置，其中j为正整数1、2、3、4、…、n，所述CCD相机5依次采集每个位置处所成的图像，送所述的计算机6，所采集的S_1j位置的图像与S_1(j+1)位置的图像相对移动了a_x距离，换算到图像上移动的像素数为a_x/(d/N)，在图像拼接时，所述的计算机将S_1(j+1)位置图像矩阵的第一列与S_1j位置图像矩阵的第(1+a_x/(d/N)列重叠，所有S_1j位置的图像叠加得到待测光学元件表面该行损伤情况的图像A1，其中j＝1、2、3……n；

④令所述二维振镜4的x方向扫描位置回到最初位置S11，然后，在所述的计算机6控制下，相应的所述二维振镜4每转动一次出射照明光在待测的大口径光学元件表面移动距离为ay，所述二维振镜(4)沿y方向扫描到S21位置，重复步骤③，得到待测光学元件表面第2行损伤情况的图像A2；

⑤重复步骤④，依次地使所述二维振镜(4)沿x方向从Si1位置扫描到Sij位置，得到待测光学元件表面第i行的损伤情况的图像Ai；

⑥令i＝i+1，当i>m，进入步骤⑦，否则重复步骤⑤；

⑦结束。

试验表明，本发明在整个检测系统中，只需相应驱动二维振镜，不需要移动系统中的任何元器件，就可以实现对大口径光学元件上不同位置处表面损伤情况的检测。这不但减小了系统对占用空间的要求，还由于振镜扫描的准确性和快速性，使该检测系统可以快速、准确地完成待测元件表面损伤的检测和定位。

Claims (2)

1.一种大口径光学元件表面损伤检测装置，其特征在于包括：照明光源(1)、大口径光学元件座(2)、成像透镜(3)、二维振镜(4)、CCD相机(5)和计算机(6)，上述部件的位置关系如下：

沿所述的照明光源(1)输出光束方向依次是所述的大口径光学元件座(2)、成像透镜(3)和二维振镜(4)，在所述的二维振镜(4)的反射光的光轴上是所述的CCD相机(5)，所述的大口径光学元件座(2)上的光学元件待检测面与所述的CCD相机(5)分别位于所述的成像透镜(3)的物平面和像平面，所述的CCD相机(5)的输出端与所述的计算机(6)的输入端相连。

2.利用权利要求1所述的大口径光学元件表面损伤检测装置进行元件表面损伤的检测方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①在所述的大口径光学元件座(2)上设置分辨率标定板，所述的分辨率标定板上带有两个特征点，且该两个特征点之间的距离是d，在所述的照明光源(1)的照射下，所述的分辨率标定板成像在所述的CCD相机(5)上，该CCD相机(5)将采集到的图像送入所述的计算机(6)，所述的计算机(6)对所述的图像进行处理，得到两个特征点之间的像素数为N，得到所述的CCD相机(5)采集的图像上的像素的尺寸为d/N；

②取下分辨率标定板，在所述的大口径光学元件座(2)上设置待测的大口径光学元件，其x方向尺寸和y方向尺寸分别为D_x、D_y。使所述的大口径光学元件的表面与照明光源(1)的出射光束垂直，所述的照明光源(1)输出的光束经所述的大口径光学元件、成像透镜(3)、二维振镜(4)后成像在所述的CCD相机(5)上，并且使所述的CCD相机(5)上所成的像为待测的大口径光学元件的最左上角S₁₁的位置；

在所述的计算机(6)控制下，所述的二维振镜(4)沿x方向和y方向各自扫描一次，所述的照明光源(1)的出射光束在待测的大口径光学元件表面移动距离分别为a_x和a_y，于是，所述待测大口径光学元件被划分为m行，n列，其中m＝D_y/a_y，n＝D_x/a_x；

③在所述的计算机(6)控制下，令所述二维振镜(4)沿x方向依次从S₁₁位置扫描到到S_1j位置,其中j为正整数1、2、3、4、…、n，所述CCD相机(5)依次采集每个位置的图像，送所述的计算机(6)，所采集的S_1j位置的图像与S_1(j+1)位置的图像相对移动了a_x距离，换算到图像上移动的像素数为a_x/(d/N)，在图像拼接时，所述的计算机将S1(j+1)位置图像矩阵的第一列与S1j位置图像矩阵的第(1+ax/(d/N)列重叠，所有S1j位置的图像叠加得到待测光学元件表面该行损伤情况的图像A1，其中j＝1、2、3……n；

④令所述二维振镜(4)的x方向扫描位置回到最初位置S11，然后，在所述的计算机(6)控制下，相应的所述二维振镜(4)每转动一次出射照明光在待测的大口径光学元件表面移动距离为ay，所述二维振镜(4)沿y方向扫描到S21位置，重复步骤③，得到待测光学元件表面第2行损伤情况的图像A2；

⑤重复步骤④，依次地使所述二维振镜(4)沿x方向从Si1位置扫描到Sij位置，得到待测光学元件表面第i行的损伤情况的图像Ai；

⑥令i＝i+1，当i>m，进入步骤⑦，否则重复步骤⑤；

⑦结束。