CN107389688A - 大口径熔石英光学元件表面微缺陷多工位集成修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大口径熔石英光学元件表面微缺陷多工位集成修复方法，将紫外激光预处理系统、显微检测系统和二氧化碳激光修复系统集中安装在多自由度熔石英光学元件定位平台上，实现三工位集成。对熔石英光学元件安装定位后，采用紫外激光光斑对光学元件表面进行全口径逐行往复式扫描预处理；然后利用显微检测系统对熔石英光学元件表面微缺陷进行全口径暗场扫描检测；最后选定需要修复的微缺陷兴趣点，通过CO2红外激光系统对光学元件表面微缺陷进行局部单点融熔修复，从而完成熔石英光学元件表面微缺陷的多工位集成修复，该工艺方法实现多工位集成，节约了各个工位的装夹时间至少150分钟，提高了微缺陷修复的效率。
Description
技术领域
本发明属于工程光学领域，具体涉及一种大口径熔石英光学元件表面微缺陷多工位集成修复方法。
背景技术
大口径熔石英光学元件是高功率固体激光装置的终端光学组件中应用最为普遍的光学元器件，它是一种典型的硬脆材料，在冷加工过程中易产生微裂纹、凹坑等表层或亚表层微缺陷，尤其是在高功率固体激光系统中，当大口径熔石英光学元件在三倍频紫外强激光的辐照下，更易于产生微裂纹、微凹坑等烧蚀点微缺陷。研究表明，当微裂纹或烧蚀点等微缺陷产生时，随着激光辐照次数的增加，光学元件的后表面微缺陷尺寸以指数性增长。当微缺陷的面积总和超过一定比例后，熔石英光学元件将视为彻底损坏而不能继续使用。美国国家点火装置(NIF)劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)提出当熔石英光学元件通光域内的微缺陷面积达到全口径通光面积的3％时，即可认为该元件达到了使用寿命，此时光学元件就需要进行更换。对于非球曲面的大口径熔石英光学元件，其加工时间周期长，成本高；为了延缓光学元件的使用寿命，国内外主要采取的解决措施是对已产生的微缺陷进行激光微修复，使其抗损伤能力大幅度提升，从而达到抑制损伤增长的目的，由此降低高功率固体激光装置的运行成本。
在大口径熔石英光学元件表面微缺陷的检测与修复技术上，国外采用的是单工位来实现熔石英光学元件表面微缺陷检测、紫外激光预处理、二氧化碳红外激光修复等方面的工作，但它们相互间的微缺陷修复与图像处理信息不能得到有效共享。为此，本发明提出大口径熔石英光学元件紫外激光预处理、表面缺陷检测和二氧化碳红外激光修复的多工位集成修复工艺技术，以修复其微缺陷或抑制微缺陷增长，达到提高该类光学元件的使用寿命。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种大口径熔石英光学元件表面微缺陷多工位集成修复方法，包括以下步骤：
步骤一、将机床检测系统自动初始化，找到机床零点，以机床检测系统的二维运动平台为X,Y轴、显微检测系统和CO2红外激光系统为Z1轴、紫外激光预处理系统为Z2轴，建立机床检测系统的坐标系，即绝对坐标系；
步骤二、将熔石英光学元件安装在二维运动平台上；
步骤三、采用显微检测系统建立工位Ⅰ紫外激光处理系统、工位Ⅱ显微检测系统和位ⅢCO2红外激光系统的相对坐标系；采用显微检测系统建立熔石英光学元件的工件坐标系；
步骤四、将光学元件移动到工位Ⅰ紫外激光处理系统的零点处，采用紫外激光系统对熔石英光学元件进行逐行往复式紫外激光预处理；
步骤五、将光学元件移动到工位Ⅱ显微检测系统的零点处，利用显微检测系统的暗场线阵CCD显微系统对熔石英光学元件表面微缺陷进行全口径暗场扫描检测，照明光源以一定的角度入射，获取光学元件表面微缺陷点的暗场图像，同时对图像进行处理，获得微缺陷的大小、位置以及形状信息；
步骤六、在工位Ⅱ显微检测系统处，将暗场线阵CCD显微系统检测到的微缺陷移动到明场面阵CCD显微系统视野中心，在线监测光学元件表面微缺陷的大小及形状信息特征，为设置CO2激光修复微缺陷参数提供参考；
步骤七、在工位Ⅱ显微检测系统处选定所需要修复的光学元件表面微缺陷点，将微缺陷点在工位Ⅱ的坐标位置变换到工位Ⅲ坐标系下的坐标位置，并将微缺陷点移动到工位Ⅲ处，采用CO2红外激光系统对光学元件表面进行局部单点融熔修复，并用明场面阵CCD显微系统在线观测CO2红外激光修复微缺陷点后的效果。
优选的是，其特征在于，所述显微检测系统包括明场面阵CCD显微系统、暗场线阵CCD显微系统、光谱共焦测距系统和光源。
优选的是，所述紫外激光系统包括固体激光器、能量卡计、分光劈板、聚焦透镜和准直激光。
优选的是，CO2红外激光系统包括CO2红外激光器、合束镜、聚焦透镜和准直光。
优选的是，所述步骤三中，坐标系的建立过程为：移动安装熔石英光学元件的二维运动平台，将光学元件移动到明场面阵CCD显微系统视野中；移动二维运动平台，分别将光学元件上、下、左、右四个边界移动到明场面阵 CCD显微系统视野中心，并记录各边在绝对坐标系下对应的坐标值；通过记录的四个边界坐标值计算光学元件几何中心的位置坐标，以此中心位置为原点建立工件坐标系和相对坐标系。
优选的是，所述步骤三和步骤四之间还包括以下步骤：利用光谱共焦测距系统进行覆盖全口径的9点测量法，即在光学元件出光面选取覆盖全口径的9个阵列坐标点，利用光谱共焦测距系统分别测量9点的距离值，采用最小二乘法建立光学元件的出光面方程，用此方程分别计算Z1轴和Z2轴运动时的随动误差方程。
优选的是，所述步骤七中，CO2激光修复分为两个过程，首先是在低激光功率，即作用温度低于熔石英软化点下长时间预热，接着是在高激光功率，即作用温度高于熔石英软化点，低于熔石英气化点下融熔微缺陷点进行融熔修复。
优选的是，所述明场面阵CCD显微系统由面阵CCD相机、可变焦光学显微镜头和同轴光源组成，面阵相机分辨率为2456×2058，像元大小为3.45 μm×3.45μm，可变焦光学显微镜头的变焦范围是0.87x～10.5x，其工作距离为105mm。
优选的是，所述暗场线阵CCD显微系统由线阵CCD相机、不可变焦光学显微镜头、高亮型线阵光源组成，线阵相机分辨率为8192×2，像素尺寸为7.04μm×7.04μm，镜头放大倍率需实际测量，其工作距离为95mm，光源采用高亮型线阵光源，其入射角度为45°，工作距离为110mm。
本发明的大口径熔石英光学元件表面微缺陷的多工位集成修复方法，提出了在同一台平台上实现紫外激光预处理、表面微缺陷检测及CO2红外激光修复三工位集成的工艺方法，其有益效果如下：
(1)该工艺方法实现多工位集成，节约了各个工位的装夹时间至少150 分钟，提高了微缺陷修复的效率；
(2)多工位集成避免了多工位多次安装带来的重复安装误差，包括重复定位误差5μm，重复垂直度误差20μrad，提高了表面微缺陷的检测精度以及微缺陷修复效果；
(3)多工位集成避免了对光学元件表面特定位置做标记进行识别定位，避免不必要的光学元件损伤；
(4)该多工位平台采用同一控制系统，只需对光学元件进行一次定位，通过三工位多轴联动装置的坐标系进行关联，即可实现各工位间坐标信息和微缺陷信息的共享，节省了数据传输的时间。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为熔石英光学元件表面微缺陷多工位集成修复方法示意图；
图2为紫外激光光栅式扫描预处理示意图；
图3为熔石英光学元件表面微缺陷多工位集成修复流程；
图4为预处理过程中产生损伤的暗场图像；
图5为预处理过程中产生损伤的明场图像；
图6为CO2红外激光融熔修复后微缺陷点的明场视野图像；
图7为修复后的融熔坑截面曲线(修复坑的口径大小为900μm，深度约为45μm)；
图8为修复后的融熔坑截面曲线(修复坑的口径大小为900μm，深度约为55μm)；
图9为本发明微缺陷像素位置计算示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本发明公开了一种大口径熔石英光学元件表面微缺陷多工位集成修复方法，如图1所示，将紫外激光预处理系统、显微检测系统和二氧化碳激光修复系统集中安装在多自由度熔石英光学元件定位平台上，实现三工位集成。对熔石英光学元件安装定位后，将光学元件移动到工位Ⅰ紫外激光预处理系统零点处，采用紫外激光光斑对光学元件表面进行全口径逐行往复式扫描预处理，(清除光学元件表面杂质、诱导光学元件表面低阈值点产生损伤)；然后将表面预处理后光学元件移动到工位Ⅱ显微检测系统零点处，利用显微检测系统对熔石英光学元件表面微缺陷进行全口径暗场扫描检测，(获取光学元件表面微缺陷点的大小以及位置信息)；最后选定需要修复的微缺陷兴趣点，并将其移动到工位ⅢCO2红外激光系统零点处，设置合适的激光参数，对光学元件表面微缺陷进行局部单点融熔修复，从而完成熔石英光学元件表面微缺陷的多工位集成修复，其示意图如图1所示，其处理方法包括以下步骤：
步骤一、将机床检测系统自动初始化，找到机床零点，以机床检测系统的二维运动平台为X,Y轴、显微检测系统和CO2红外激光系统为Z1轴、紫外激光预处理系统为Z2轴，建立机床检测系统的坐标系，即绝对坐标系；机床检测系统采用专利文献大口径曲面光学元件表面微缺陷检测与激光修复系统 (申请号：201510556896.6)，配套开发的上位机控制软件，该系统定位精度为±10μm，可实现对口径不大于500mm×500mm的光学元件进行全口径扫描处理；
步骤二、将高精度二维运动平台移动到安装工位进行光学元件安装；所述二维运动平台为专利文献大口径光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行程移动装置(申请号：201510556900.9)，所述用于熔石英光学元件装夹的夹具为专利文献大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用快速装夹随行夹具(申请号：201610231493.9)，可实现对曲面类和平面类且口径不大于500mm ×500mm的熔石英光学元件进行装夹；
步骤三、采用显微检测系统建立工位Ⅰ紫外激光处理系统、工位Ⅱ显微检测系统和位ⅢCO2红外激光系统的相对坐标系；采用显微检测系统建立熔石英光学元件的工件坐标系；
步骤四、将光学元件移动到工位Ⅰ紫外激光处理系统的零点处，采用紫外激光系统对熔石英光学元件进行逐行往复式紫外激光预处理，用于清除光学元件表面杂质、诱导光学元件表面低阈值点产生损伤；光学元件的边界处是应力集中点，易产生损伤，因此扫描时应避免在边界处辐射激光，而对于实际使用的光学元件，其通光域要小于光学元件的口径大小，因此设定紫外激光的辐射扫描范围略大于通光域，但大于光学元件的口径。如图2所示，为紫外激光光栅式扫描预处理示意图，具体预处理过程如下：根据光学元件的口径大小、通光域大小，设置光学元件紫外扫描范围略大于通光域、同时小于光学元件口径，通过扫描范围边界的位置反馈控制激光的开启与关闭，实现扫描范围以内激光辐照、扫描范围以外关闭激光辐照的功能；根据光学元件紫外激光扫描范围设置激光光斑的扫描路径范围，路径范围应至少比扫描范围大一个光斑直径，以满足紫外激光扫描时激光能对扫描范围内进行完全辐照；按照图3所示的扫描路径轨迹，将紫外激光光斑定位到路径起始扫描点，然后按照图中所示扫描路径进行往复光栅式逐行扫描，完成紫外激光预处理；
步骤五、将光学元件移动到工位Ⅱ显微检测系统的零点处，利用显微检测系统的暗场线阵CCD显微系统对熔石英光学元件表面微缺陷进行全口径暗场扫描检测，照明光源以一定的角度入射，获取光学元件表面微缺陷点的暗场图像，同时对图像进行处理，获得微缺陷的大小、位置以及形状信息；
其中，根据熔石英光学元件口径大小，调整暗场线阵CCD显微系统单向光栅式扫描参数，包括扫描速度、扫描间距和照明光源亮度，获取紫外预处理后的熔石英光学元件表面微缺陷图像；采用中值滤波、顶帽变换以及开运算等方法对获取的表面微缺陷图像进行处理，提取出微缺陷的位置、大小和形状等关键信息；
步骤六、在工位Ⅱ显微检测系统处，将暗场线阵CCD显微系统检测到的微缺陷移动到明场面阵CCD显微系统视野中心，在线监测光学元件表面微缺陷的大小及形状信息特征，为设置CO2激光修复微缺陷参数提供参考；其中局具体过程为：采用暗场线阵CCD显微系统获取了熔石英光学元件经过紫外预处理后表面微缺陷的位置、大小和形状等信息，该信息在暗场线阵CCD 显微系统相对坐标系下，将其转换到明场面阵CCD显微系统的相对坐标系下，选定目标微缺陷点，并将其自动移动到明场面阵CCD显微系统视野中心，在线监测光学元件表面微缺陷的大小及形状信息特征，为操作人员设置CO2激光修复微缺陷参数提供参考。
步骤七、在工位Ⅱ显微检测系统处选定所需要修复的光学元件表面微缺陷点，将微缺陷点在工位Ⅱ的坐标位置变换到工位Ⅲ坐标系下的坐标位置，并将微缺陷点移动到工位Ⅲ处，采用CO2红外激光系统对光学元件表面进行局部单点融熔修复，并用明场面阵CCD显微系统在线观测CO2红外激光修复微缺陷点后的效果；该步骤中需要将工位Ⅱ坐标系下的微缺陷信息转换到工位Ⅲ坐标系下的对应位置，将待修复的微缺陷点自动移动到工位Ⅲ进行CO2激光红外修复，CO2红外激光器输出的激光通过聚焦透镜形成一定大小的高能光斑，该光斑作用于微缺陷点形成融熔坑，从而完成为缺点的修复；对熔石英光学元件表面微缺陷修复点在明场面阵CCD显微系统下在线检测，根据修复后的效果进行在线修改激光参数，以达到较好的修复效果。
在上述技术方案中，所述显微检测系统包括明场面阵CCD显微系统、暗场线阵CCD显微系统、光谱共焦测距系统和光源。
在上述技术方案中，所述紫外激光系统包括固体激光器、能量卡计、分光劈板、聚焦透镜和准直激光。
在上述技术方案中，所述CO2红外激光系统包括CO2红外激光器、合束镜、聚焦透镜和准直光。
在上述技术方案中，所述步骤三中，坐标系的建立过程为：移动安装熔石英光学元件的二维运动平台，将光学元件移动到明场面阵CCD显微系统视野中；移动二维运动平台，分别将光学元件上、下、左、右四个边界移动到明场面阵CCD显微系统视野中心，并记录各边在绝对坐标系下对应的坐标值；通过记录的四个边界坐标值计算光学元件几何中心的位置坐标，以此中心位置为原点建立工件坐标系和相对坐标系。
在上述技术方案中，所述步骤三和步骤四之间还包括以下步骤：利用光谱共焦测距系统进行覆盖全口径的9点测量法，即在光学元件出光面选取覆盖全口径的9个阵列坐标点，利用光谱共焦测距系统分别测量9点的距离值，采用最小二乘法建立光学元件的出光面方程，用此方程分别计算Z1轴和Z2轴运动时的随动误差方程，具体修改过程可参考专利文献(专利申请号： 201510556896.6)。
在上述技术方案中，所述步骤七中，CO2激光修复分为两个过程，首先是在低激光功率，即作用温度低于熔石英软化点下长时间预热，接着是在高激光功率，即作用温度高于熔石英软化点，低于熔石英气化点下融熔微缺陷点进行融熔修复。
在上述技术方案中，所述明场面阵CCD显微系统由面阵CCD相机、可变焦光学显微镜头和同轴光源组成，面阵相机分辨率为2456×2058，像元大小为3.45μm×3.45μm，可变焦光学显微镜头的变焦范围是0.87x～10.5x，其工作距离为105mm。
在上述技术方案中，所述暗场线阵CCD显微系统由线阵CCD相机、不可变焦光学显微镜头、高亮型线阵光源组成，线阵相机分辨率为8192×2，像素尺寸为7.04μm×7.04μm，镜头放大倍率需实际测量，其工作距离为 95mm，光源采用高亮型线阵光源，其入射角度为45°，工作距离为110mm。
其中，所述步骤六中，图像进行处理的过程为：对暗场线阵CCD显微系统扫描采集的微缺陷图像直接进行图像二值化处理，同时采用边扫描边处理的方法，将处理后的二值化图像进行拼接，提取在工件坐标系下的微缺陷特征信息，并根据工件坐标系与绝对坐标系的关系，将工件坐标系下的微缺陷坐标值转化为绝对坐标系下的坐标值；实现对大口径熔石英光学元件表面微缺陷的快速暗场检测；该步骤具体采用的过程为：
采用中值滤波、顶帽变换以及开运算方法对采集的微缺陷图像XmYn进行二值化处理；采用最小外接矩形包络法对二值化图像中的微缺陷信息进行提取，获取微缺陷尺寸和位置信息的像素数；根据图像XmYn的编号，计算微缺陷在熔石英光学元件工件坐标系下的像素位置，如图9所示；利用定标得到的像素与实际尺寸的转化系数，将微缺陷信息的尺寸和位置坐标的像素数转化为实际尺寸和工件坐标系下的坐标位置；按照光学元件口径的实际大小，将光学元件通光口径以外所有区域的干扰点进行去除；根据工件坐标系与绝对坐标系的关系，将工件坐标系下的微缺陷坐标值转化为绝对坐标系下的坐标值，如下式(1)和式(2)：
X0＝XR+kx×(m×H+LY)+XC (1)
Y0＝YR+n×Yp+ky×LX+YC (2)
式中X0/Y0为目标缺陷点相对于(绝对坐标系)明场显微镜视野中心的X、Y 坐标(mm)；XR/YR为(工件坐标系)暗场扫描起始点坐标(mm)，即工件原点在绝对坐标系的位置；XC/YC为明场视野中心与暗场视野中心X、Y方向偏移量(mm)；m/n为子孔径输出图像的编码；LX/LY为缺陷点在该子孔径图像中的局部坐标(pixel)；kx/ky为暗场采集图像像素的转换系数(mm/pixel)；Yp为暗场扫描中Y方向步进值(mm)；H为暗场采集图像的高度(pixel)；
所述的像素与实际尺寸的转化系数，采用刻有标准刻度的高精度分划板进行标定，分划板标准刻度尺范围0～16mm，刻度线宽10μm，最小测量长度100μm；像素与实际尺寸的转化系数包括X方向和Y方向两个方向上的转化系数；所述X方向像素与实际尺寸的转化系数标定方式如下：将分划板刻度沿X方向安装在光学元件夹具上，用暗场线阵CCD显微系统扫描分划板上标有刻度的部分，获取扫描图像；在获取的扫描图像中寻找相距较远的刻度线，以刻度线同一侧的像素点表示该刻度线的位置，分别记录两个刻度线的X和Y两个方向坐标，设刻度线1的坐标为(x1，y1)，其对应的刻度值为l1，刻度线2的坐标为(x2，y2)，其对应的刻度值为l2，则X方向像素与实际尺寸的转化系数kx为：
Y方向像素与实际尺寸的转化系数标定方式如下：将分划板刻度沿Y方向安装在光学元件夹具上，用暗场线阵CCD显微系统扫描分划板上标有刻度的部分，获取扫描图像，在获取的扫描图像中寻找相距较远的刻度线，以刻度线同一侧的像素点表示该刻度线的位置，分别记录两个刻度线的X和Y两个方向坐标，设刻度线3的坐标为(x3，y3)，其对应的刻度值为l3，刻度线 4的坐标为(x4，y4)，其对应的刻度值为l4，则X方向像素与实际尺寸的转化系数ky为：
实施例1：
光学抛光的Corning7980熔石英光学元件有50mm×50mm×5mm， 100mm×100mm×5mm和430mm×430mm×10mm等多种尺寸规格，按照如图3的流程，开展对光学元件多工位集成修复功能的验证工作。
步骤一、熔石英光学元件安装与定位
启动系统后，进行回零操作，建立机床系统的坐标系，即绝对坐标系。
在绝对坐标系下，将机床的二维运动平台移动到光学元件安装工位，并对光学元件进行安装。熔石英光学元件是硬脆性材料，要保证在安装过程中不对其造成损坏和带引入表面污染，是较为复杂的安装过程，安装过程至少耗时1小时，对光学元件安装后还需要对光学元件进行定位，定位过程至少耗时15分钟。在该多工位集成的修复系统中只需要安装、定位一次即可，而在单工位中每个工位都进行重新安装与定位，相比较而言，多工位集成在安装与定位过程中至少节约时间150分钟以上。
在多次安装过程中存在重复安装误差，根据设计中给出的理论值，计算得到理论上重复定位误差5μm，熔石英光学元件与各轴的重复垂直度误差 20μrad，而暗场线阵CCD相机的分辨率为3.914μm。对于同一片光学元件上的某一个微缺陷而言，在各个单工位处理时就会存在误差，光学元件的重复安装误差越大，各个单工位对光学元件表面微缺陷定位误差也越大，甚至会相差数个像素点，造成微缺陷的丢失。而多工位集成的修复方法避免了这种缺陷。
以绝对坐标系为基础，利用显微检测系统中的明场面阵CCD显微系统标定出工件坐标系及相对坐标系。由于光学元件存在安装误差，采用光谱共焦测距系统测出熔石英光学元件出光面方程，修正光学元件出光面的精确位置，以次计算出在各个工位时Z轴运动时的随动误差方程。
步骤二、工位Ⅰ：紫外激光光栅式扫描预处理
对光学元件进行安装和定位后，进行紫外激光光栅式扫描预处理，扫描中采用单纵模Nd:YGA激光器，激光波长为355nm，脉宽为8ns，光斑呈空间高斯分布，单次触发模式。
如图2所示，首先将紫外激光光斑定位到光学元件左下角，然后按照图中所示扫描路径进行往复式逐行扫描。光学元件的边界处是应力集中点，易产生损伤，因此扫描时应避免在边界处辐射激光。而对于实际使用的光学元件，其通光域要小于光学元件的口径大小，因此设定紫外激光的辐射扫描范围略大于通光域，但大于光学元件的口径。如图2中点画线所示区域为设定的紫外激光辐射扫描范围，通过位置反馈在设定的扫描边界处控制激光的开启与关闭，避免激光辐射在光学元件边界位置处，造成光学元件损伤。
根据聚焦透镜到光学元件表面的距离，调整紫外激光光斑直径在1mm ～5mm之间，扫描速度为1mm/s～10mm/s，扫描间距为1mm～5mm，在此参数范围内实现紫外激光对熔石英光学元件表面光栅式扫描预处理。
步骤三、工位Ⅱ：光学元件表面微缺陷检测
紫外激光对熔石英光学元件预处理时，一方面会对光学元件表面的杂质进行清理，获得较为纯净的表面，另一方面会暴露光学元件表面及亚表面的低阈值点，诱导产生损伤点。
利用显微检测系统中的暗场线阵CCD显微系统对紫外激光扫描后的熔石英光学元件进行全口径暗场扫描，获得熔石英光学元件表面微缺陷图像。暗场线阵CCD显微系统成像时，照明光源以一定角度入射，损伤点处产生散射光进入显微镜系统成像，如图4中的白色区域，非损伤点处光源反射，未进入到显微系统成像，如图4中的黑色区域。如图4为在紫外预处理过程中所所暴露的低阈值点，该处已明显产生了损伤。
对暗场线阵CCD显微系统所检测到的微缺陷点图像进行处理，获取图像的大小、位置和形状等信息。将微缺陷点的位置转化到明场面阵CCD显微系统相对坐标系下，该微缺陷点自动移动到明场面阵CCD显微系统视野中心，如图5所示，明场面阵CCD显微系统采用同轴光源照明，损伤区域产生散射光在显微系统视野中为黑色区域，非损伤区域产生反射光在显微系统视野中为白色区域。图5a)中，激光诱导产生的微缺陷区域长度方向约为600μm，图5b)中，激光诱导产生的微缺陷区域长度方向约为900μm，缺陷区域的大小，可为CO2红外激光修复时激光光斑的大小选择提供参考。
步骤四、工位Ⅲ：CO2红外激光局部融熔修复
熔石英光学元件经过紫外激光预处理暴露了低阈值点，诱导产生了损伤，通过显微检测系统获取了微缺陷点的大小、位置和形状等关键信息。通过坐标变化，将待修复的微缺陷点自动移动到CO2激光红外修复工位，采用CO2红外激光对微缺陷点进行局部加热融熔。
该工位中，CO2红外激光器最高工作频率为25000Hz，中心波长为10.6 μm，CW模式最大工作功率为100W，通过调节占空比可以调节激光功率在 0～100W之间变化，1/e2处光斑直径为1mm～5mm，光场为空间高斯分布，单次触发模式。
CO2激光修复分为两个过程，首先是在低功率(温度低于熔石英软化点) 下长时间预热，接着是在高功率下融熔微缺陷点进行融熔修复。低功率激光预热增加了光学元件微缺陷点处的平均温度，避免高功率激光修复时微缺陷点深处来不及融熔而产生气泡。CO2激光修复时，首先在激光功率11W，辐照预热40s，再提高激光功率至14W，预热20s，最后提高激光功率至27W 的高功率下作用5s，对微缺陷点进行融熔修复。如图6所示为熔石英表面微缺陷点修复后的明场面阵CCD显微系统视野中的图像，在该图中可明显观察到图5中的黑色损伤区域基本消失不见，说明修复区域对光的散射作用很弱，同时在修复区域的边界处可观察到残留的损伤区域，这是由于激光光斑的大小决定的，通过增加激光光斑直径可实现完全修复。
图6中明场面阵CCD显微系统获得的图像只能观测到损伤区域是否完成修复工作，而不能获取修复后的微缺陷融熔坑的形貌，采用Taylor Hobson二维轮廓仪分别测量两个修复坑的二维形貌，如图7)中该修复坑的口径大小为 900μm，深度约为45μm，如图8)中该修复坑的口径大小为900μm，深度约为55μm。修复后的融熔坑截面曲线符合高斯曲线，达到修复要求。
上述步骤使用本发明的工艺流程，实现了熔石英光学元件表面微缺陷的多工位集成修复。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (9)
1.一种大口径熔石英光学元件表面微缺陷多工位集成修复方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将机床检测系统自动初始化，找到机床零点，以机床检测系统的二维运动平台为X,Y轴、显微检测系统和CO2红外激光系统为Z1轴、紫外激光预处理系统为Z2轴，建立机床检测系统的坐标系，即绝对坐标系；
步骤二、将熔石英光学元件安装在二维运动平台上；
步骤三、采用显微检测系统建立工位Ⅰ紫外激光处理系统、工位Ⅱ显微检测系统和位ⅢCO2红外激光系统的相对坐标系；采用显微检测系统建立熔石英光学元件的工件坐标系；
步骤四、将光学元件移动到工位Ⅰ紫外激光处理系统的零点处，采用紫外激光系统对熔石英光学元件进行逐行往复式紫外激光预处理；
步骤五、将光学元件移动到工位Ⅱ显微检测系统的零点处，利用显微检测系统的暗场线阵CCD显微系统对熔石英光学元件表面微缺陷进行全口径暗场扫描检测，照明光源以一定的角度入射，获取光学元件表面微缺陷点的暗场图像，同时对图像进行处理，获得微缺陷的大小、位置以及形状信息；
步骤六、在工位Ⅱ显微检测系统处，将暗场线阵CCD显微系统检测到的微缺陷移动到明场面阵CCD显微系统视野中心，在线监测光学元件表面微缺陷的大小及形状信息特征，为设置CO2激光修复微缺陷参数提供参考；
步骤七、在工位Ⅱ显微检测系统处选定所需要修复的光学元件表面微缺陷点，将微缺陷点在工位Ⅱ的坐标位置变换到工位Ⅲ坐标系下的坐标位置，并将微缺陷点移动到工位Ⅲ处，采用CO2红外激光系统对光学元件表面进行局部单点融熔修复，并用明场面阵CCD显微系统在线观测CO2红外激光修复微缺陷点后的效果。
2.如权利要求1所述的大口径熔石英光学元件表面微缺陷多工位集成修复方法，其特征在于，所述显微检测系统包括明场面阵CCD显微系统、暗场线阵CCD显微系统、光谱共焦测距系统和光源。
3.如权利要求1所述的大口径熔石英光学元件表面微缺陷多工位集成修复方法，其特征在于，所述紫外激光系统包括固体激光器、能量卡计、分光劈板、聚焦透镜和准直激光。
4.如权利要求1所述的大口径熔石英光学元件表面微缺陷多工位集成修复方法，其特征在于，CO2红外激光系统包括CO2红外激光器、合束镜、聚焦透镜和准直光。
5.如权利要求1所述的大口径熔石英光学元件表面微缺陷多工位集成修复方法，其特征在于，所述步骤三中，坐标系的建立过程为：移动安装熔石英光学元件的二维运动平台，将光学元件移动到明场面阵CCD显微系统视野中；移动二维运动平台，分别将光学元件上、下、左、右四个边界移动到明场面阵CCD显微系统视野中心，并记录各边在绝对坐标系下对应的坐标值；通过记录的四个边界坐标值计算光学元件几何中心的位置坐标，以此中心位置为原点建立工件坐标系和相对坐标系。
6.如权利要求1所述的大口径熔石英光学元件表面微缺陷多工位集成修复方法，其特征在于，所述步骤三和步骤四之间还包括以下步骤：利用光谱共焦测距系统进行覆盖全口径的9点测量法，即在光学元件出光面选取覆盖全口径的9个阵列坐标点，利用光谱共焦测距系统分别测量9点的距离值，采用最小二乘法建立光学元件的出光面方程，用此方程分别计算Z1轴和Z2轴运动时的随动误差方程。
7.如权利要求1所述的大口径熔石英光学元件表面微缺陷多工位集成修复方法，其特征在于，所述步骤七中，CO2激光修复分为两个过程，首先是在低激光功率，即作用温度低于熔石英软化点下长时间预热，接着是在高激光功率，即作用温度高于熔石英软化点，低于熔石英气化点下融熔微缺陷点进行融熔修复。
8.如权利要求1所述的大口径熔石英光学元件表面微缺陷多工位集成修复方法，其特征在于，所述明场面阵CCD显微系统由面阵CCD相机、可变焦光学显微镜头和同轴光源组成，面阵相机分辨率为2456×2058，像元大小为3.45μm×3.45μm，可变焦光学显微镜头的变焦范围是0.87x～10.5x，其工作距离为105mm。
9.如权利要求1所述的大口径熔石英光学元件表面微缺陷多工位集成修复方法，其特征在于，所述暗场线阵CCD显微系统由线阵CCD相机、不可变焦光学显微镜头、高亮型线阵光源组成，线阵相机分辨率为8192×2，像素尺寸为7.04μm×7.04μm，镜头放大倍率需实际测量，其工作距离为95mm，光源采用高亮型线阵光源，其入射角度为45°，工作距离为110mm。
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