CN109001207B - 一种透明材料表面及内部缺陷的检测方法和检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种透明材料表面及内部缺陷的检测方法和检测系统，检测系统包括：光学测量系统、光学分析系统和彩色共焦数据处理程序。光学测量系统用于光的输出并接收被测透明材料表面及内部缺陷的反射光，将其输出到光学分析系统；光学分析系统，用于接收透明材料表面及内部缺陷的反射光；彩色共焦数据处理程序，用于对光学分析系统获取的反射光进行分析以获取反射峰对应的波长值，再对此波长值进行处理以获取被测透明材料的表面及内部缺陷信息。本发明还提供了基于上述检测系统的透明材料表面及内部缺陷的检测方法。本发明的透明材料表面及内部缺陷的检测方法和检测系统，能够快速、无损、准确的对透明材料表面及内部缺陷进行定性定量地测量。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量领域，尤其涉及一种透明材料表面及内部缺陷的检测方法和检测系统。
背景技术
透明的光学元件是光学系统中非常重要的元件。透明的光学元件表面及内部缺陷(如裂纹、划痕等)严重影响了光学元件的光学性能，在光学系统的使用中，对测量结果带来很大的影响，而且，一些光学元件还会作为基底用于表面镀膜，这就对光学元件的质量提出了很高的要求，如表面平整度，表面及亚表面没有超标的缺陷等等。然而元件在生产加工中难免会产生缺陷，这些缺陷一般都是微米级甚至更小，无法通过肉眼直接识别，如何快速、无损、准确的对透明光学元件表面及内部缺陷进行定性定量地测量，是提高透明光学元件质量的前提条件。
目前，透明材料(包括透明光学元件但不限于光学元件)内部缺陷的检测方法主要分为有损检测和无损检测。常用的有损检测技术包括化学刻蚀法、截面显微法、角度抛光法、磁流变抛光斑点法等，这些主要或助化学试剂或在不同的加工阶段来观测内部缺陷貌，从而得到内部缺陷的信息。这些方法直观性强并且应用很广，但是制备样品或费时，腐蚀过程不易控制，测量范围有限，而且，在破坏的过程中，易产生新的损伤。无损检测主要是借助光学、声学、电磁学的手段来对样品的内部缺陷进行探测，主要有激光调制散射技术、全内反射技术、光学相干层析技术、高频扫面声学显微技术、共焦激光扫描显微技术等。这些检测方法对被测样品都没有损伤的，但是往往存在或分辨率低、或检测速度慢、或不能定量测得缺陷信息等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够快速、无损、准确的对透明材料表面及内部缺陷进行定性定量地测量的检测方法和检测系统，为透明材料表面及内部缺陷的检测提供新的途径。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
一种透明材料表面及内部缺陷的检测系统，包括光学测量系统、光学分析系统和彩色共焦数据处理程序，其中
光学测量系统包括复色光源、光源针孔、准直透镜、色散管镜、分光镜、物镜、可实现三维移动的载物台、会聚透镜、检测针孔和输出光纤，所述复色光源发出的光依次经所述光源针孔、所述准直透镜、所述色散管镜、所述分光镜和所述物镜传输到放置于所述载物台上的被测透明材料，所述被测透明材料的反射光依次经过所述物镜、所述分光镜、所述会聚透镜、所述检测针孔和所述输出光纤输出；
所述光学分析系统包括光谱仪，所述输出光纤的输出端连接所述光谱仪；所述光学分析系统用于接收被测透明材料的表面及内部的缺陷的反射光；
所述彩色共焦数据处理程序用于对所述光学分析系统获取的反射光进行分析以获取反射峰对应的波长值，再对反射峰对应的波长值进行处理以获取被测透明材料的内部缺陷信息。
所述复色光源为卤素灯光源。
所述彩色共焦数据处理程序具体用于根据所述反射峰对应的波长值的中心波长值的提取。
所述彩色共焦数据处理程序还用于根据预先提取的所述中心波长值，建立中心波长和标定好的轴向高度信息的关系以获取所述透明材料内部缺陷的深度信息。
所述彩色共焦数据处理程序还用于根据预先建立的中心波长和标定好的轴向高度信息的关系进行计算时，对干扰表面的反射光的影响进行消除处理。
所述的彩色共焦数据处理程序还用于在获取所述透明材料内部缺陷深度信息的同时，对透明材料内部缺陷的横向信息的获取。
一种透明材料表面及内部缺陷的检测方法，其特征在于，通过如下步骤实现：
S1：复色光源发出的光依次经光源针孔、准直透镜、色散管镜、分光镜和物镜传输到放置于可实现三维移动的载物台上的被测透明材料；
S2：所述物镜接收所述被测量透明材料的反射光，并依次由所述分光镜、会聚透镜、检测针孔和输出光纤传输到光学分析系统；
S3:由所述光学分析系统接收所述被测透明材料的表面及内部的缺陷的反射光；
S4：所述彩色共焦数据处理程序用于对所述反射光进行分析以获取反射峰对应的波长值，再对反射峰对应的波长值进行处理以获取被测透明材料的内部缺陷。
所述彩色共焦数据处理程序根据所述反射峰对应的波长值获取所述被测透明材料的表面及内部缺陷信息包括：
所述彩色共焦数据处理程序根据所述反射峰对应的波长值提取出中心波长值；
所述彩色共焦数据处理程序根据预先建立的中心波长和标定好的轴向高度信息的关系以获取所述被测透明材料表面及内部缺陷的深度信息；
所述彩色共焦数据处理程序在获取所述被测透明材料表面及内部缺陷的深度信息的同时，对所述被测透明材料内部缺陷横向信息的提取。
所述彩色共焦数据处理程序根据预先建立的中心波长和标定好的轴向高度信息的关系以及获取的所述被测透明材料表面及内部缺陷的深度信息时，还包括所述彩色共焦数据处理程序对所述光学测量系统中干扰表面反射光影响的消除。
采用上述技术方案后，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的光学测量系统中，通过小孔滤除非焦平面的杂散信号，获取位于焦平面的锐利信号，具有很高的轴向分辨率；
(2)本发明的光学测量系统中，采用的是复色光源，通过轴向色散来获得波长和位移的关系，可以避免轴向扫描带来的耗时问题，提高了测量速度；
(3)本发明的彩色共焦数据处理程序中，可以通过建立好的中心波长和标定好的轴向高度的关系来获取透明材料表面及内部缺陷的深度信息，再结合扫描装置的横向扫描，可以获取透明材料表面及内部缺陷的横向信息，从而可以定量测出透明材料表面及内部缺陷。
以下结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明的一种透明材料表面及内部缺陷的检测方法和检测系统不局限于实施例。
附图说明
图1为本发明中具体实施例的结构框图；
图2为图1的具体结构示意图；
图3为本发明具体实施例中透明材料表面及内部缺陷检测的原理示意图一；
图4为本发明具体实施例中透明材料表面及内部缺陷检测的原理示意图二；
图5为本发明透明材料的表面及内部缺陷检测方法实施例的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的检测方法和检测系统进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现有技术中无法实现对透明材料表面及内部缺陷的无损、快速、准确地定性定量测量的确定，本发明提供了一种透明材料表面及内部缺陷的检测方法和检测系统。如图1所示，该系统包括光学测量系统100、光学分析系统200和彩色共焦数据处理程序300，其中光学测量系统100主要用于输出复色光，采集被测量透明材料表面以及内部缺陷返回来的反射光，光学分析系统200是一个光谱分析系统，用于接收被测透明样品表面及内部缺陷反射光，彩色共焦数据处理程序300基于上述获取的反射光的波长值，提取中心波长，根据建立的中心波长和标定好的轴向高度信息的关系，获取被测透明材料内部缺陷的信息。
具体的如图2所示，光学测量系统100包括复色光源101、光源针孔102、准直透镜103、色散管镜104、分光镜105、物镜106、可实现三维移动的载物台108、会聚透镜109、探测针孔110和输出光纤111。复色光源101发出的光依次经光源针孔102、准直透镜103、色散管镜104、分光镜105和物镜106传输到放置于载物台108上的被测透明样品107，被测透明样品107的反射光依次经过物镜106、分光镜105、会聚透镜109、检测针孔110和输出光纤111输出。其中，色散管镜104的作用是使复色光源101在轴向色散开来，复色光源101、色散管镜104和物镜106获得的线性轴向色散决定了彩色共焦的测量范围。
光学分析系统200包括光谱仪201，输出光纤111的输出端连接光谱仪201；光学分析系统200通过光谱仪201接收被测透明样品107的表面及内部缺陷的反射光。
彩色共焦数据处理程序300用于根据光学分析系统200获取的反射光，并对反射光进行分析以获取反射峰对应的波长值，再对反射峰对应的波长值进行处理，以获取被测透明样品107表面及内部缺陷信息。
本发明上述实施例中复色光源101经过色散管镜104后在光轴方向会色散开来，在工作光谱范围内的任意波长都有其对应的聚焦位置，在被测量透明样品107的上、下表面以及缺陷出反射后，反射光中会形成多个对应的反射峰，通过彩色共焦数据处理程序300获取上述多个反射峰对应的波长值，再由彩色共焦数据处理程序300根据建立的关系获取上述多个反射峰的中心波长，从而获取被测透明样品107表面及内部缺陷的深度信息。在获取深度信息的同时，通过载物台108带动被测透明样品107做横向运动，从而对被测透明样品107进行横向扫描，再由彩色共焦数据处理程序300获取被测透明样品107表面及内部缺陷的横向信息。
上述的一种透明材料表面及内部缺陷检测系统的测量原理是利用彩色共聚焦的原理，复色光源101经过色散管镜104后，在光轴方向色散开来，在工作范围内的任意波长光(λi)的对应的聚焦位置f(λi)，每个波长通过光路在物方形成点扩散函数，轴向的光强函数为
其中，s代表光轴方向坐标，α代表物镜数值孔径，k代表比例系数，I0代表初始光强，当且仅当被测透明样品107表面位于对应波长的聚焦面时，探测器(即光谱仪201)才能获得最大光强值。而色散管镜104能够实现不同波长的光线在光轴方向的聚焦面坐标分布均匀，呈线性关系：f(λi)＝aλi+b，其中，a、b表示线性关系的系数，则任意的波长光(λi)的光强分布函数为：
其中，λi代表任意的波长光的波长，λ1代表被测透明材料上表面反射回来的光谱峰值波长，c是sinc函数的一部分。当一个被测透明样品107置于测量系统的测量范围内时，其上下表面以及内部缺陷面都会对应一波长的焦距，因此上下表面以及内部缺陷面的反射光经过分光镜105之后传输到输出光纤111中，输出光纤111输出的信号由光谱仪201进行数据采集，获取谱线，再通过彩色共焦数据处理程序300获得多个反射峰所对应的波长。
如图3所示，在本发明的一个具体实施例中，在光谱测量范围内，被测透明样品107没有内部缺陷时如图3的(a)所示，经被测透明样品107上表面反射回来的光谱峰值波长λ1，光强值为I(λ1)，经被测透明样品107下表面反射回来的光谱峰值波长λ2，光强值为I(λ2)；当移动到被测透明样品107的内部缺陷时，如图3的(b)所示，经被测透明样品107上表面反射回来的光谱峰值波长为λ11，光强值为I(λ11)，经被测透明样品107下表面反射回来的光谱峰值波长为λ21，光强值为I(λ21)，经被测透明样品107内部缺陷面反射回来的光谱峰值波长为λ3，光强值为I(λ3)。此为一点的扫描，通过载物台108带动被测透明样品107做横向运动，从而对被测透明样品107进行横向扫描，从而获得被测透明样品107整个面的缺陷信息。通过这两组测量做差，消除表面反射光的影响。具体通过如下方式实现：第一次返回的光强是上、下表面的光强值，第二次返回的是上、缺陷、下表面的光强值，两次的值通过算法做差，得到缺陷的光强值，从而消除表面反射光的影响，进而可以得到新的光谱峰值和光强值，通过提取中心波长，根据建立的中心波长和标定好的轴向关系，可以获取被测透明样品107内部缺陷的深度信息。
如图4所示，在本发明的一个具体实施例中，在光谱测量范围内，被测透明样品107没有内部缺陷时如图4的(a)所示，此时由光学分析系统200记录谱线图A(A点表示没有缺陷处)，在获取被测透明样品107内部缺陷的深度信息时，通过载物台108带动被测透明样品107在三维方向上进行移动，当移动到被测透明样品107有内部缺陷时，如图4的(b)所示，由光学分析系统200记录谱线图B(B是缺陷处的一点，与图3位置对应，表示单点扫描识别缺陷，载物台108带动被测透明样品107移动扫描整个缺陷)，经所述彩色共焦数据处理程序300处理后，两次测量做差，排除表面光的干扰(实现方式同上)，提取被测透明样品107表面及内部缺陷的横向信息。
本发明实施例还提供了一种透明材料表面及内部缺陷的检测方法，如图5所示，该方法通过如下步骤实现：
S1：复色光源101发出的光依次经光源针孔102、准直透镜103、色散管镜104、分光镜105和物镜106传输到放置于可实现三维移动的载物台108上的被测透明样品107；
S2：物镜106接收被测透明样品107的反射光，并依次由所述分光镜105、会聚透镜109、检测针孔110和输出光纤111传输到光学分析系统200；
S3:由光学分析系统200接收被测透明样品107的表面及内部的缺陷的反射光；
S4：所述彩色共焦数据处理程序300对此反射光进行分析以获取此反射峰对应的波长值，并根据此波长值进行处理，获取被测透明样品107表面及内部缺陷的深度信息；
S5、在S1、S2、S3的执行中，通过载物台108横向移动被测透明样品107，由光学测量系统100对被测透明样品107进行横向扫描，获取被测透明样品107表面及内部缺陷的横向信息。
上述实施例中的S4可具体为彩色共焦数据处理程序300提取出反射峰对应的中心波长，根据预先建立好的中心波长和标定好的轴向高度的关系来获取高度信息，通过做有内部缺陷和无内部缺陷的差值来获取被测透明样品107表面及内部缺陷的深度信息。
上述实施例中的步骤S5可具体为，根据载物台108的采样时间和步数(载物台型号：海德星HDS-MS-XY8060PE500-IF)可与光学分析系统200获取的光谱图，可以获取被测透明样品107表面及内部缺陷的横向尺寸信息。
本发明上述实施例提供一种透明材料表面及内部缺陷的检测方法，其中的复色光源101发出的光经过色散管镜104色散开来，每一个波长对应一个焦距，在被测透明样品107的上下表面以及缺陷表面反射后，反射光中会形成多个对应的反射峰，通过彩色共焦数据处理程序300获取上述多个反射峰对应的波长值，再由彩色共焦数据处理程序300先提取中心波长后根据预先建立好的中心波长和标定好的轴向高度信息的关系，对有缺陷和无缺陷的部位进行做差计算，获取被测透明样品107表面及内部缺陷的深度信息。再结合可实现三维移动的载物台的采样时间和步数，获取被测透明样品107表面及内部缺陷的横向信息。
本发明中，彩色共焦数据处理程序300可以设置于计算机中。彩色共焦数据处理程序300设置：用编程软件编写处理程序，将Oceanview(光谱仪201自带软件)里存储的测量数据导入处理程序，提取每一组测量数据的中心波长；根据标定好的轴向高度与波长的关系来确定被测物的该点的测量高度。
彩色共焦数据处理程序300的工作原理：首先建立了波长与被测透明样品107表面位移的函数关系，并进行标定。光谱仪201获取的谱线图求得对应的波长，再根据所建立的函数关系，得到被测透明样品107的高度信息。当被测透明样品107中有缺陷时，会多出缺陷对应的光强信息，由此来获取缺陷的高度信息。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种透明材料表面及内部缺陷的检测系统，其特征在于，包括光学测量系统、光学分析系统和彩色共焦数据处理程序，其中：
光学测量系统包括复色光源、光源针孔、准直透镜、色散管镜、分光镜、物镜、可实现三维移动的载物台、会聚透镜、检测针孔和输出光纤，所述复色光源发出的光依次经所述光源针孔、所述准直透镜、所述色散管镜、所述分光镜和所述物镜传输到放置于所述载物台上的被测透明材料，所述被测透明材料的反射光依次经过所述物镜、所述分光镜、所述会聚透镜、所述检测针孔和所述输出光纤输出；
所述光学分析系统包括光谱仪，所述输出光纤的输出端连接所述光谱仪；所述光学分析系统用于接收被测透明材料的表面及内部的缺陷的反射光；
所述彩色共焦数据处理程序用于对所述光学分析系统获取的反射光进行分析以获取反射峰对应的波长值，再对反射峰对应的波长值进行处理以获取被测透明材料的表面及内部缺陷信息。
2.根据权利要求1所述的一种透明材料表面及内部缺陷的检测系统，其特征在于：所述复色光源为卤素灯光源。
3.根据权利要求1所述的一种透明材料表面及内部缺陷的检测系统，其特征在于：所述彩色共焦数据处理程序具体用于根据所述反射峰对应的波长值的中心波长值的提取。
4.根据权利要求3所述的一种透明材料表面及内部缺陷的检测系统，其特征在于：所述彩色共焦数据处理程序还用于根据预先提取的所述中心波长值，建立中心波长和标定好的轴向高度信息的关系以获取所述透明材料内部缺陷的深度信息。
5.根据权利要求3所述的一种透明材料表面及内部缺陷的检测系统，其特征在于：所述彩色共焦数据处理程序还用于根据预先建立的中心波长和标定好的轴向高度信息的关系进行计算时，对干扰表面的反射光的影响进行消除处理。
6.根据权利要求3所述的一种透明材料表面及内部缺陷的检测系统，其特征在于：所述的彩色共焦数据处理程序还用于在获取所述透明材料内部缺陷深度信息的同时，对透明材料内部缺陷的横向信息的获取。
7.一种透明材料表面及内部缺陷的检测方法，其特征在于，通过如下步骤实现：
S1：复色光源发出的光依次经光源针孔、准直透镜、色散管镜、分光镜和物镜传输到放置于可实现三维移动的载物台上的被测透明材料；
S2：所述物镜接收所述被测量透明材料的反射光，并依次由所述分光镜、会聚透镜、检测针孔和输出光纤传输到光学分析系统；
S3:由所述光学分析系统接收所述被测透明材料的表面及内部的缺陷的反射光；
S4：彩色共焦数据处理程序用于对所述光学分析系统获取的反射光进行分析以获取反射峰对应的波长值，再对反射峰对应的波长值进行处理以获取被测透明材料的内部缺陷。
8.根据权利要求7所述的一种透明材料表面及内部缺陷的检测方法，其特征在于：所述彩色共焦数据处理程序根据所述反射峰对应的波长值获取所述被测透明材料的表面及内部缺陷信息包括：
所述彩色共焦数据处理程序根据所述反射峰对应的波长值提取出中心波长值；
所述彩色共焦数据处理程序根据预先建立的中心波长和标定好的轴向高度信息的关系以获取所述被测透明材料表面及内部缺陷的深度信息；
所述彩色共焦数据处理程序在获取所述被测透明材料表面及内部缺陷的深度信息的同时，对所述被测透明材料内部缺陷横向信息的提取。
9.根据权利要求7所述的一种透明材料表面及内部缺陷的检测方法，其特征在于：所述彩色共焦数据处理程序根据预先建立的中心波长和标定好的轴向高度信息的关系以及获取的所述被测透明材料表面及内部缺陷的深度信息时，还包括所述彩色共焦数据处理程序对光学测量系统中干扰表面反射光影响的消除。
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