CN109297986A - 激光陀螺高反射镜表面疵病参数表征装置和检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光陀螺高反射镜表面疵病参数表征装置和检测方法，该装置由积分球、积分球探测器、CCD成像组件、半导体激光器和陷光器组成，CCD成像组件由CCD相机、显微镜头和遮光筒组成，遮光筒内部进行黑化处理，积分球上设置有可移动的顶盖，待测样品夹设于样品座和积分球上顶盖相对的外壁之间，CCD成像组件设置于待测样品的正上方，激光器和陷光器对称设置于CCD相机的两侧，积分球上设置有探测器。本发明装置和方法克服现有技术存在的显微散射检测只能获取疵病的二维信息，而积分散射率测量检测耗时长、检测效率低的问题。

Description

激光陀螺高反射镜表面疵病参数表征装置和检测方法
技术领域：
本发明属于光学元件表面疵病检测的技术领域，具体涉及激光陀螺高反射镜表面疵病参数表征装置和检测方法。
背景技术：
光学元件的表面疵病主要指麻点、划痕、裂口气泡、残破点及残破边等。目前的检测方法中，大部分的表面疵病检测都是通过疵病对光的散射特性来进行处理的。激光陀螺高反射镜的反射率很高，一般达99.99%以上，其表面疵病的数量级一般为微米量级，疵病的参数一般包括其二维形貌和深度信息，目前深度的表征还停留在模型仿真的阶段(王世通，精密表面缺陷检测散射成像理论建模及系统分析研究.博士学位论文.[D],浙江大学，2015,6.)，深度方向难以测量表征。而造成高反射镜表面激光散射的原因是疵病的形状和深度，而疵病的深度范围不同，疵病产生的散射光能量大小也不同，一般用显微散射成像法只能表征其二维信息，而引起散射的三维形貌种类是各种各样的，积分散射是疵病三维形态综合作用的表现。如果单独采用成像测量，获取的仅是疵病的二维信息，由于疵病的深浅不一，仅用疵病表面的二维信息不足以衡量疵病的大小。若单独采用积分散射率测量，由于是单点测量，需要对整个表面进行扫描才能确定散射率的分布范围，检测所需要耗费的时间过长，影响检测的效率。而分别用显微成像方法和积分散射率方法来测量，两种系统产生的多种误差如光源参数波动误差、样品装夹产生的误差等将很难分辨微米量级的疵病参数信息。
发明内容
本发明要提供一种激光陀螺高反射镜表面疵病参数表征装置和检测方法，以克服现有技术存在的显微散射检测只能获取疵病的二维信息，而积分散射率测量检测耗时长、检测效率低的问题。
为了达到本发明的目的，本发明提供的技术方案是：
一种激光陀螺高反射镜表面疵病参数表征装置，由积分球、积分球探测器、CCD成像组件、半导体激光器和陷光器组成，所述CCD成像组件由CCD相机、显微镜头和遮光筒组成，遮光筒内部进行黑化处理，积分球上设置有可移动的顶盖，待测样品夹设于样品座和积分球上顶盖相对的外壁之间，CCD成像组件设置于待测样品的正上方，激光器和陷光器对称设置于CCD相机的两侧，所述积分球上设置有探测器。
进一步的，所述激光器的入射光路上设置有光束整形组件。
激光陀螺高反射镜表面疵病参数表征装置的检测方法，包括以下步骤:
a)将待测样品被测表面朝上夹置于样品座与积分球之间，调节激光器，使其出射光斑照射在待测样品被测表面上；
b)打开顶盖，设置显微镜头位于积分球的内部，遮光筒的端部到达积分球底部，使待测样品处于遮光筒的外径范围内，构成暗场环境，控制半导体激光器发出稳功率光束，若待测激光陀螺高反镜的被测表面存在疵病，激光入射到疵病时，散射光通过显微镜头进入CCD相机中，疵病图像会在计算机上呈现暗场的亮像；再移动样品座，完成各子孔径区域的采样；
c)通过计算机分别对探测器采集到的信息进行单独处理，完成每个方向的子孔径拼接，获得疵病的二维信息，若存在选定区域，则对选定区域进行标记；
d)控制CCD成像组件离开积分球内部，并关闭顶盖，切换半导体激光器的驱动电信号，使半导体激光器发出调制光束，再通过积分球上的探测器对标记的同坐标的选用区域检测，获取该处疵病散射光的能量信息；
e)综合分析、对比各方向的检测结果，挑选出各方向均无疵病或疵病小散射光能量小的区域进行标记使用。
进一步的，步骤b)中，通过光束整形组件可对入射光束进行整形。
显微散射法能对高反射镜表面疵病的二维信息进行表征，而积分散射法能更好的表征表面疵病散射的能量大小，本发明将显微散射和积分散射的方法相结合，既能够表征二维形貌，又能定量表征其散射能量的大小，用积分散射率近似表征疵病的深度信息，更能够全面分析疵病表面的散射光。与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明装置中使用同一个光源，光源采用半导体激光器，用电信号控制其两种工作状态，其中的一种工作状态可以有效地实现从噪声背景中提取微弱的散射光信号，实现方式很简单，只需要控制电信号对半导体激光器进行调制即可。多参数测量时样品只需装夹一次，保证入射光束光斑大小及入射角度不变来避免这些测量误差，达到快速精密准确的测量效果。对待测样品的同一坐标区域（目前激光陀螺上的高反镜的疵病数量级以及达到微米量级）进行显微散射和积分散射率测量，避免了因移动待测样品产生的误差，提高检测的精确性。
2)激光器前设置激光整形组件，可以调整入射光光斑的大小，大光斑增加了疵病的照射面积，获取疵病信息更全面，小光斑具有的能量强，可更精确的表征疵病的能量信息。对不同大小的疵病采用不同的光斑，可使测量结果更精确。
3)结合显微暗场散射和积分散射，既能够表征二维形貌，又能定量表征其散射光能量的大小，从而间接地达到表征疵病深度的目的。可以指导高反射镜的使用，以及高反射镜加工工艺的改善，对高反射镜质量的把握以及制造工艺的改善有重要价值。
4)显微镜头前设置遮光筒，遮光筒内部进行黑化处理，待测样品置于遮光筒内部，构成暗场亮像的检测环境，使检测更加精确。
5）本发明的检测方法，简单易行，容易操作，不会引入误差，同时由于对疵病的成像和检测几乎是同步的，既保证了测量的精度，又提高了检测效率。
附图说明：
图1：显微散射检测原理图
图2；积分散射检测原理图
各附图标记为：1-激光器，2-入射光束变换组件，3-CCD相机，4-显微镜头，5-探测器，6-积分球，7-待测样品，8-顶盖，9-固定杆，10-机械臂，11-陷光器，12-支撑纵杆，13-样品座，14-运动控件，15-底座，16-遮光筒。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地说明。
参照图1，一种激光陀螺高反射镜表面疵病参数表征装置，由积分球6、积分球探测器5、CCD成像组件、半导体激光器1和陷光器11组成。所述CCD成像组件由CCD相机3、显微镜头4和遮光筒16组成，遮光筒16内部进行黑化处理，积分球6上设置有可移动的顶盖8，待测样品7夹设于样品座13和积分球6上顶盖8相对的外壁之间，CCD成像组件设置于待测样品7的正上方，激光器1和陷光器11对称设置于CCD相机3的两侧，激光器1的入射光路上设置有光束整形组件2，所述积分球6上设置有探测器5。
上述装置中CCD成像系统可安装在样品座13正上方水平设置的机械臂10上，两者通过固定杆9实现连接，机械臂10一端设置于位于底座15上的支撑纵杆12上，机械臂10可沿支撑纵杆12上下移动来控制CCD成像系统垂直于样品方向上下移动，积分散射率测量系统的积分球设计结构中积分球的上部设置的顶盖8，可供显微镜头4进出以便采集疵病的二维信息，显微镜头4上装有遮光筒16，遮光筒16内部进行黑化处理，积分球6和遮光筒16上开有供入射光和反射光穿过的小孔，构成显微暗场的检测环境。激光器1和陷光器11位置固定，对称设置于CCD相机3的两侧。待测样品7上部紧贴着积分球6放置样品座13上，样品座13设置在运动控件14（XYZ平移旋转台）上，积分球6正对样品上方的顶盖8可以移除。
参见图2，本发明提供的检测方法是：控制显微镜头到达积分球6内部，遮光筒16的端部到达积分球6底部，使待测样品7处于遮光筒7中，构成暗场环境，半导体激光器1发出稳功率光束，采集疵病图像，若存在选定的区域，则控制显微镜头移出积分球6，关闭顶盖8，切换半导体激光器1的驱动电信号，使半导体激光器1发出调制光束，然后利用积分散射率测量系统对感兴趣（选定）区域进行同一坐标处的积分散射率测量，用此积分散射率替代表征疵病或选定区域的深度信息。
在激光器前加入入射光束整形组件2，从而根据不同疵病信息调整其出射光光斑大小，以便达到检测的最佳测量环境。
本发明提供的基于上述激光陀螺高反镜表面疵病参数表征装置的检测方法，具体包括以下步骤：
a)将待测样品（激光陀螺高反镜）被测表面朝上夹置于样品座13与积分球6之间，调节激光器1，使其出射光斑照射在待检激光陀螺高反镜被测表面上；
b)打开积分球的顶盖，控制机械臂使CCD成像系统的显微镜头4到达积分球内部，遮光筒16到达积分球底部，使待测样品7处于遮光筒16的外径范围内，构成暗场环境，控制半导体激光器1发出稳功率光束，若待测激光陀螺高反镜的被测表面存在疵病时，激光入射到疵病时，这时散射光通过显微镜进入CCD成像系统中，疵病图像会在计算机上呈现暗场的亮像；再移动样品座13，完成各子孔径区域的采样，
c)通过计算机分别对探测器采集到的信息进行单独处理，完成每个方向的子孔径拼接，获得疵病的二维信息，若存在选定区域，则对选定区域进行标记；
d)通过机械臂10控制CCD成像系统的显微镜头离开积分球内部，并关闭顶盖8，切换半导体激光器1的驱动电信号，使半导体激光器发出调制光束，再通过积分散射率测量系统对标记的同坐标的选定区域检测，获取该处疵病散射光的能量信息，这里可对入射光束进行整形，从而根据不同疵病信息调整其出射光斑大小，以便达到检测的最佳测量条件。
e)综合分析、对比各方向的检测结果，挑选出各方向均无疵病或疵病小散射光能量小的区域进行标记使用。

Claims (4)

1.一种激光陀螺高反射镜表面疵病参数表征装置，其特征在于：由积分球（6）、积分球探测器（5）、CCD成像组件、半导体激光器（1）和陷光器（11）组成，所述CCD成像组件由CCD相机（3）、显微镜头（4）和遮光筒（16）组成，遮光筒（16）内部进行黑化处理，积分球（6）上设置有可移动的顶盖（8），待测样品（7）夹设于样品座（13）和积分球（6）上顶盖（8）相对的外壁之间，CCD成像组件设置于待测样品（7）的正上方，激光器（1）和陷光器（11）对称设置于CCD相机的两侧，所述积分球（6）上设置有探测器（5）。
2.根据权利要求1所述的激光陀螺高反射镜表面疵病参数表征装置，其特征在于：所述激光器（1）的入射光路上设置有光束整形组件（2）。
3.根据权利要求1所述的激光陀螺高反射镜表面疵病参数表征装置的检测方法，其特征在于：包括以下步骤:
a)将待测样品被测表面朝上夹置于样品座（13）与积分球（6）之间，调节激光器（1），使其出射光斑照射在待测样品（7）被测表面上；
b)打开顶盖（8），设置显微镜头（4）位于积分球（6）的内部，遮光筒（16）的端部到达积分球底部，使待测样品（7）处于遮光筒（16）的外径范围内，构成暗场环境，控制半导体激光器（1）发出稳功率光束，若待测激光陀螺高反镜的被测表面存在疵病，激光入射到疵病时，散射光通过显微镜头（4）进入CCD相机（3）中，疵病图像会在计算机上呈现暗场的亮像；再移动样品座（13），完成各子孔径区域的采样；
c)通过计算机分别对探测器采集到的信息进行单独处理，完成每个方向的子孔径拼接，获得疵病的二维信息，若存在选定区域，则对选定区域进行标记；
d)控制CCD成像组件离开积分球（6）内部，并关闭顶盖（8），切换半导体激光器1的驱动电信号，使半导体激光器（1）发出调制光束，再通过积分球（6）上的探测器（5）对标记的同坐标的选用区域检测，获取该处疵病散射光的能量信息；
e)综合分析、对比各方向的检测结果，挑选出各方向均无疵病或疵病小散射光能量小的区域进行标记使用。
4.根据权利要求3所述的一种激光陀螺高反射镜表面疵病参数表征装置的检测方法，其特征在于：步骤b)中，通过光束整形组件（2）可对入射光束进行整形。
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