CN110687080B - 光学元件表层缺陷快速探测和识别的检测装置和检测方法 - Google Patents

光学元件表层缺陷快速探测和识别的检测装置和检测方法 Download PDF

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Abstract

一种光学元件表层缺陷快速探测和识别装置和检测方法，该装置主要包括激光器、光束整形器、扩束器、反射镜、会聚透镜、样品、XY精密位移平台、变倍镜头、电动光路切换器、第一成像透镜、长波通滤光器、第一面阵光电探测器、准直器、可调谐滤波器、第二成像透镜、第二面阵光电探测器和计算机。本发明利用缺陷光致发光特性，对缺陷成像，实现快速探测；结合高光谱成像技术，根据缺陷的发光光谱峰值特征，对各类缺陷进行识别，并确定缺陷是何种缺陷。本发明设计的测量装置集快速探测和识别于一体，非常适用于大口径光学元件表层缺陷探测。

Description

光学元件表层缺陷快速探测和识别的检测装置和检测方法
技术领域
本发明涉及缺陷检测领域，特别是一种针对光学元件表层缺陷快速探测和识别的检测装置和检测方法。
背景技术
用于大型高功率激光装置的光学元件的激光诱导损伤问题严重制约系统输出通量的提升。光学元件的损伤主要是由光学材料在生长阶段和研磨、抛光等加工处理过程中引入的各类缺陷造成的。在晶体生长过程中引入的金属离子Fe3+、Al3+、Cr3+、Sb3+、Ca2+、Pb2+、Si4+等杂质形成的吸光中心导致了局部晶格的失序，使得带隙中产生杂质能级。钕玻璃、熔石英玻璃等元件在抛光过程中，抛光液残留在元件表面和再沉积层，残留抛光液中包含Ce、Fe、Al、Ca、Mg等金属杂质和有机络合物等非金属杂质。熔石英玻璃表面由于加工切削作用，产生悬挂键、非桥键氧(NBOHC)和氧空位(ODC)等化学结构缺陷。这些缺陷在强激光辐照下成为光吸收中心，诱导表面损伤。
目前主要利用光热弱吸收测试设备测量元件表面吸收异常来探测这些金属、非金属杂质缺陷和化学结构缺陷。但光热弱吸收测试仪测量速度非常慢，无法应用于大口径元件表层缺陷快速探测。而且，该方法不能区分缺陷类别，无法分析缺陷源头，从而导致无法为工艺改进提供指导。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种光学元件表层缺陷快速探测和识别的检测装置和检测方法。该方法利用缺陷的光致发光特性对元件表层全口径快速扫描成像，确定表层缺陷位置。然后，基于高光谱显微成像技术对缺陷定点测量，同时获取缺陷的高倍图像和发光光谱信息。通过发光光谱曲线的特征峰识别缺陷类别。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种光学元件表层缺陷快速探测和识别装置，其特点在于，包括激光器、光束整形器、扩束器、反射镜、会聚透镜、样品、XY精密位移平台、变倍镜头、电动光路切换器、第一成像透镜、长波通滤光器、第一面阵光电探测器、准直器、可调谐滤波器、第二成像透镜、第二面阵光电探测器和计算机；
所述的样品置于所述的XY精密位移平台上，所述的电动光路切换器由反射镜安装在电动翻转安装座上构成，所述的反射镜的反射面垂直于xz平面，所述的电动翻转安装座可以将所述的反射镜在其反射面内顺时针或逆时针转动90°，使所述的反射镜位于或被移出成像光路；沿所述的激光器的激光光束输出方向依次是所述的光束整形器、扩束器、反射镜、会聚透镜和样品，所述的变倍镜头的视场位于样品表面激光照射区域内；当所述的反射镜移出所述的成像光路时，沿所述的样品表面的法线方向依次是所述的变倍镜头、电动光路切换器、准直器、可调谐滤波器、第二成像透镜和第二面阵光电探测器；
当所述的反射镜位于成像光路时，沿所述的电动光路切换器的反射镜的反射光方向依次是所述的第一成像透镜、长波通滤光器和第一面阵光电探测器；
所述的计算机与所述的XY精密位移平台、电动光路切换器的控制端相连，所述的第一面阵光电探测器和第二面阵光电探测器的输出端与所述的计算机的输入端相连。
利用上述光学元件表层缺陷快速探测和识别装置进行光学元件表层缺陷的测量方法，包括下列步骤：
1)开启所述的计算机，所述的计算机控制所述的电动光路切换器将所述的反射镜顺时针旋转90°，将所述的反射镜置于成像光路中；
2)打开所述的激光器，所述的会聚透镜将激光束聚焦到所述的样品的表面；若照明区域存在缺陷，表层缺陷在激光激励下发出其它波段的光，发光波段通常大于入射的激光波长，所述的样品表面亦会对入射光产生散射；表层缺陷发出的其它波段的光与表面的散射光被所述的变倍镜头接收后，被所述的电动光路切换器上的反射镜反射；反射后的光束依次通过所述的第一成像透镜和长波通滤光器，表面散射光被所述的长波通滤光器滤除，表层缺陷发出的其它波段的光在所述的第一面阵光电探测器上成像，所成图像输入并存储在所述的计算机中；若照明区域无表层缺陷，则所述的样品表面散射光被所述的长波通滤光器滤除，所述的第一面阵光电探测器上无有效信号；
3)所述的XY精密位移平台按预先设置的路线带动样品移动，按步骤2)完成对所述的样品的全口径扫描；
4)所述的计算机中的图像处理系统对所有图像进行处理，确定所述的样品表面的所有表层缺陷的位置坐标(x,y)；
5)所述的电动光路切换器将反射镜逆时针旋转90°，将所述的反射镜移出成像光路；
6)在所述的计算机的控制下，所述的XY精密位移平台将所述的样品第一个表层缺陷的位置坐标置于所述的变倍镜头视场中；所述的激光器输出的激光经所述的光束整形器、扩束器、反射镜、会聚透镜照射在所述的第一表层缺陷的位置坐标上，该第一表层缺陷产生的其它波段的光和表面散射光被所述的变倍镜头接收后，经过所述的准直器后被准直；准直光通过所述的可调谐滤波器；所述的可调谐滤波器可通过的波长范围包含所述的第二面阵光电探测器波长响应范围λs～λe，使不同波长的光依次通过，波长间隔为Δλ；不同波长的光依次通过所述的第二成像透镜，在所述的第二面阵光电探测器上成像，共形成
Figure BDA0002193463370000031
幅高光谱图像；
7)所述的XY精密位移平台按剩余缺陷的位置坐标，将表层缺陷的位置坐标(x,y)依次移动到所述的变倍镜头视场中；按步骤6)获得所有表层缺陷的高光谱图像，输入并存储在所述的计算机中；
8)所述的计算机中的图像处理系统对每一个缺陷的高光谱图像进行处理，提取每一个表层缺陷中心像素在波长λs～λe范围内发光光谱曲线和光谱曲线的所有峰值；根据前期理论计算和实验等手段已确定的各类缺陷的光致发光的峰值信息，对探测到的每一个缺陷进行分类，明确每一处缺陷是何种缺陷；若所述的激光器发出的激光的波长λ0在所述的第二面阵光电探测器(16)响应波长范围λs～λe内，则缺陷的发光光谱曲线中包含峰值为λ0的样品表面散射光发射峰，该发射峰不作为缺陷识别分类的依据。
本发明的优点如下：
本发明利用光学元件表层缺陷光致发光特性，对缺陷成像，实现快速探测定位；结合高光谱成像技术，根据缺陷的发光光谱峰值特征，对各类缺陷进行识别，确定各处缺陷是何种缺陷。测量结果能够与加工工艺直接关联，为工艺改进提供支撑。此外，本发明的测量装置集快速探测和识别于一体，非常适用于大口径光学元件表层缺陷探测。
附图说明
图1是本发明光学元件表层缺陷快速探测和识别装置示意图
图2是本发明缺陷的高光谱图像示意图
图3是本发明不同类型缺陷识别示意图
图中：1-激光器；2-光束整形器；3-扩束器；4-反射镜；5-会聚透镜；6-样品；7-XY精密位移平台；8-变倍镜头；9-电动光路切换器；10-第一成像透镜；11-长波通滤光器；12-第一面阵光电探测器；13-准直器；14-可调谐滤波器；15-第二成像透镜；16-第二面阵光电探测器；17-计算机。
具体实施方式
下面结合-附图和实施例对本发明作进一步详细阐述，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例
图1为本发明光学元件表层缺陷快速探测和识别装置示意图，由图可见，本发明光学元件表层缺陷快速探测和识别装置，包括激光器1、光束整形器2、扩束器3、反射镜4、会聚透镜5、样品6、XY精密位移平台7、变倍镜头8、电动光路切换器9、第一成像透镜10、长波通滤光器11、第一面阵光电探测器12、准直器13、可调谐滤波器14、第二成像透镜15、第二面阵光电探测器16和计算机17；
所述的样品6置于所述的XY精密位移平台7上，所述的电动光路切换器9由反射镜安装在电动翻转安装座上构成，所述的反射镜的反射面垂直于xz平面，所述的电动翻转安装座可以将所述的反射镜在其反射面内顺时针或逆时针转动90°，使所述的反射镜位于或被移出成像光路；沿所述的激光器1的激光光束输出方向依次是所述的光束整形器2、扩束器3、反射镜4、会聚透镜5和样品6，所述的变倍镜头8的视场位于样品6表面激光照射区域内；当所述的反射镜移出所述的成像光路时，沿所述的样品6表面的法线方向依次是所述的变倍镜头8、电动光路切换器9、准直器13、可调谐滤波器14、第二成像透镜15和第二面阵光电探测器16；
当所述的反射镜位于成像光路时，沿所述的电动光路切换器9的反射镜的反射光方向依次是所述的第一成像透镜10、长波通滤光器11和第一面阵光电探测器12；
所述的计算机17与所述的XY精密位移平台7、电动光路切换器9的控制端相连，所述的第一面阵光电探测器12和第二面阵光电探测器16的输出端与所述的计算机17的输入端相连。
利用上述光学元件表层缺陷快速探测和识别装置进行光学元件表层缺陷的测量方法，包括下列步骤：
1)开启所述的计算机17，所述的计算机17控制所述的电动光路切换器9将所述的反射镜顺时针旋转90°，将所述的反射镜置于成像光路中；
2)打开所述的激光器1，所述的会聚透镜5将激光束聚焦到所述的样品6的表面；若照明区域存在表层缺陷，表层缺陷在激光激励下发出其它波段的光，发光波段通常大于入射的激光波长，所述的样品6表面亦会对入射光产生散射；表层缺陷发出的其它波段的光与表面的散射光被所述的变倍镜头8接收后，被所述的电动光路切换器9上的反射镜反射；反射后的光束依次通过所述的第一成像透镜10和长波通滤光器11，表面散射光被所述的长波通滤光器11滤除，表层缺陷发出的其它波段的光在所述的第一面阵光电探测器12上成像，所成图像输入并存储在所述的计算机17中；若照明区域无表层缺陷，则所述的样品6表面散射光被所述的长波通滤光器11滤除，所述的第一面阵光电探测器12上无有效信号；
3)所述的XY精密位移平台7按预先设置的路线带动样品6移动，按步骤2)完成对所述的样品6的全口径扫描；
4)所述的计算机17中的图像处理系统对所有图像进行处理，确定所述的样品6表面的所有表层缺陷的位置坐标(x,y)；
5)所述的电动光路切换器9将反射镜逆时针旋转90°，将所述的反射镜移出成像光路；
6)在所述的计算机17的控制下，所述的XY精密位移平台7将所述的样品6表面的第一个表层缺陷的位置坐标置于所述的变倍镜头8视场中；所述的激光器1输出的激光经所述的光束整形器2、扩束器3、反射镜4、会聚透镜5照射在所述的第一缺陷的位置坐标上，该第一表层缺陷产生的其它波段的光和表面散射光被所述的变倍镜头8接收后，经过所述的准直器13后被准直；准直光通过所述的可调谐滤波器14；所述的可调谐滤波器14可通过的波长范围包含所述的第二面阵光电探测器16波长响应范围λs～λe，使不同波长的光依次通过，波长间隔为Δλ；不同波长的光依次通过所述的第二成像透镜15，在所述的第二面阵光电探测器16上成像，共形成
Figure BDA0002193463370000061
幅高光谱图像，如图2所示；
7)所述的XY精密位移平台7按剩余缺陷的位置坐标，将表层缺陷的位置坐标(x,y)依次移动到所述的变倍镜头8视场中；按步骤6)获得所有表层缺陷的高光谱图像，输入并存储在所述的计算机17中；
8)所述的计算机17中的图像处理系统对每一个缺陷的高光谱图像进行处理，提取每一个表层缺陷中心像素在波长λs～λe范围内发光光谱曲线和光谱曲线的所有峰值；如图3所示，左图为缺陷位置示意图，四个缺陷分别对应右图发光光谱曲线中四个不同的发射峰λ1、λ2、λ3和λ4；根据前期理论计算和实验等手段已确定的各类缺陷的光致发光的峰值信息，对探测到的每一个缺陷进行分类，明确每一处缺陷是何种缺陷；若所述的激光器1发出的激光的波长λ0在所述的第二面阵光电探测器16响应波长范围λs～λe内，则缺陷的发光光谱曲线中包含峰值为λ0的样品表面散射光发射峰，该发射峰不作为缺陷识别分类的依据。

Claims (2)

1.一种光学元件表层缺陷快速探测和识别装置，其特征在于，包括激光器(1)、光束整形器(2)、扩束器(3)、反射镜(4)、会聚透镜(5)、样品(6)、XY精密位移平台(7)、变倍镜头(8)、电动光路切换器(9)、第一成像透镜(10)、长波通滤光器(11)、第一面阵光电探测器(12)、准直器(13)、可调谐滤波器(14)、第二成像透镜(15)、第二面阵光电探测器(16)和计算机(17)；
所述的样品(6)置于所述的XY精密位移平台(7)上，所述的电动光路切换器(9)由反射镜安装在电动翻转安装座上构成，所述的反射镜的反射面垂直于xz平面，所述的电动翻转安装座可以将所述的反射镜在其反射面内顺时针或逆时针转动90°，使所述的反射镜位于或被移出成像光路；沿所述的激光器(1)的激光光束输出方向依次是所述的光束整形器(2)、扩束器(3)、反射镜(4)、会聚透镜(5)和样品(6)，所述的变倍镜头(8)的视场位于样品(6)表面激光照射区域内；当所述的反射镜移出所述的成像光路时，沿所述的样品(6)表面的法线方向依次是所述的变倍镜头(8)、电动光路切换器(9)、准直器(13)、可调谐滤波器(14)、第二成像透镜(15)和第二面阵光电探测器(16)；
当所述的反射镜位于成像光路时，沿所述的电动光路切换器(9)的反射镜的反射光方向依次是所述的第一成像透镜(10)、长波通滤光器(11)和第一面阵光电探测器(12)；
所述的计算机(17)与所述的XY精密位移平台(7)、电动光路切换器(9)的控制端相连，所述的第一面阵光电探测器(12)和第二面阵光电探测器(16)的输出端与所述的计算机(17)的输入端相连。
2.利用权利要求1所述的光学元件表层缺陷快速探测和识别装置进行光学元件表层缺陷的测量方法，包括下列步骤：
1)开启所述的计算机(17)，所述的计算机(17)控制所述的电动光路切换器(9)将所述的反射镜顺时针旋转90°，将所述的反射镜置于成像光路中；
2)打开所述的激光器(1)，所述的会聚透镜(5)将激光束聚焦到所述的样品(6)的表面；若照明区域存在缺陷，表层缺陷在激光激励下发出其它波段的光，发光波段大于入射的激光波长，所述的样品(6)表面亦会对入射光产生散射；表层缺陷发出的其它波段的光与表面的散射光被所述的变倍镜头(8)接收后，被所述的电动光路切换器(9)上的反射镜反射；反射后的光束依次通过所述的第一成像透镜(10)和长波通滤光器(11)，表面散射光被所述的长波通滤光器(11)滤除，表层缺陷发出的其它波段的光在所述的第一面阵光电探测器(12)上成像，所成图像输入并存储在所述的计算机(17)中；若照明区域无表层缺陷，则所述的样品(6)表面散射光被所述的长波通滤光器(11)滤除，所述的第一面阵光电探测器(12)上无有效信号；
3)所述的XY精密位移平台(7)按预先设置的路线带动样品(6)移动，按步骤2)完成对所述的样品(6)的全口径扫描；
4)所述的计算机(17)中的图像处理系统对所有图像进行处理，确定所述的样品(6)表面的所有表层缺陷的位置坐标(x，y)；
5)所述的电动光路切换器(9)将反射镜逆时针旋转90°，将所述的反射镜移出成像光路；
6)在所述的计算机(17)的控制下，所述的XY精密位移平台(7)将所述的样品(6)表面的第一个表层缺陷的位置坐标置于所述的变倍镜头(8)视场中；所述的激光器(1)输出的激光经所述的光束整形器(2)、扩束器(3)、反射镜(4)、会聚透镜(5)照射在所述的第一个表层缺陷的位置坐标上，该第一表层缺陷产生的其它波段的光和表面散射光被所述的变倍镜头(8)接收后，经过所述的准直器(13)后被准直；准直光通过所述的可调谐滤波器(14)；所述的可调谐滤波器(14)可通过的波长范围包含所述的第二面阵光电探测器(16)波长响应范围λs～λe，使不同波长的光依次通过，波长间隔为Δλ；不同波长的光依次通过所述的第二成像透镜(15)，在所述的第二面阵光电探测器(16)上成像，共形成
Figure FDA0003576217000000021
幅高光谱图像；
7)所述的XY精密位移平台(7)按剩余缺陷的位置坐标，将表层缺陷的位置坐标(x，y)依次移动到所述的变倍镜头(8)视场中；按步骤6)获得所有表层缺陷的高光谱图像，输入并存储在所述的计算机(17)中；
8)所述的计算机(17)中的图像处理系统对每一个缺陷的高光谱图像进行处理，提取每一个表层缺陷中心像素在波长λs～λe范围内发光光谱曲线和光谱曲线的所有峰值；根据前期理论计算和实验手段已确定的各类缺陷的光致发光的峰值信息，对探测到的每一个缺陷进行分类，明确每一处缺陷是何种缺陷；若所述的激光器(1)发出的激光的波长λ0在所述的第二面阵光电探测器(16)响应波长范围λs～λe内，则缺陷的发光光谱曲线中包含峰值为λ0的样品表面散射光发射峰，该发射峰不作为缺陷识别分类的依据。
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