CN110849897A - 光学元件表面非接触式洁净监测及处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学元件表面非接触式洁净监测及处理系统，包括：光传输管道或箱体；光学元件支撑单元，其设置在光传输管道或箱体的底部；光学元件倾斜设置在光学元件支撑单元上；照明单元，其设置在光学元件支撑单元上；风刀单元，其设置在光学元件支撑单元上，其风刀单元位于光学元件的上边缘；相机监测单元，其设置在光传输管道或箱体的上方，且相机监测单元的照射镜头与光学元件的表面垂直。本发明的光学元件表面非接触式洁净监测及处理系统，可以实现对光学元件表面颗粒污染物的实时拍照采样，通过对污染物的粒径及分布信息进行统计，记录表面颗粒污染物的变化情况；该系统采用风刀单元可以实现对光学元件表面颗粒污染物的有效去除。

Description

光学元件表面非接触式洁净监测及处理系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种光学元件表面非接触式洁净监测及处理系统。

背景技术

大型精密装置实验室对光学元件表面洁净度要求较高，例如高功率固体激光装置的建造和运行过程中，不可避免有大量的微小颗粒污染物(100μm以下)残留在光传输管道或箱体中，而颗粒污染物会诱导光学元件损伤呈指数型增长，大幅降低装置的运行性能以及输出能力。因此，为了提高高功率固体激光装置的负载能力，必须减少光学元件表面的污染物，维持光学元件表面的洁净度。根据装置运行维护的实际情况，我们发现斜向上45°安装的大口径反射镜表面经常出现灰尘沉积的现象，在强激光作用下出现损伤并逐渐增长，最终导致元件没法正常使用，极大地影响了装置的高通量稳定运行。在运行维护过程中，虽然我们对机械元件及光学元件的洁净清洗、精密装校、跨区转运和现场安装过程进行了洁净跟踪与控制，使得元件上架前的表面洁净状态符合规范要求，同时在运行维护过程中通过开箱检查和人工擦拭的方式保持光学元件表面洁净，但仍然在装置运行过程中发现光学元件表面出现了损伤，通过分析发现开箱检查和人工擦拭虽然能够在一定程度上缓解光学元件表面的洁净裂化程度，但是人为作业也给光学元件及光传输管道带来了二次污染的风险，同时，此项耗时耗力的工作并不能实现反射镜表面状态的实时监测与实时处理，其对于反射镜日常洁净维护并不是一个好的选择。所以设计一套用于光学元件表面在线洁净监测及处理的装置及方法成为目前光学元件表面洁净控制急需解决的问题之一。

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，提供了一种光学元件表面非接触式洁净监测及处理系统，包括：

光传输管道或箱体；

光学元件支撑单元，其设置在光传输管道或箱体的底部；光学元件倾斜设置在光学元件支撑单元上；

照明单元，其设置在光学元件支撑单元上，且所述照明单元位于光学元件的两侧；

风刀单元，其设置在光学元件支撑单元上，其所述风刀单元位于光学元件的上边缘；

相机监测单元，其设置在光传输管道或箱体的上方，其所述相机监测单元的照射镜头与光学元件的表面垂直。

优选的是，所述光学元件支撑单元包括：

斜座支撑架，其一水平面连接在光传输管道或箱体的底部；

安装板，其连接在斜座支撑架的斜面架上；

光学元件安装板，其通过连接块连接在安装板上；所述光学元件安装在光学元件安装板上。

优选的是，所述照明单元包括：

光源夹持件，其连接在安装板的侧边；

光源，其连接在光源夹持件上，且所述光源位于光学元件的两侧。

优选的是，所述光学元件为任意形状的光学元件；所述光源的形状与光学元件的边缘相匹配；所述光源为LED光源。

优选的是，所述光学元件为圆形光学元件，则光源为与圆形光学元件的边缘相匹配的弧形光源；所述光学元件为方形光学元件，则光源为与方形光学元件的边缘相匹配的条形光源。

优选的是，所述风刀单元包括：

风刀夹持件，其连接在安装板的上边缘；

风刀，其连接在风刀夹持件上，且所述风刀的出风口位于光学元件的上方，并使风刀的出风平面可吹扫光学元件的上表面；

压缩气瓶，其设置在光传输管道或箱体的外部，所述压缩气瓶通过气体管线与风刀连接；

其中，所述光学元件为圆形光学元件；所述风刀为弧形风刀；所述风刀的刀口尺寸为100μm。

优选的是，所述相机监测单元包括：

相机滑行导轨，其倾斜设置在光传输管道或箱体的上方；

相机安装板，其连接在相机滑行导轨的滑块上；所述相机安装板的一面安装相机；所述相机上安装变焦镜头；且所述变焦镜头的与光学元件的表面垂直；

挡板电机，其安装在相机安装板的另一面；

相机镜头挡板，其垂直安装在挡板电机的电机轴上，且通过挡板电机的旋转使相机镜头挡板将变焦镜头进行遮挡。

优选的是，所述相机为CCD相机；所述光传输管道或箱体上设置有监测窗口，且监测窗口的开口平面与光学元件的平面平行；所述相机或变焦镜头的外壳通过密封硅胶筒连接在监测窗口上。

优选的是，还包括：离子棒，其设置在风刀单元和光学元件的上边缘之间；

静电吸附电极，其包括平行设置的正电极棒和负电极棒，所述正电极棒和负电极棒通过电极支撑架安装在光传输管道或箱体的底部，且正电极棒位于光学元件的下边缘的上方，负电极棒位于光学元件的下边缘的下方。

优选的是，所述光传输管道或箱体的底部设置有照明单元、风刀单元、离子棒和静电吸附电极的走线航插；所述光学元件的倾斜角度为45度。

本发明至少包括以下有益效果：本发明的光学元件表面非接触式洁净监测及处理系统，可以实现对光学元件表面颗粒污染物的实时拍照采样，通过对污染物的粒径及分布信息进行统计，记录表面颗粒污染物的变化情况；此外，该系统采用风刀单元可以实现对光学元件表面颗粒污染物的有效去除；通过离子棒和风刀单元的结合，离子棒产生的离子被风刀单元的高速气流吹向光学元件表面，将光学元件表面的污染物去除并使污染物荷电，采用静电吸附电极在光学元件末端进行收集，从而达到污染物去除的目的。

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为本发明光学元件表面非接触式洁净监测及处理系统的整体结构示意图；

图2为本发明光学元件表面非接触式洁净监测及处理系统的局部结构示意图；

图3为本发明光学元件表面非接触式洁净监测及处理系统的相机监测单元的结构示意图；

图4为本发明光学元件表面非接触式洁净监测及处理系统的相机监测单元的另一视角的结构示意图；

图5为本发明另一种光学元件表面非接触式洁净监测及处理系统的整体结构示意图；

图6为本发明另一种光学元件表面非接触式洁净监测及处理系统的局部结构示意图。

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。

图1～4示出了本发明的一种光学元件表面非接触式洁净监测及处理系统，包括：

光传输管道或箱体1；

光学元件支撑单元2，其设置在光传输管道或箱体的底部1；光学元件3倾斜设置在光学元件支撑单元2上；

照明单元4，其设置在光学元件支撑单元2上，且所述照明单元4位于光学元件3的两侧；

风刀单元5，其设置在光学元件支撑单元2上，其所述风刀单元5位于光学元件3的上边缘；

相机监测单元6，其设置在光传输管道或箱体1的上方，其所述相机监测单元6的照射镜头与光学元件3的表面垂直。

在上述技术方案中，利用照明单元对光学元件表面进行掠入射式照射，当光学元件表面存在颗粒污染物时，引起光散射，采用相机检测单元监测并记录散射光图像信号，进一步采用上位机对图像信号进行分析及处理(图像信号进行分析及处理的方法均在专利文献CN106645197A和CN206362529U中公开)，即可获得颗粒污染物的粒径及分布，实现在线监测；当光学元件表面需要洁净维护时，采用风刀单元进行吹扫，高压的洁净气体经过风刀单元的出风口产生高速水平气流，污染物受到气流吹扫而克服其与光学元件表面之间的附着力，从而脱离光学元件表面被移除。

在上述技术方案中，所述光学元件支撑单元2包括：

斜座支撑架21，其一水平面连接在光传输管道或箱体1的底部；

安装板22，其连接在斜座支撑架21的斜面架23上；

光学元件安装板24，其通过连接块25连接在安装板22上；所述光学元件3安装在光学元件安装板24上；采用这种方式，可以将光学元件的位置固定设置为斜面，进一步设置所述光学元件的倾斜角度为45度，当水平的激光光源照射到光学元件(如大口径反射镜)上时，可以将激光进行反射。

在上述技术方案中，所述照明单元4包括：

光源夹持件41，其连接在安装板22的侧边；

光源42，其连接在光源夹持件41上，且所述光源42位于光学元件3的两侧；采用这种方式，通过设置在光学元件两侧的光源对光学元件表面进行照射，当光学元件表面存在颗粒污染物时，引起光散射；采用相机检测单元测并记录散射光图像信号，对图像信号进行分析及处理，即可获得颗粒污染物的粒径及分布。

在上述技术方案中，所述光学元件为任意形状的光学元件；所述光源的形状与光学元件的边缘相匹配；采用这种方式，光源的照射范围可以覆盖光学元件，实现对光学元件表面提供最优暗场成像；所述光源为LED光源，其尺寸与光学元件匹配，功率优于24W。

在上述技术方案中，所述光学元件为圆形光学元件，则光源为与圆形光学元件的边缘相匹配的弧形光源；所述光学元件为方形光学元件，则光源为与方形光学元件的边缘相匹配的条形光源；采用这种方式，光源的照射范围可以覆盖光学元件，实现对光学元件表面提供最优暗场成像。

在上述技术方案中，所述风刀单元5包括：

风刀夹持件51，其连接在安装板22的上边缘；

风刀52，其连接在风刀夹持件51上，且所述风刀52的出风口位于光学元件3的上方，并使风刀52的出风平面可吹扫光学元件的上表面；

压缩气瓶(未示出)，其设置在光传输管道或箱体1的外部，所述压缩气瓶通过气体管线与风刀52连接；

采用这种方式，当光学元件表面需要洁净维护时，采用风刀进行吹扫，高压的洁净气体经过风刀极窄宽度(100μm)的出风口产生高速水平气流，污染物受到气流吹扫而克服其与光学元件表面之间的附着力，从而脱离光学元件表面被移除。

在上述技术方案中，所述光学元件3为圆形光学元件；所述风刀52为弧形风刀；所述风刀的刀口尺寸为100μm；采用这种方式，风刀的结构与光学元件的结构相配合，可以更优的实现对光学元件表面的清洁。

在上述技术方案中，所述相机监测单元6包括：

相机滑行导轨61，其倾斜设置在光传输管道或箱体1的上方；

相机安装板62，其连接在相机滑行导轨61的滑块63上；所述相机安装板62的一面安装相机64；所述相机64上安装变焦镜头65；且所述变焦镜头65的与光学元件3的表面垂直；

挡板电机66，其安装在相机安装板62的另一面；

相机镜头挡板67，其垂直安装在挡板电机66的电机轴上，且通过挡板电机66的电机轴的旋转使相机镜头挡板67将变焦镜头65进行遮挡；

采用这种方式，使相机安装板在相机滑行导轨上滑动，可以调节安装在相机安装板上的相机的位置，进而改变相机与光学元件之间的距离，实现最佳安装位置，进一步可以使相机采集到通光口径清晰图像；采用变焦镜头，选用的变焦镜头可达到10倍变倍，变倍范围为0.055×-0.55×，可以实现全口径监测的要求；通过相机镜头挡板，在不使用相机时，可以对变焦镜头进行遮挡，避免损坏镜头。

在上述技术方案中，所述相机为CCD相机，并选择5/3寸的大面阵全画幅CCD，实现对光学元件表面的全视场和高分辨率检测；该CCD的物理像素为6600×4400，像元尺寸为5.5μm×5.5μm，当光学元件尺寸直径为300mm时，可以满足全口径监测；

在上述技术方案中，所述光传输管道或箱体1上设置有监测窗口，且监测窗口的开口平面与光学元件的平面平行；所述相机或变焦镜头的外壳通过密封硅胶筒(未示出)连接在监测窗口上；采用这种方式，密封硅胶筒的一端密封连接在监测窗口上，另一端密封连接在相机或变焦镜头的外壳上，在不影响相机或变焦镜头伸缩的情况下，可以实现光传输管道或箱体的密封要求。

在上述技术方案中，如图5～6所示，还包括：离子棒7，其通过安装在安装板22上的离子棒支架71设置在风刀单元5和光学元件3的上边缘之间；

静电吸附电极8，其包括平行设置的正电极棒81和负电极棒82，所述正电极棒81和负电极棒82通过电极支撑架83安装在光传输管道或箱体1的底部，且正电极棒81位于光学元件3的下边缘的上方，负电极棒82位于光学元件3的下边缘的下方；其中正电极棒与箱体外部高压电源的正极连接，负电极棒与箱体外部高压电源的负极连接；

采用这种方式，通过离子棒和风刀单元的结合，离子棒产生的离子被风刀单元的高速气流吹向光学元件表面，将光学元件表面的污染物去除并使污染物荷电，采用静电吸附电极在光学元件末端进行收集，从而达到污染物去除的目的。

在上述技术方案中，所述光传输管道或箱体的底部设置有照明单元、风刀单元、离子棒和静电吸附电极的走线航插；采用这种方式，在光传输管道或箱体的底部设置相关的走线航插，使照明单元、风刀单元、离子棒和静电吸附电极与外部的控制系统和电源进行连接；所述光学元件的倾斜角度为45度。

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 (10)

1.一种光学元件表面非接触式洁净监测及处理系统，其特征在于，包括：

光传输管道或箱体；

光学元件支撑单元，其设置在光传输管道或箱体的底部；光学元件倾斜设置在光学元件支撑单元上；

照明单元，其设置在光学元件支撑单元上，且所述照明单元位于光学元件的两侧；

风刀单元，其设置在光学元件支撑单元上，其所述风刀单元位于光学元件的上边缘；

相机监测单元，其设置在光传输管道或箱体的上方，且所述相机监测单元的照射镜头与光学元件的表面垂直。

2.如权利要求1所述的光学元件表面非接触式洁净监测及处理系统，其特征在于，所述光学元件支撑单元包括：

斜座支撑架，其一水平面连接在光传输管道或箱体的底部；

安装板，其连接在斜座支撑架的斜面架上；

光学元件安装板，其通过连接块连接在安装板上；所述光学元件安装在光学元件安装板上。

3.如权利要求2所述的光学元件表面非接触式洁净监测及处理系统，其特征在于，所述照明单元包括：

光源夹持件，其连接在安装板的侧边；

光源，其连接在光源夹持件上，且所述光源位于光学元件的两侧。

4.如权利要求3所述的光学元件表面非接触式洁净监测及处理系统，其特征在于，所述光学元件为任意形状的光学元件；所述光源的形状与光学元件的边缘相匹配；所述光源为LED光源。

5.如权利要求4所述的光学元件表面非接触式洁净监测及处理系统，其特征在于，所述光学元件为圆形光学元件，则光源为与圆形光学元件的边缘相匹配的弧形光源；所述光学元件为方形光学元件，则光源为与方形光学元件的边缘相匹配的条形光源。

6.如权利要求2所述的光学元件表面非接触式洁净监测及处理系统，其特征在于，所述风刀单元包括：

风刀夹持件，其连接在安装板的上边缘；

风刀，其连接在风刀夹持件上，且所述风刀的出风口位于光学元件的上方，并使风刀的出风平面可吹扫光学元件的上表面；

压缩气瓶，其设置在光传输管道或箱体的外部，所述压缩气瓶通过气体管线与风刀连接；

其中，所述光学元件为圆形光学元件；所述风刀为弧形风刀；所述风刀的刀口尺寸为100μm。

7.如权利要求1所述的光学元件表面非接触式洁净监测及处理系统，其特征在于，所述相机监测单元包括：

相机滑行导轨，其倾斜设置在光传输管道或箱体的上方；

相机安装板，其连接在相机滑行导轨的滑块上；所述相机安装板的一面安装相机；所述相机上安装变焦镜头；且所述变焦镜头的与光学元件的表面垂直；

挡板电机，其安装在相机安装板的另一面；

相机镜头挡板，其垂直安装在挡板电机的电机轴上，且通过挡板电机的旋转使相机镜头挡板将变焦镜头进行遮挡。

8.如权利要求7所述的光学元件表面非接触式洁净监测及处理系统，其特征在于，所述相机为CCD相机；所述光传输管道或箱体上设置有监测窗口，且监测窗口的开口平面与光学元件的平面平行；所述相机或变焦镜头的外壳通过密封硅胶筒连接在监测窗口上。

9.如权利要求1所述的光学元件表面非接触式洁净监测及处理系统，其特征在于，还包括：

离子棒，其设置在风刀单元和光学元件的上边缘之间；

静电吸附电极，其包括平行设置的正电极棒和负电极棒，所述正电极棒和负电极棒通过电极支撑架安装在光传输管道或箱体的底部，且正电极棒位于光学元件的下边缘的上方，负电极棒位于光学元件的下边缘的下方。

10.如权利要求9所述的光学元件表面非接触式洁净监测及处理系统，其特征在于，所述光传输管道或箱体的底部设置有照明单元、风刀单元、离子棒和静电吸附电极的走线航插；所述光学元件的倾斜角度为45度。

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