CN113720861A - 透明样品的亚表面缺陷检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种透明样品的亚表面缺陷检测方法及装置，方法包括：利用激光共聚焦方法确定所述透明样品亚表面缺陷大致位置；对所述亚表面缺陷的散射光形成的像进行过焦扫描，以得到散射光光场的纵向分布信息；根据所述纵向分布信息及所述大致位置确定所述亚表面缺陷的实际位置、尺寸及形态。该方法及装置利用激光共聚焦法获取最佳焦面信息的同时，获取纵向分布的离焦信息，保留了离焦数据，最大程度的提取亚表面缺陷特征，进一步提高缺陷检测精度和灵敏度。
Description
技术领域
本公开涉及光学家检测领域，尤其涉及一种透明样品的亚表面缺陷检测方法。
背景技术
高功率激光传输光学元件是高能激光系统和空间光学系统等重要国防、军事及航天领域极为重要的部件。亚表面缺陷是制约此类光学元件性能的关键因素之一。因此对其进行检测和表征是实现高功率传输光学元件制造的关键。目前，光学元件亚表面缺陷检测技术常采用磁流变抛光斑点法、角度抛光法、截面显微法等。这些方法需要对光学玻璃进行破坏，如首先切割出一个截面，然后对截面进行检测，得到亚表面缺陷信息。这种非原位检测方法，既对元件带来了损伤，又不能得到缺陷的原位或定位信息。显然光学玻璃元件制造急需无损检测手段来满足原位检测需求。因此，非破坏性的无损检测越来越成为亚表面缺陷检测的必然发展趋势。
申请人在实现本公开构思的过程中发现现有技术至少存在以下缺陷：现有的方法只能获得确定层的焦面信息，即一个物面得到一幅图像。在纵向(“Z”)方向只得到了一个点，而将寻找最佳焦面过程中获得的离焦数据丢弃，这些离焦数据同样包含了物面的特征信息，离焦信息的丢失造成亚表面缺陷特征提取的部分信息丢失，影响了缺陷检测灵敏度和定位精度。
发明内容
鉴于此，本公开提出一种透明样品的亚表面缺陷检测方法，包括：利用激光共聚焦方法确定透明样品亚表面缺陷大致位置；对亚表面缺陷的散射光形成的像进行过焦扫描，以得到散射光光场的纵向分布信息；根据纵向分布信息及大致位置确定亚表面缺陷的实际位置、尺寸及形态。
根据本公开的实施例，利用激光共聚焦方法确定透明样品亚表面缺陷大致位置包括：确定透明样品的最佳物面；对最佳物面形成的散射光进行光电探测，获得最佳物面的成像信息；根据成像信息确定透明样品亚表面缺陷的大致位置。
根据本公开的实施例，其中，对亚表面缺陷的散射光形成的像进行过焦扫描，以得到散射光光场的纵向分布信息包括：在预定范围内对像进行过焦扫描，获得光场沿纵向分布的多维数据图像；根据多维数据图像构建光场分布数据立方体；根据光场分布数据立方体提取亚表面缺陷扰动散射纵向分布模式。
根据本公开的实施例，其中，采用电荷耦合器件捕获多维数据图像。
本公开另一方面提供一种透明样品的亚表面缺陷检测装置，包括：激光共聚焦模块，用于利用激光共聚焦方法确定透明样品亚表面缺陷大致位置；过焦扫描模块，用于对亚表面缺陷的散射光形成的像进行过焦扫描，以得到散射光光场的纵向分布信息；处理模块，用于根据纵向分布信息及大致位置确定亚表面缺陷的实际位置、尺寸及形态。
根据本公开的实施例，其中，激光共聚焦模块包括：光源1，用于发射激光；第一分光镜2，用于改变激光的传播方向并使得激光能够透射透明样品；第一聚焦镜3，用于将激光聚焦到焦平面后入射至透明样品，以确定透明样品的最佳物面；第二聚焦镜4，用于对最佳物面形成的散射光进行聚焦；小孔光阑5，用于对聚焦后的散射光形成的光斑进行调节，以便于探测；光电探测器6，用于对散射光进行探测，以得到透明样品亚表面缺陷大致位置。
根据本公开的实施例，其中，过焦扫描模块包括：第二分光镜7，用于改变部分散射光的传播方向；第三聚焦镜8，用于对部分散射光，以形成亚表面缺陷的像；过焦扫描单元9，用于在预定范围内对像进行过焦扫描，以获取散射光光场的纵向分布信息。
根据本公开的实施例，其中，过焦扫描单元9获取散射光光场的纵向分布信息包括：在预定范围内对像进行过焦扫描，获得光场沿纵向分布的多维数据图像；根据多维数据图像构建光场分布数据立方体；根据光场分布数据立方体提取亚表面缺陷扰动散射纵向分布模式。
根据本公开的实施例，亚表面缺陷检测装置还包括：电荷耦合器件10，用于捕获多维数据图像。
附图说明
图1示意性示出了本开实施的透明样品的亚表面缺陷检测方法的流程图；
图2示意性示出了本公开实施例提供的亚表面缺陷检测装置结构图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
在本公开的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
为了进一步提高光学元件亚表面缺陷检测灵敏度和定位精度，本公开将激光共聚焦方法与过焦扫描方法相结合，基于过焦扫描(Through-focus Scanning OpticalMicroscopy，TSOM)具有光学超分辨能力，能够捕获单个聚焦图像并沿光轴扫描，以获取由成像目标的聚焦图像和一系列散焦图像组成的图像序列，从而提升缺陷三维成像分辨率和精度。利用激光共聚焦获得焦平面上在成像信息的同时，再利用TSOM方法对具有一对一映射关系的成像共轭面的一定范围内进行扫描，得到多个离焦信息，即得到光场“Z”向分布模式，从而进一步提高测量的分辨率和精度。下面结合具体的实施例进行详细介绍。
图1示意性示出了本开实施的透明样品的亚表面缺陷检测方法的流程图。
如图1所示，该方法例如可以包括操作S101～S103。
在操作S101，利用激光共聚焦方法确定透明样品亚表面缺陷大致位置。
根据本公开的实施例，利用激光共聚焦方法确定透明样品亚表面缺陷大致位置可以包括：确定透明样品的最佳物面。对最佳物面形成的散射光进行光电探测，获得最佳物面的成像信息。根据成像信息确定透明样品亚表面缺陷的大致位置。
在操作S102，对亚表面缺陷的散射光形成的像进行过焦扫描，以得到散射光光场的纵向分布信息。
根据本公开的实施例，对亚表面缺陷的散射光形成的像进行过焦扫描，以得到散射光光场的纵向分布信息包括：在预定范围内对像进行过焦扫描，获得光场沿纵向分布的多维数据图像，根据多维数据图像构建光场分布数据立方体，根据光场分布数据立方体提取亚表面缺陷扰动散射纵向分布模式。
具体地，当激光照射到透明样品的最佳物面时，该最佳物面的信息会以散射光的形式被反射，此时，可以将该散射光分成两部分，对其中一部分进行光电探测，获得最佳物面的成像信息，进而确定透明样品亚表面缺陷的大致位置。对其中另一部分进行过焦扫描，得光场沿“Z”向分布的N×M幅图像，这些多维度数据图像被电荷耦合器件(CCD)所捕获，从而构建数据立方体，从而提取缺陷扰动散射纵向分布模式。至此可以同时获取焦面信息及离焦数据。
在操作S103，根据纵向分布信息及大致位置确定亚表面缺陷的实际位置、尺寸及形态。
根据本公开实施例，由初始确定的大致位置及缺陷扰动散射纵向分布信息，可进一步确定缺陷的纵向分布深度。
基于同一发明构思，本公开实施例还提供一种透明样品的亚表面缺陷检测装置。该亚表面缺陷检测装置例如可以包括：
激光共聚焦模块，用于利用激光共聚焦方法确定透明样品亚表面缺陷大致位置。
过焦扫描模块，用于对亚表面缺陷的散射光形成的像进行过焦扫描，以得到散射光光场的纵向分布信息。
处理模块，用于根据纵向分布信息及大致位置确定亚表面缺陷的实际位置、尺寸及形态。
图2示意性示出了本公开实施例提供的亚表面缺陷检测装置结构图。
如图2所示，激光共聚焦模块包括：光源1、第一分光镜2、第一聚焦镜3、第二聚焦镜4、小孔光阑5及光电探测器6。
其中，光源1用于发射激光。第一分光镜2用于改变激光的传播方向并使得激光能够透射透明样品S。第一聚焦镜3用于将激光聚焦到焦平面后入射至透明样品S，以确定透明样品S的最佳物面。第二聚焦镜4用于对最佳物面形成的散射光进行聚焦。小孔光阑5用于对聚焦后的散射光形成的光斑进行调节，以便于探测。光电探测器6用于对散射光进行探测，以得到透明样品S亚表面缺陷大致位置。
过焦扫描模块例如可以包括：第二分光镜7、第三聚焦镜8及过焦扫描单元9。
其中，第二分光镜7用于改变部分散射光的传播方向。第三聚焦镜8用于对部分散射光，以形成亚表面缺陷的像。过焦扫描单元9用于在预定范围内对像进行过焦扫描，以获取散射光光场的纵向分布信息。电荷耦合器件10用于捕获多维数据图像。过焦扫描单元9获取散射光光场的纵向分布信息可以包括：在预定范围内对像进行过焦扫描，获得光场沿纵向分布的多维数据图像。根据多维数据图像构建光场分布数据立方体。根据光场分布数据立方体提取亚表面缺陷扰动散射纵向分布模式。
此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：改变聚焦镜的焦点到样品和探测器的距离；聚焦镜的各种可替换尺寸型号；分光镜可以是各种型号参数；样品包括但不限于光学元件，还可用于其它透明样品的亚表面缺陷检测；光源包括但不限于激光光源。
由此，基于本公开实施例提供的透明样品的亚表面缺陷检测方法及装置，利用激光共聚焦法获取最佳焦面信息的同时，获取纵向分布的离焦信息，保留了离焦数据，最大程度的提取亚表面缺陷特征，进一步提高缺陷检测精度和灵敏度。过焦扫描过程中的构建光场分布数据立方体，能够精准的还原缺陷尺寸和形态，对后续缺陷的重建复原具有重要意义。并且，通过增加纵向信息模式分布来获得更多物面信息，可进一步缩小简化光学系统设计。此外，该方法及装置为层叠分离和定位提供一定的实验基础。为后续与机器学习、深度学习等需要大量样本的学习方法相结合的亚表面缺陷检测技术提供更加精准可靠的训练数据。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种透明样品的亚表面缺陷检测方法，包括：
利用激光共聚焦方法确定所述透明样品亚表面缺陷大致位置；
对所述亚表面缺陷的散射光形成的像进行过焦扫描，以得到散射光光场的纵向分布信息；
根据所述纵向分布信息及所述大致位置确定所述亚表面缺陷的实际位置、尺寸及形态。
2.根据权利要求1所述的亚表面缺陷检测方法，其中，所述利用激光共聚焦方法确定所述透明样品亚表面缺陷大致位置包括：
确定所述透明样品的最佳物面；
对所述最佳物面形成的散射光进行光电探测，获得最佳物面的成像信息；
根据所述成像信息确定所述透明样品亚表面缺陷的大致位置。
3.根据权利要求1所述的亚表面缺陷检测方法，其中，所述对所述亚表面缺陷的散射光形成的像进行过焦扫描，以得到散射光光场的纵向分布信息包括：
在预定范围内对所述像进行过焦扫描，获得光场沿纵向分布的多维数据图像；
根据所述多维数据图像构建光场分布数据立方体；
根据所述光场分布数据立方体提取所述亚表面缺陷扰动散射纵向分布模式。
4.根据权利要求3所述的亚表面缺陷检测方法，其中，采用电荷耦合器件捕获所述多维数据图像。
5.一种透明样品的亚表面缺陷检测装置，包括：
激光共聚焦模块，用于利用激光共聚焦方法确定所述透明样品亚表面缺陷大致位置；
过焦扫描模块，用于对所述亚表面缺陷的散射光形成的像进行过焦扫描，以得到散射光光场的纵向分布信息；
处理模块，用于根据所述纵向分布信息及所述大致位置确定所述亚表面缺陷的实际位置、尺寸及形态。
6.根据权利要求5所述的亚表面缺陷检测装置，其中，所述激光共聚焦模块包括：
光源(1)，用于发射激光；
第一分光镜(2)，用于改变激光的传播方向并使得激光能够透射所述透明样品；
第一聚焦镜(3)，用于将激光聚焦到焦平面后入射至所述透明样品，以确定所述透明样品的最佳物面；
第二聚焦镜(4)，用于对所述最佳物面形成的散射光进行聚焦；
小孔光阑(5)，用于对聚焦后的散射光形成的光斑进行调节，以便于探测；
光电探测器(6)，用于对所述散射光进行探测，以得到所述透明样品亚表面缺陷大致位置。
7.根据权利要求5所述的透明样品的亚表面缺陷检测装置，其中，所述过焦扫描模块包括：
第二分光镜(7)，用于改变部分散射光的传播方向；
第三聚焦镜(8)，用于对部分散射光，以形成所述亚表面缺陷的像；
过焦扫描单元(9)，用于在预定范围内对所述像进行过焦扫描，以获取散射光光场的纵向分布信息。
8.根据权利要求7所述的透明样品的亚表面缺陷检测装置，其中，所述过焦扫描单元(9)获取散射光光场的纵向分布信息包括：
在预定范围内对所述像进行过焦扫描，获得光场沿纵向分布的多维数据图像；
根据所述多维数据图像构建光场分布数据立方体；
根据所述光场分布数据立方体提取所述亚表面缺陷扰动散射纵向分布模式。
9.根据权利要求8所述的透明样品的亚表面缺陷检测装置，所述亚表面缺陷检测装置还包括：
电荷耦合器件(10)，用于捕获所述多维数据图像。
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