CN114486912A

CN114486912A - 一种基于线光谱共焦技术的光学元件缺陷检测装置及方法

Info

Publication number: CN114486912A
Application number: CN202210049943.8A
Authority: CN
Inventors: 陈明星; 陈坚; 吴周令; 黄明
Original assignee: ZC OPTOELECTRONIC TECHNOLOGIES Ltd
Current assignee: ZC OPTOELECTRONIC TECHNOLOGIES Ltd
Priority date: 2022-01-17
Filing date: 2022-01-17
Publication date: 2022-05-13

Abstract

本发明公开了一种基于线光谱共焦技术的光学元件缺陷检测装置及方法，照明单元发出的X向线性阵列光线经分束镜反射，再透过色散透镜组后聚焦于待测样品上，不同波长的线性阵列光线经待测样品反射后，再依次通过色散透镜组、分束镜透射耦合，然后从成像接收光纤束的一端进入到Z轴延伸的成像接收光纤束内，成像接收光纤束的另一端与光谱成像单元连接。本发明成像接收光纤束采用光纤线性阵列排布接收方式，可以有效避免杂光干扰和不同通道之间的光信号串扰，以提高系统的横向检测分辨率。本发明采用全反射式结构光谱成像探测方式，消除了色差影响，可适应不同波段范围，从而适应不同种类待测样品的检测需求。

Description

一种基于线光谱共焦技术的光学元件缺陷检测装置及方法

技术领域

本发明涉及光学材料的缺陷检测领域，具体是一种基于线光谱共焦技术的光学元件缺陷检测装置及方法。

背景技术

表面缺陷是光学元件表面质量的一个重要指标，它是由于光学元件在加工或者使用过程中，由于加工工艺或者不当操作而在元件表面上所造成的离散局部微观缺陷。当光束通过具有缺陷存在的超高精度光学元件表面时，这些局部的结构不均匀性造成光束的散射和能量损耗，从而可能产生衍射条纹、能量吸收、膜层破坏、有害炫耀和缺陷形变等现象，特别对于高能量或者高精度的光缺陷是判断光学元件质量是否合格的主要因素之一，光学元件表面缺陷高分辨率快速自动检测技术来越来越受到人们重视。目前，对光学元件表面缺陷的检测还主要停留在人工目视检测的水平，该方法存在检测效率低，检测精度不稳定等缺点，已不能满足光学元件的批量生产与检测。对于光学元件表面自动检测，国内外常用基于机器视觉的散射显微成像技术，为了针对高精度细微缺陷检测，需采用高分辨率成像系统，但是这种成像系统的景深很低，为此针对此类高分辨率低景深光学系统的光学元件缺陷检测存在以下两个方面的问题：一方面针对曲面光学元件表面高分辨率检测，需要多次对焦采集缺陷图像并且需要图像拼接实现曲面光学元件表面高分辨率检测，另一方面，对于光学元件亚表面缺陷检测，同样需要多次对焦才能实现光学元件亚表面缺陷检测。因而增加了系统的复杂性和处理时间，降低了缺陷检测速度和检测效率。

光谱共焦技术是在共焦扫描显微术基础上发展而来，其无需轴向扫描，直接由波长对应轴向距离信息，从而大幅提高测量速度。而基于光谱共焦技术的传感器是近年来出现的一种高精度、非接触式的新型传感器，轴向精度理论上可达nm量级。由于光谱共焦传感器对被测表面状况要求低，允许被测表面有更大的倾斜角，测量速度快，实时性高，迅速成为工业测量的热门传感器，但主要应用于精密定位、三维测量等领域。有报道“Anew methodfor detecting surface defects on curved reflective optics using normalizedreflectivity(Hui-Lin Du et al.,Rev.Sci.Instrum.91,036103(2020))”提出了一种基于光谱共焦传感器的表面缺陷测量的方法。将平面反射镜安装于角位移台上，调整光谱传感器与待测工件的距离，完成设定的倾角下谱峰强度数据的采集，调整角位移台到不同倾角，直至完成所有指定倾角下的谱峰强度数据采集；构建“陡度-距离-谱峰强度”特性曲线；对待测工件进行扫描测量，采集工件表面回光的谱峰强度数据，计算待测工件表面的反射率矩阵；设定反射率阈值，通过设定反射率阈值区辨识反射率突变区域，以此分辨缺陷区域与正常区域并完成缺陷定位与检测。但是这种共焦技术是基于点源光谱共焦技术，需要通过移动角位移台、传感器头旋转扫描来实现三维表面缺陷信息的获取，扫描速度慢，效率不高，不能满足现代工业自动化产品缺陷高精度快速检测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于线光谱共焦技术的光学元件缺陷检测装置及方法，降低了系统的复杂性和处理时间，提高了缺陷检测速度和检测效率。

本发明的技术方案为：

一种基于线光谱共焦技术的光学元件缺陷检测装置，包括有照明单元、分束镜、色散透镜组、样品运动台、成像接收光纤束和光谱成像单元，待测样品设置于样品运动台上，所述的照明单元沿Y轴发出的X向线性阵列光线经分束镜反射，再透过色散透镜组后聚焦于待测样品上，不同波长的线性阵列光线经待测样品反射后，再依次通过色散透镜组、分束镜透射耦合，然后从成像接收光纤束的一端进入到Z轴延伸的成像接收光纤束内，成像接收光纤束的另一端与光谱成像单元连接，光谱成像单元包括有多个反射镜和面阵探测器，成像接收光纤束另一端输出的线性阵列光线经过多个反射镜顺次反射后聚焦到面阵探测器上。

所述的照明单元包括有宽带光源、耦合透镜组和照明光纤束，照明光纤束的每根光纤均沿Y轴延伸设置，宽带光源发出的光线经耦合透镜组耦合后，进入照明光纤束中，照明光纤束的输入端面为圆形、输出端面为矩形，照明光纤束在输入端为捆束状排布结构、在输出端为沿X轴线性排布结构，使得照明光纤束发出X向线性阵列光线。

所述的成像接收光纤束的每根光纤均沿Z轴延伸设置,成像接收光纤束的输入端面和输出端面均为矩形，成像接收光纤束为沿X轴线性排布结构。

所述的光谱成像单元包括有折叠反光镜、第一凹面反光镜、凸面光栅、第二凹面反光镜和面阵探测器，成像接收光纤束另一端输出的线性阵列光线首先经过折叠反光镜偏转方向后入射到第一凹面反光镜上，第一凹面反光镜将入射的线性阵列光线准直入射到凸面光栅后进行光谱分光，最后经过第二凹面反光镜聚焦到面阵探测器上。

光学元件缺陷检测方法，具体包括有以下步骤：

(1)、首先在样品运动台上放置待测样品，然后启动照明单元，照明单元沿Y轴发出的X向线性阵列光线经分束镜反射，再透过色散透镜组后聚焦于待测样品上，不同波长的线性阵列光线聚焦于待测样品的不同高度处；

(2)、聚焦光线经过待测样品反射后，再依次通过色散透镜组、分束镜透射耦合，然后从成像接收光纤束的一端进入到Z轴延伸的成像接收光纤束内，成像接收光纤束另一端输出线性阵列光线；

(3)、成像接收光纤束输出的线性阵列光线首先经过折叠反光镜反射达到第一凹面反光镜，从第一凹面反光镜反射后的光线进入凸面光栅，经过凸面光栅分光后经过第二凹面反光镜将不同波长的线性阵列光线聚焦于面阵探测器上不同的位置，其中，面阵探测器的X向是空间维，Z向是光谱维，面阵探测器的空间维上每一点光强选取依据是该点所对应的光谱维上的最大光强值，即光谱维上光强最大值对应的光强为空间维上一点的光强值，依次得到空间维一维方向上所有点的光强值，并将此光强值转化为归一化反射率，得到一维方向上归一化反射率系数；对于旋转对称样品，通过样品运动台带动待测样品绕z轴旋转1800并结合图像拼接，得到待测样品整个表面的反射率系数；对于非旋转对称样品，通过样品运动台带动待测样品沿Y轴方向平移并结合图像拼接，得到待测样品整个表面的反射率系数；

(4)、将待测样品整个表面的反射率系数乘以整个表面的上的光强值得到整个表面的归一化光强值，将得到的归一化光强值与设定的归一化光强阈值比较，实现待测样品整个表面的缺陷高分辨率快速检测。

所述的待测样品为曲面样品时，步骤(1)中的不同波长的线性阵列光线聚焦于曲面样品表面的不同高度处。

所述的待测样品为平面样品时，步骤(1)中的不同波长的线性阵列光线聚焦于平面样品的不同深度处。

本发明的优点：

本发明成像接收光纤束采用光纤线性阵列排布接收方式，相比于传统的狭缝接收方式，可以有效避免杂光干扰和不同通道之间的光信号串扰，以提高系统的横向检测分辨率。本发明光谱成像单元采用全反射式结构光谱成像探测方式，消除了色差影响，可适应不同波段范围，从而适应不同种类待测样品的检测需求。针对曲面样品，无需要多次对焦采集缺陷图像，针对光学元件亚表面缺陷检测，也无需要多次对焦即可实现光学元件亚表面缺陷检测，因而降低了系统的复杂性和处理时间，提高了缺陷检测速度和检测效率。

附图说明

图1是本发明实施例1进行曲面样品检测的结构示意图。

图2是本发明照明单元的结构示意图。

图3是本发明照明光纤束输入端面的结构示意图。

图4是本发明照明光纤束输出端面的结构示意图。

图5是本发明实施例1曲面样品表面反射光线的示意图。

图6是本发明成像接收光纤束输入端面的结构示意图。

图7是本发明光谱成像单元的结构示意图。

图8是面阵探测器的光谱维和空间维示意图。

图9是本发明实施例2平面样品反射光线的示意图。

附图标记：1-照明单元，2-分束镜，3-色散透镜组，4-样品运动台，5-成像接收光纤束，6-光谱成像单元，4C-曲面样品，4P-平面样品，11-宽带光源，12-耦合透镜组，13-照明光纤束，131-照明光纤束的输入端，132-照明光纤束的输出端，51-成像接收光纤束的输入端，61-折叠反光镜，62-第一凹面反光镜，63-凸面光栅，64-第二凹面反光镜，65-面阵探测器。

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技术方案进行清楚、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，都属于本发明保护的范围。

见图1，一种基于线光谱共焦技术的光学元件缺陷检测装置，包括有照明单元1、分束镜2、色散透镜组3、样品运动台4、成像接收光纤束5和光谱成像单元6，待测样品设置于样品运动台4上，照明单元1沿Y轴发出的X向线性阵列光线经分束镜2反射，再透过色散透镜组3后聚焦于待测样品上，不同波长的线性阵列光线经待测样品反射后，再依次通过色散透镜组3、分束镜2透射耦合，然后从成像接收光纤束的一端进入到Z轴延伸的成像接收光纤束5内，成像接收光纤束5的另一端与光谱成像单元连接，成像接收光纤束5另一端输出的线性阵列光线进入光谱成像单元6，经反射后聚焦到光谱成像单元6的面阵探测器上。

见图1-图4，照明单元包括有宽带光源11、耦合透镜组12和照明光纤束13，照明光纤束13的每根光纤均沿Y轴延伸设置，宽带光源11发出的光线经耦合透镜组12耦合后，进入照明光纤束13中，照明光纤束13的输入端面为圆形、输出端面为矩形，照明光纤束13在输入端131为捆束状排布结构、在输出端132为沿X轴线性排布结构，使得照明光纤束13发出X向线性阵列光线；以照明光纤束13输出端发出的三束光束经过色散透镜组3后对应的三束光分别为A、B、C三束光(见图5)，这三束光中的每束光中不同波长的光会沿Z轴依次色散分开，其中C光束中的波长λ₁，B光束中的波长λ_m，A光束中的波长λ_n，分别都聚焦于曲面样品4C上，这三束光聚焦于曲面样品4C表面上的高度分别为f(λ₁)、f(λ_m)、f(λ_n)；其中，f(λ_i)＝h₀+kλ_i，h₀和k均是常数，i为1、m或n等；

见图6，成像接收光纤束5的每根光纤均沿Z轴延伸设置,成像接收光纤束5的输入端51截面和输出端面均为矩形，成像接收光纤束5为沿X轴线性排布结构。

见图7，光谱成像单元6包括有折叠反光镜61、第一凹面反光镜62、凸面光栅63、第二凹面反光镜64和面阵探测器65，成像接收光纤束5另一端输出的线性阵列光线首先经过折叠反光镜61偏转方向后入射到第一凹面反光镜62上，第一凹面反光镜62将入射的线性阵列光线准直入射到凸面光栅63后进行光谱分光，最后经过第二凹面反光镜64聚焦到面阵探测器65上。

实施例1

见图1，一种光学元件缺陷检测方法，具体包括有以下步骤：

(1)、首先在样品运动台上放置曲面样品4C，然后启动照明单元，照明单元沿Y轴发出的X向线性阵列光线经分束镜反射，再透过色散透镜组后聚焦于曲面样品4C的表面，不同波长的线性阵列光线聚焦于曲面样品4C表面的不同高度处；

(2)、聚焦光线经过曲面样品4C的表面反射后，再依次通过色散透镜,3、分束镜2透射耦合，然后从成像接收光纤束5的一端进入到Z轴延伸的成像接收光纤束5内，成像接收光纤束5另一端输出线性阵列光线；

(3)、成像接收光纤束5输出的线性阵列光线首先经过折叠反光镜61反射达到第一凹面反光镜62，从第一凹面反光镜62反射后的光线进入凸面光栅63，经过凸面光栅63分光后经过第二凹面反光镜64将不同波长的线性阵列光线聚焦于面阵探测器65上不同的位置，其中，面阵探测器65的X向是空间维，Z向是光谱维(见图8)，面阵探测器65的空间维上每一点光强选取依据是该点所对应的光谱维上的最大光强值，即光谱维上光强最大值对应的光强为空间维上一点的光强值，依次得到空间维一维方向上所有点的光强值，并将此光强值转化为归一化反射率，得到一维方向上归一化反射率系数；对于旋转对称样品，通过样品运动台4带动曲面样品4C绕z轴旋转1800并结合图像拼接，得到曲面样品4C整个表面的反射率系数；对于非旋转对称样品，通过样品运动台4带动曲面样品4C沿Y轴方向平移并结合图像拼接，得到曲面样品4C整个表面的反射率系数；

(4)、将曲面样品4C整个表面的反射率系数乘以整个表面的上的光强值得到整个表面的归一化光强值，将得到的归一化光强值与设定的归一化光强阈值比较，实现曲面样品4C整个表面的缺陷高分辨率快速检测。

实施例2

见图9，一种光学元件缺陷检测方法,同实施例1步骤相同，只是步骤(1)中的不同波长的线性阵列光线聚焦于平面样品4P的不同深度处f′(λ₁)、f′(λ_m)、f′(λ_n)，其中，f′(λ_i)＝h′₀′+k′λ_i，h′₀′和k′均是常数，i为1、m或n等。

只有这些不同波长的聚焦光线经过样品反射后有效地耦合进入成像接收光纤束5内，从而面阵探测器65中光谱维上对应波长的光强最强。按照上述方法同样可以实现样品表面及亚表面缺陷高分辨率快速检测。

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

1.一种基于线光谱共焦技术的光学元件缺陷检测装置，其特征在于：包括有照明单元、分束镜、色散透镜组、样品运动台、成像接收光纤束和光谱成像单元，待测样品设置于样品运动台上，所述的照明单元沿Y轴发出的X向线性阵列光线经分束镜反射，再透过色散透镜组后聚焦于待测样品上，不同波长的线性阵列光线经待测样品反射后，再依次通过色散透镜组、分束镜透射耦合，然后从成像接收光纤束的一端进入到Z轴延伸的成像接收光纤束内，成像接收光纤束的另一端与光谱成像单元连接，光谱成像单元包括有多个反射镜和面阵探测器，成像接收光纤束另一端输出的线性阵列光线经过多个反射镜顺次反射后聚焦到面阵探测器上。

2.根据权利要求1所述的一种基于线光谱共焦技术的光学元件缺陷检测装置，其特征在于：所述的照明单元包括有宽带光源、耦合透镜组和照明光纤束，照明光纤束的每根光纤均沿Y轴延伸设置，宽带光源发出的光线经耦合透镜组耦合后，进入照明光纤束中，照明光纤束的输入端面为圆形、输出端面为矩形，照明光纤束在输入端为捆束状排布结构、在输出端为沿X轴线性排布结构，使得照明光纤束发出X向线性阵列光线。

3.根据权利要求1所述的一种基于线光谱共焦技术的光学元件缺陷检测装置，其特征在于：所述的成像接收光纤束的每根光纤均沿Z轴延伸设置,成像接收光纤束的输入端面和输出端面均为矩形，成像接收光纤束为沿X轴线性排布结构。

4.根据权利要求1所述的一种基于线光谱共焦技术的光学元件缺陷检测装置，其特征在于：所述的光谱成像单元包括有折叠反光镜、第一凹面反光镜、凸面光栅、第二凹面反光镜和面阵探测器，成像接收光纤束另一端输出的线性阵列光线首先经过折叠反光镜偏转方向后入射到第一凹面反光镜上，第一凹面反光镜将入射的线性阵列光线准直入射到凸面光栅后进行光谱分光，最后经过第二凹面反光镜聚焦到面阵探测器上。

5.基于权利要求1所述的光学元件缺陷检测装置的光学元件缺陷检测方法，其特征在于：具体包括有以下步骤：

(3)、成像接收光纤束输出的线性阵列光线首先经过折叠反光镜反射达到第一凹面反光镜，从第一凹面反光镜反射后的光线进入凸面光栅，经过凸面光栅分光后经过第二凹面反光镜将不同波长的线性阵列光线聚焦于面阵探测器上不同的位置，其中，面阵探测器的X向是空间维，Z向是光谱维，面阵探测器的空间维上每一点光强选取依据是该点所对应的光谱维上的最大光强值，即光谱维上光强最大值对应的光强为空间维上一点的光强值，依次得到空间维一维方向上所有点的光强值，并将此光强值转化为归一化反射率，得到一维方向上归一化反射率系数；对于旋转对称样品，通过样品运动台带动待测样品绕z轴旋转180⁰并结合图像拼接，得到待测样品整个表面的反射率系数；对于非旋转对称样品，通过样品运动台带动待测样品沿Y轴方向平移并结合图像拼接，得到待测样品整个表面的反射率系数；

6.根据权利要求5所述的光学元件缺陷检测方法，其特征在于：所述的待测样品为曲面样品时，步骤(1)中的不同波长的线性阵列光线聚焦于曲面样品表面的不同高度处。

7.根据权利要求5所述的光学元件缺陷检测方法，其特征在于：所述的待测样品为平面样品时，步骤(1)中的不同波长的线性阵列光线聚焦于平面样品的不同深度处。