CN115479951A - 一种光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法及检测系统 - Google Patents

一种光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法及检测系统 Download PDF

Info

Publication number
CN115479951A
CN115479951A CN202211254039.7A CN202211254039A CN115479951A CN 115479951 A CN115479951 A CN 115479951A CN 202211254039 A CN202211254039 A CN 202211254039A CN 115479951 A CN115479951 A CN 115479951A
Authority
CN
China
Prior art keywords
defect
defects
simulation
light intensity
light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211254039.7A
Other languages
English (en)
Inventor
张佳瑞
李英
曾祥飞
赵梅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Qilu Zhongke Institute Of Optical Physics And Engineering Technology
Original Assignee
Qilu Zhongke Institute Of Optical Physics And Engineering Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Qilu Zhongke Institute Of Optical Physics And Engineering Technology filed Critical Qilu Zhongke Institute Of Optical Physics And Engineering Technology
Priority to CN202211254039.7A priority Critical patent/CN115479951A/zh
Publication of CN115479951A publication Critical patent/CN115479951A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N2021/0106—General arrangement of respective parts
    • G01N2021/0112—Apparatus in one mechanical, optical or electronic block

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)

Abstract

本发明涉及激光光学器件损伤检测技术领域，具体地涉及一种光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法及检测系统，包括：建立仿真模型样本库，所述仿真模型样本库包括各种形状的缺陷模型、缺陷附近电磁场分布以及缺陷光强分布；搭建超光滑表面缺陷检测系统，对超光滑元件表面缺陷检测；基于电场分布特征的三维尺度逆向识别。本发明能够解决检测系统中无法直接测缺陷深度宽度等三维尺度的问题，通过检测得到光强值，可以反向得到缺陷的具体形状；本发明是先通过仿真各种形状的缺陷，构建仿真模型库，得到各种形状缺陷附近的光场分布；能够得到具体的到缺陷的长、宽、深度等具体尺度数值，操作简便，检测高效。

Description

一种光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法及检测系统
技术领域
本发明涉及激光光学器件损伤检测技术领域，具体地涉及一种光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法及检测系统。
背景技术
近些年，超光滑表面缺陷成为影响激光损伤阈值的重要因素，为获得符合要求的超光滑表面，检测缺陷并准确指导加工是至关重要的。光学超光滑表面缺陷诱导损伤的基础是缺陷对光场的调制。尽管国内外研究人员对缺陷进行了大量的调研和研究，但是如何精准判断划痕的形状，以及精准定位划痕的三维尺度信息并没有较为详细的研究。
激光入射到工件表面会与表面发生相互作用，出射的散射光偏振发生改变，因此搭建检测系统进行划痕检测，其原理利用了超光滑表面缺陷对入射光进行调制，从而产生散射光。光通过光纤进入光谱仪，监测光场强度变化。目前亚表面缺陷检测只能完成亚微米级别的二维信息检测。但是缺陷的三维信息无法直接准确测得，且缺陷的长度、宽度等信息都需要定量检测。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提出设计一种光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法及检测系统，能够快速准确测得超光滑光学元件表面缺陷三维尺度信息，并能准确判断缺陷形状。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种光学元件表面缺陷类型及形状的检测系统，包括：
步骤1：建立仿真模型样本库，所述仿真模型样本库包括各种形状的缺陷模型、缺陷附近电磁场分布以及缺陷光强分布；
步骤2：搭建超光滑表面缺陷检测系统，对超光滑元件表面缺陷检测；
步骤3：基于电场分布特征的三维尺度逆向识别。
进一步的，步骤1中，所述仿真模型库建立方法步骤如下：
1-1、通过FDTD仿真模拟软件创建各种形状的缺陷模型；
1-2、通过仿真软件FDTD对各种形状的缺陷进行模拟，获得电磁场分布；
1-3、基于仿真软件FDTD得到缺陷附近的光场分布特征；
1-4、利用光场分布特征以及光强最大值、光强随深度变化等建立特征模型；
1-5、通过特征模型建立仿真模型库。
进一步的，步骤2中，搭建超光滑表面缺陷检测系统的方法步骤如下：
2-1.搭建检测系统；
2-2.超光滑表面散射成像，光纤耦合光谱仪检测光场变化；
2-3.提取光谱仪得到的场强分布，提取场强最大值、光强分布特点等。
进一步的，步骤3中，电场分布特征的三维尺度逆向识别的方法步骤如下：
3-1.建立同类型划痕评价函数；
3-2.创建搜索程序并直接获得模型库中场强分布；
3-3.判断仿真划痕与实际测量划痕光强是否一致：
实际中考虑到激光辐照大小、系统误差、缺陷自身误差的因素，即使IF(x)和IR(x)分别是同一个划痕参数下的仿真及实验测量得到的光强值，IF(x)和IR(x)不会完全一致，因此设定一个小量ε，并设置如下判断：
|IF(x)-IR(x)|＜ε，
当|IF(x)-IR(x)|满足上述公式时，判断IF(x)和IR(x)之间是相关的，则提取对应的仿真缺陷模型的三维信息，包括深度、宽度、形状等，以此作为实际的缺陷尺度信息；此时，认为仿真得到划痕相关数据与系统检测中的实际划痕数据是吻合的，可以将仿真模型中的数据作为实际划痕数据输出。ε取值通过仿真与实验来确定一个范围。若不满足上述公式，则会返回上个步骤。
进一步的，步骤3-1中，建立同类型划痕评价函数，具体如下：
在实验中，通过搭建光路，使入射光在超光滑表面缺陷处散射，光纤收集缺陷处的散射光，光纤耦合光谱仪，将收集到的散射光汇入光谱仪中，得到光场强度分布；
提取光场分布的特征，并提取光强最大值；实验得到缺陷处光强分布特征以及光强最大值与仿真库中的模型进行比较，当仿真库中的模型与实际测得的模型基本一致，即可采用仿真模型的三维尺度信息作为实际缺陷的尺度信息。
进一步的，用于实现所述检测方法的光学元件表面缺陷类型及形状的检测系统，包括依次设置的激光器、分光镜一、凸透镜一、凹透镜、分光镜二、凸透镜二、激光超光滑表面物件、光纤耦合器、光谱仪和电脑终端；所述光谱仪还与频管连接。所述激光器入射某波长的激光，通过扩散再汇聚，分光镜进行分光最后汇聚打到超光滑表面物件的表面上，此时缺陷处的入射光会发生散射，散射光通过光纤耦合器耦合到光谱仪中。
本发明建立合理的表面缺陷的3D仿真模型，基于时域有限差分法进行仿真模拟缺陷附近的电磁场分布，依据缺陷对高功率脉冲激光场的不同调制作用，建立不同缺陷形状的电磁场分布特征模型库，使用模型库反向判断缺陷的形状及三维尺度信息，结合检测系统，精准定位位置并得到相应的信息，提高检测效率和精度。
本发明的技术效果：
与现有技术相比，本发明能够解决检测系统中无法直接测缺陷深度宽度等三维尺度的问题，此外，通过检测得到光强值，可以反向得到缺陷的具体形状。本发明是先通过仿真各种形状的缺陷，构建仿真模型库，得到各种形状缺陷附近的光场分布。在实际检测中，通过光谱仪检测缺陷处的场强最大值，进入仿真库匹配得到三位尺度信息，可以具体的到缺陷的长、宽、深度等具体尺度数值，根据缺陷处的光场分布特征，逆向获取缺陷的具体形状。本发明所述方法搭配仿真模拟，创建搜索程序，操作简便，检测高效。
附图说明
图1为本发明光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法流程图；
图2为本发明仿真的实例模型界面；
图3为本发明FDTD仿真不同形状的缺陷光场分布特征，图3(a)为矩形缺陷，图3(b)为三角形缺陷；
图4为本发明不同深度下矩形缺陷散射光强随深度变化图；
图5为本发明三角形缺陷在不同宽度下最大光强值变化图；
图6为本发明光学元件表面缺陷类型及形状的检测系统光路图。
图中，1、激光器；2、分光镜；3、凸透镜；4、凹透镜；5、分光镜；6、凸透镜；7、超光滑表面物件；8、光纤耦合器；9、光谱仪；10、频管；11、电脑设备。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1：
如图1所示，本实施例涉及的一种光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法及检测系统，包括：
步骤1：建立仿真模型样本库，所述仿真模型样本库包括各种形状的缺陷模型、缺陷附近电磁场分布以及缺陷光强分布，具体包括：
1-1、通过FDTD仿真模拟软件创建各种形状的缺陷模型；
1-2、通过仿真软件FDTD对各种形状的缺陷进行模拟，获得电磁场分布；
1-3、基于仿真软件FDTD得到缺陷附近的光场分布特征；
1-4、利用光场分布特征以及光强最大值、光强随深度变化等建立特征模型；
1-5、通过特征模型建立仿真模型库。
步骤2：搭建超光滑表面缺陷检测系统，对超光滑元件表面缺陷检测；具体包括：
2-1.搭建检测系统；
2-2.超光滑表面散射成像，光纤耦合光谱仪检测光场变化；
2-3.提取光谱仪得到的场强分布，提取场强最大值、光强分布特点等。
步骤3：基于电场分布特征的三维尺度逆向识别；具体包括：
3-1.建立同类型划痕评价函数；
在实验中，通过搭建光路，使入射光在超光滑表面缺陷处散射，光纤收集缺陷处的散射光，光纤耦合光谱仪，将收集到的散射光汇入光谱仪中，得到光场强度分布；提取光场分布的特征，并提取光强最大值；实验得到缺陷处光强分布特征以及光强最大值与仿真库中的模型进行比较，找到类似的，并通过公式进行验证对比，若满足|IF(x)-IR(x)|＜ε公式，则说明仿真库中的模型与实际测得的模型基本一致，即可采用仿真模型的三维尺度信息作为实际缺陷的尺度信息；
3-2.创建搜索程序并直接获得模型库中场强分布；
3-3.判断仿真划痕与实际测量划痕光强是否一致：
实际中考虑到激光辐照大小、系统误差、缺陷自身误差的因素，即使IF(x)和IR(x)分别是同一个划痕参数下的仿真及实验测量得到的光强值，IF(x)和IR(x)不会完全一致，因此设定一个小量ε，并设置如下判断：
|IF(x)-IR(x)|＜ε，
当|IF(x)-IR(x)|满足上述公式时，判断IF(x)和IR(x)之间是相关的，则提取对应的仿真缺陷模型的三维信息，包括深度、宽度、形状等，以此作为实际的缺陷尺度信息；此时，认为仿真得到划痕相关数据与系统检测中的实际划痕数据是吻合的，可以将仿真模型中的数据作为实际划痕数据输出。ε取值通过仿真与实验来确定一个范围。若不满足上述公式，则会返回上个步骤。
本发明可以逆向判断缺陷的形状，通过搭建系统进行检测，得到光场分布特征，再通过数据库进行检索，判断相应划痕的形状。首先通过仿真软件FDTD进行仿真建立电磁理论模型，如图2所示，通过建立相对应的缺陷模型用计算机进行仿真深度等三维尺度信息，模拟缺陷附近的光场分布特征。
如图6所示，为光学元件表面缺陷类型及形状的检测系统光路图，包括依次设置的激光器1、分光镜一2、凸透镜一3、凹透镜4、分光镜二5、凸透镜二6、激光超光滑表面物件7、光纤耦合器8、光谱仪9和电脑终端11；所述光谱仪9还与频管10连接。所述激光器1入射某波长的激光，通过扩散再汇聚，分光镜进行分光最后汇聚打到超光滑表面物件7的表面上，此时缺陷处的入射光会发生散射，散射光通过光纤耦合器8耦合到光谱仪9中。图3为两种不同形状的表面缺陷处光场分布特征，左边为矩形划痕的光场分布图，右边是三角形划痕的光场分布图，通过光场分布特征的不同，逆向在仿真模型库中匹配相应的划痕形状，得到精确的结果。
本发明能够对超光滑元件表面缺陷的深度以及宽度信息进行定量检测，提高检测的精度。首先根据如图2在仿真软件FDTD中建立表面缺陷的模型，用建立的模型对缺陷的深度及宽度进行仿真，并模拟得到该缺陷在像面上的散射光强分布，提取光强值。
图4为不同深度下仿真模型的光强值变化情况，可以看到，矩形缺陷在不同深度下的最大光强值在不断地变化，随着深度的增加，光强最大值逐渐增大。图5为不同宽度下仿真模型的最大光强值变化情况，可以看到三角形缺陷在不同宽度下最大光强值在不断地变化，最大光强值也随宽度的增加而呈现增强的趋势，因此可以使用最大光强值等参数对某一形状的缺陷进行深度或宽度的区分。这种逆向定量检测缺陷三维尺度的方式，不需要进行设备扫描或者多维度重建等复杂的检测方式，操作方便，检测效率和准确率都大大提高。
超光滑表面缺陷模型可以实现对表面缺陷检测的逆向判断，建立数据库可以为缺陷形状的判定、尺度信息的判定提高理论基础，不仅可以判断形状，也可以定量得到缺陷的宽度、深度等尺寸，通过实验，进行匹配，实现缺陷尺度的逆向判定，提高检测效率。
上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式，任何符合本发明权利要求书且任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应落入本发明的专利保护范围。

Claims (6)

1.一种光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法，其特征在于：包括：
步骤1：建立仿真模型样本库，所述仿真模型样本库包括各种形状的缺陷模型、缺陷附近电磁场分布以及缺陷光强分布；
步骤2：搭建超光滑表面缺陷检测系统，对超光滑元件表面缺陷检测；
步骤3：基于电场分布特征的三维尺度逆向识别。
2.根据权利要求1所述的光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法，其特征在于：步骤1中，所述仿真模型库建立方法步骤如下：
1-1、通过FDTD仿真模拟软件创建各种形状的缺陷模型；
1-2、通过仿真软件FDTD对各种形状的缺陷进行模拟，获得电磁场分布；
1-3、基于仿真软件FDTD得到缺陷附近的光场分布特征；
1-4、利用光场分布特征以及光强最大值、光强随深度变化建立特征模型；
1-5、通过特征模型建立仿真模型库。
3.根据权利要求1所述的光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法，其特征在于：步骤2中，搭建超光滑表面缺陷检测系统的方法步骤如下：
2-1.搭建检测系统；
2-2.超光滑表面散射成像，光纤耦合光谱仪检测光场变化；
2-3.提取光谱仪得到的场强分布，提取场强最大值、光强分布特点。
4.根据权利要求1所述的光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法，其特征在于：步骤3中，电场分布特征的三维尺度逆向识别的方法步骤如下：3-1.建立同类型划痕评价函数；
3-2.创建搜索程序并直接获得模型库中场强分布；
3-3.判断仿真划痕与实际测量划痕光强是否一致。
5.根据权利要求4所述的光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法，其特征在于：步骤3-1中，建立同类型划痕评价函数，具体如下：
在实验中，通过搭建光路，使入射光在超光滑表面缺陷处散射，光纤收集缺陷处的散射光，光纤耦合光谱仪，将收集到的散射光汇入光谱仪中，得到光场强度分布；
提取光场分布的特征，并提取光强最大值；实验得到缺陷处光强分布特征以及光强最大值与仿真库中的模型进行比较，当仿真库中的模型与实际测得的模型基本一致，即可采用仿真模型的三维尺度信息作为实际缺陷的尺度信息。
6.根据权利要求1-5任一项所述的光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法，其特征在于：用于实现所述检测方法的光学元件表面缺陷类型及形状的检测系统，包括依次设置的激光器、分光镜一、凸透镜一、凹透镜、分光镜二、凸透镜二、激光超光滑表面物件、光纤耦合器、光谱仪和电脑终端；所述光谱仪还与频管连接。
CN202211254039.7A 2022-10-13 2022-10-13 一种光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法及检测系统 Pending CN115479951A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211254039.7A CN115479951A (zh) 2022-10-13 2022-10-13 一种光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法及检测系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211254039.7A CN115479951A (zh) 2022-10-13 2022-10-13 一种光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法及检测系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115479951A true CN115479951A (zh) 2022-12-16

Family

ID=84395658

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211254039.7A Pending CN115479951A (zh) 2022-10-13 2022-10-13 一种光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法及检测系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115479951A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117232790A (zh) * 2023-11-07 2023-12-15 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 基于二维散射实现光学元件表面缺陷的评估方法及系统

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117232790A (zh) * 2023-11-07 2023-12-15 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 基于二维散射实现光学元件表面缺陷的评估方法及系统
CN117232790B (zh) * 2023-11-07 2024-02-02 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 基于二维散射实现光学元件表面缺陷的评估方法及系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109916909B (zh) 光学元件表面形貌及亚表面缺陷信息的检测方法及其装置
CN104833679B (zh) 一种微观缺陷三维尺度逆向标定及检测方法
CN103616165B (zh) 光纤损耗测量系统
CN103543125B (zh) 基于迈克尔逊干涉原理的全光学气体探测方法及装置
CN103175837B (zh) 一种检测基质内缺陷的方法及装置
CN102661855A (zh) 基于光学相干断层扫描检测渐进多焦点眼镜片的方法及系统
CN115479951A (zh) 一种光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法及检测系统
CN105092585A (zh) 基于全内反射及光学相干层析的亚表面测量装置及方法
KR101368930B1 (ko) 시뮬레이트 회절 신호 입력을 가진 서포트 벡터 머신을 이용하는 광학 계측 방법
CN106959206A (zh) 基于光热弱吸收的熔石英元件零概率损伤阈值预测方法
CN106289726A (zh) 一种光子带隙光纤背向散射分布式测量方法及装置
CN108592829A (zh) 一种非接触测量深孔内表面粗糙度的测量装置和方法
CN202049112U (zh) 一种珍珠质量检测装置
CN107153050B (zh) 一种折射率匹配的装置以及方法
TWI805876B (zh) 用於大量生產程序監視之寬鬆耦合檢查及計量系統
CN109407365B (zh) 激光作用下液晶光栅器件衍射效率的测量装置及方法
CN105277131A (zh) 三维孔结构的测量装置与测量方法
CN109425409B (zh) 一种光电式液位测量装置及方法
CN104062299A (zh) 采用放大自发辐射光源测试光学元件损伤阈值装置和方法
CN207516312U (zh) 激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测系统
Tosi et al. Performance analysis of a noncontact plastic fiber optical fiber displacement sensor with compensation of target reflectivity
Zapata-Valencia et al. Automatic method to measure the numerical aperture of a propagating Gaussian light beam.
CN104792732A (zh) 一种光源分布自参照的折光计
CN205581024U (zh) 透射型合成孔径数字全息术的光学元件表面疵病检测装置
WO2020158033A1 (ja) 光パルス試験装置、及び光パルス試験方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination