（光学工程专业论文）光学元件表面疵病检测扫描拼接的误差分析.pdf

浙江人学硕十论文 摘要 利用子孔径扫描拼接实现大口径光学元件表面疵病的高精度数字化评价，是 i c f ( i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ) 系统中光学元件检测的主要环节。为实现大口径光 学元件表面疵病的高精度检测，本文分析了大口径光学元件表面疵病检测扫描拼 接的各种误差，提出了相应的减小全孔径拼接误差的方法，成功地实现全孔径的 正确拼接，从而为大口径光学元件表面疵病的正确评定打下坚实的基础。 全孔径拼接错位的主要误差源有：扫描系统的定位误差、扫描系统x y 导轨 的垂直度误差以及c c d 坐标与扫描轨迹坐标间存在夹角。针对这些误差，论文 建立了误差分析的数学模型，从理论上计算了对称误差和非对称误差的累积误差 的期望值，为进一步认识这些误差对全孔径拼接的影响奠定基础。 本文重点分析了影响全孔径拼接最敏感的误差源叫c d 坐标与扫描轨迹 坐标间存在夹角，创新性地建立了计算两坐标系间夹角大小的数学模型，推导出 计算两坐标系夹角的计算公式，提出一种全新的高精度测量两坐标系间夹角的方 法，构建了高精度的c c d 旋转系统，提出根据所测量的两坐标系夹角大小利用 c c d 旋转系统的调整，将两坐标系间夹角减小至最大容差以内，确保全孔径的正 确拼接。根据定位误差的随机性、对称性的特点，本文提出通过沿扫描路径拼接 以减小拼接误差。导轨的垂直度误差属系统误差，其在全孔径的拼接过程中体现 出非对称性，要减小这种误差可以通过测量导轨垂直度，再利用软件补偿给予减 小。 编写了功能完善的大口径光学元件表面疵病自动检测程序。该程序包括：进 行标准比对的定标采集模块、子孔径扫描采集模块以及c c d 坐标与扫描轨迹坐标 间夹角的自动调整模块。该程序的使用使系统能自动完成任意m n 子孔径的扫 描，为实现大口径光学元件自动化检测奠定了基础。 关键词：表面缺陷检测表面散射子孔径拼接误差分析大口径光学元件 浙江人学硕 ：论文 a bs t r a c t s u b - a p e r t u r es c a n n i n gs t i t c h i n gi s u s e df o rs u r f a c ed e f e c t sd e t e c t i n go fl a r g e a p e r t u r eo p t i c a lc o m p o n e n t s ，a n di tp l a y s a ni m p o r t a n tp a r ti nt h eo p t i c a lc o m p o n e n t s d e t e c t i n gi ni n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o ns y s t e m t h i sp a p e ra n a l y s e sa l lt h es t i t c h i n g e r r o r so ft h el a r g ea p e r t u r eo p t i c a lc o m p o n e n t ss u r f a c ed e f e c td e t e c t i n g ，a n dp r o p o s e s t h em e t h o dh o wt or e d u c et h e s ee r r o r s b yu s i n gt h i sm e t h o d ，t h ef u l l - a p e r t u r ec a nb e s t i t c h e dw i t h o u ta n ys t i t c h i n ge r r o r s ，s ot h ee v a l u a t i o no fd e f e c t sc a r lb ei m p r o v e d g r e a t l y e r r o r so ff u l l a p e r t u r es t i t c h i n gi n c l u d ep o s i t i o n a le r r o ro ft h et r a n s l a t i n gs y s t e m ， t h ep e r p e n d i c u l a re r r o ro fs c a n n i n gt r a c ea n dt h ea n g l eb e t w e e nt h ec o o r d i n a t eo f c c da n dc o o r d i n a t eo fs c a n n i n gt r a c e t h ep a p e re s d a b l i s h e sam a t h e m a t i c a lm o d e l o fe r r o ra n a l y s i s ，a n dc a l c u l a t st h em a t h e m a t i c a le x p e c t a t i o no fa c c u m u l a t e de r r o ro f a s y m m e t r ya n ds y m m e t r ye r r o r ，w h i c hh a v eag r e e ti m p o r t a n c ef o rt h ee r r o ra n a l y s i n g o ff u l l - a p e r t u r es t i t c h i n g ac c dr o t a t i n g s y s t e mi s e s t a b l i s h e dt oa d j u s tt h ea n g e lb e t w e e nc c d c o o r d i n a t ea n ds c a n n i n gc o o r d i n a t ew h e nt h ea n g l ei sc a l c u l a t e d b yu s i n gt h e s e m e t h o d s ，f u l l a p e r t u r ec o u l db es t i t c h e dw i t h o u ta n ys t i t c h i n ge r r o r s w i t ht h ef e a t u r e o f r a n d o m n e s sa n da s y m m e t r y , p o s i t i o n a le r r o ro ft h et r a n s l a t i n gs y s t e mc o u l db e r e d u c e db ys t i t c h i n ga l o n gs c a n n i n gt r a c e t h ep e r p e n d i c u l a re r r o ro fs c a n n i n gt r a c ei s b e l o n gt os y s t e m a t i ce r r o r , a n di ta f f e c t sf u l l a p e r t u r es t i t c h i n gb yi t sa s y m m e t r y t h e p e r p e n d i c u l a re r r o ro fs c a n n i n gt r a c ei sm e a s u r e da c c u r a c i l yi no r d e rt or e d u c ei tb y t h es o f t w a r ec o m p e n s a t i o n as o f t w a r ew h i c hi su s e df o ra u t o m a t i cc o l l e c t i o no fs u b a p e r t u r ei sp r o g r a m m e d t h es 0 1 a r ec o n t a i n st h ep i c t u r ec o l l e c t i o no fp i c k e t a g e ，s u b a p e r t u r ec o l l e c t i o na n d t h ea u t o m a t i ca d u s t i n gf o rt h ea n g l eb e t w e e nc c dc o o r d i n a t ea n ds c a n n i n gt r a c e t h u s ，t h es y s t e mc a nc o l l e c tm x ns u b a p e r t u r ea r r a y sa u t o m a t i c a l l y , a n di tp l a y sa n b a s e m e n tp a r ti nd e f e c t sd e t e c t i n go fl a r g ea p e r t u r ec o m p o n e n t s k e yw o r d s ：s u r f a c ed e f e c td e t e c t i n g ；s u r f a c es c a t t e r i n g ；e r r o ra n a l y s i so fs u b a p e r t u r e s y n t h e s i s ；l a r g ea p e r t u r eo p t i c a lc o m p o n e n t s 浙江大学硕士论文 第一章绪论弟一早瑁了匕 1 1 精密表面缺陷概述 光学零件的表面疵病是指光学零件经抛光加工后光学零件表面存在的麻点、 擦痕、开口气泡、破点及破边等加工缺陷。这些缺陷直接决定了光学系统的质量， 从而影响着整个产品的质量。所以，对这些加工缺陷必须严格控制。但是，这些 加工缺陷又是不可避免的，只能根据光学零件的使用需求，按照费效比最佳的原 则，在设计的时候，对光学零件表面疵病提出合理的要求。加工时，根据设计的 要求，选择最经济的加工方法，加工出合格的零件。疵病相对于其他缺陷来讲， 其在表面上的分布是随机的，并且只是小范围内，而其对整个元件工作的影响却 是集中且破坏力强。目前在系统集成度高，研究精度高等要求下，元件的高质量 成为系统正常工作的重要保证。因此对疵病的研究和检验成为精密表面元件质量 控制工作中的重要组成部分，疵病检测工作也日益受到重视。 超精密表面各工业领域中都有广泛的应用，目前主要集中在两个方面：一是 以强激光、短波光学等为代表的工程光学领域，如：激光聚变系统、紫外光学系 统、x 射线光学系统、x 射线激光系统、高温等离子体诊断等光学领域。在这类 系统中，为了减小散射损失，提高抗破坏阈值所用的光学组件都应精密和光滑。 二是以大规模集成电路基片等器件为主的电子工业领域。 光学零件的表面疵病是指光学零件经过抛光加工后光学零件表面存在的麻 点、划痕、开口气泡、破点及破边等加工缺陷n 2 1 ，由制作加工流程中或后续的 不当处理而造成的。最为常见的光学表面疵病是划痕、麻点和开口气泡。划痕是 光学零件表面上的长条形划伤。在高倍显微镜下可以看到，细划痕的底部比较平 整，边缘较齐。根据划痕长度分为长划痕和短划痕，其中长度大于2 m m 的划痕属 于长划痕，反之则为短划痕。对于短划痕，在检测时以其累计长度进行评价。 麻点是光学表面上的凹坑或蚀坑，其坑内表面的粗糙度较大，边缘也不规 则。一般的麻点疵病其等效直径不大于4 5 0 u m 。气泡是由玻璃熔炼过程中未排除 的气体所形成的，由于气体压力给向均匀，所以气泡一般呈规则的球形。 浙江大学硕十论文 1 2 光学元件加工特点 随着科学技术的发展，超精密表面在现代光学及光电子学科领域发挥着重 要的作用。并且对精密元件表面的质量要求越来越高，这就向超精密表面的加工 和检测技术提出了更高的要求。以目前美国正在建造的世界上最大的激光核聚变 设施“国家点火装置( n a t i o n a l i g n i t i o nf a c i l i t y 简称n i f 装置) 为例，它就 是一项庞大而又相当巨型的光学工程。该工程光对光学元件的要求无论是质量上 还是数量上都是前所未有的。总体需要约7 5 0 0 件4 2 c m x 4 2 c m 以上尺寸的大口径 光学元件，加上备份元件和小口径元件总计共需约3 0 0 0 0 件，这给光学生产造成 了巨大的压力。在这近万件光学元件，其中2 8 c m 2 8 c m 以上尺寸的大口径光学 元件的需求量为3 0 0 0 件以上。这些大尺寸元件从加工方面主要有以下特点口1 ： 元件精度要求高 在传统的光学元件精度指标中，给的是元件的面形精度，而在高功率激光 中出的是元件的综合精度指标一光波波前误差。对反射元件要求的是反射波前畸 变，对透射元件要求的是透射波前畸变，分别要求为： 反射波前畸变p v ( p e a k - v a l l e y ) 值小于入4 ( 入= 0 6 3 2 8 u m ) ； 透射波前畸变p v 值小于入6 ； 对于反射元件而言，可以通过控制元件的面形精度达到要求的波前畸变( 垂 直反射时面形p v 值精度应小入8 ) 。对于透射元件不仅要考虑元件的面形精度， 还要考虑元件材料对加工精度的影响，而且，对材料造成的误差要有一定的补偿 措施。另外，为了提高元件的抗激光损伤能力和提高光束质量，对元件的微观表 面粗糙度也提出了严格的要求，要求元件表面粗糙度小于1 n m ( r m s 值) 。如果达 不到设计要求，将会对激光光束的波前造成影响，激光波前质量不好则会引起聚 焦焦斑进入靶腔时产生堵孔现象，焦斑能量分布不均匀，甚至会对整套强激光系 统造成灾难性的破坏。 元件尺寸大 在高功率激光装置中，特别大的光学元件口径可达4 6 0 m ( 方形或矩形元件 按对角线计算) 。对于高精度光学元件而言，这无疑是很大的尺寸了。特别要指 出的是，这些大尺寸元件均是非圆形件，要么是方形要么是矩形，若采用传统的 古典法加工工艺加工非圆形的球面或非球面元件，将是非常困难的。 浙江人学硕士论文 大尺寸元件数量多 前面我们已经看到，高功率激光装置中对大尺寸高精度光学元件的需求量 是非常大的。我国目前大尺寸高精度光学无论在加工水平还是检测水平都还比较 落后。 系统中的大口径光学元件表面缺陷、划痕、碎边等各种疵病的存在将造成 不同程度的散射，由于散射激光系统会出现各种问题，如大大消耗光能量，引入 光的非线性，分散光能量，同时也可能引入严重的衍射而造成光学元件新的损伤， 破坏膜层等，所以往往由于一个或几个较大的疵病而会严重影响整个系统的运 行。 在i c f ( i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n 强激光惯性约束聚变) 驱动系统中， 采用了大口径光学元件，大口径光束经过聚焦成为足够小、能量集中的光斑通过 靶洞进入靶室。因此i c f 中大口径、高精度和高阈值光学元件的加工质量是影响 激光光束质量众多因素中最主要的因素之一。要达到i c f 系统需要的聚焦光斑性 能要求，必须对光学元件的加工质量进行精确评价和严格控制。由此i c f 光学元 件采用类同于国际i s o l 0 1 1 0 - 7 的疵病标准，要求对精密表面疵病进行严格检测 控制。因此发展先进光学制造技术以提高大尺寸高精度光学元件的加工质量和检 测效率，是确保高功率激光装置工程顺利实施的基础。要解决这一技术难题，急 需一套高效率的大口径光学表面数字化检测系统。本课题就是在这样的背景下提 出来的。 1 3 光学元件表面疵病检测标准 光学零件的表面疵病是指光学零件经抛光加工后，光学零件表面存在的麻 点、擦痕、开口气泡、破边等加工缺陷。这些表面不但由于散射将消耗光束的能 量，同时也可能引入严重的衍射调制造成光学元件新的损伤。所以，对加工缺陷 必须严格控制。但是，加工产生的缺陷又是不可避免的，只能根据光学零件的使 用需求，按照最优可行原则，在设计的时候，对光学零件表面疵病提出合理的要 求。加工时，根据设计的要求，选择较经济的方法，加工出合格零件。 国家标准 国家标准光学零件表面疵病正是为了满足设计、生产和检验的需要而提 浙江人学硕1 ：论文 出的。有关光学零件表面疵病的国家标准g b1 1 8 5 7 4 光学零件表面疵病是1 9 7 4 年首次发布实施的瞳8 儿1 3 1 。它是我国光学领域的一项重要的基础标准，是规范光 学零件抛光加工质量的依据。但是，随着国家光学行业技术水平的不断进步，g b 1 1 8 5 - 7 4 己不能适应发展的需要，现行的国家标准g b1 1 8 5 8 9 光学零件表面疵 病应运而生。现行标准与旧标准相比，在内容上发生了重大的变化。旧标准是 以光学零件表面的麻点直径及数量、擦痕宽度及总长度、有效口径作为一组要素 进行标准化，而新标准是将光学零件表面疵病的总个数和面积作为标准化要素， 构成其技术要求的核心。g b11 8 5 8 9 1 7 中规定表面疵病标注形式( 一般标注) 为：b g x j 其中，b 为表面疵病标号，共十个等级即0 、i 1 0 、i 一2 0 、i - - 3 0 、i i 、 i i i 、i v 、v 、v i 和级，其中0 级“在规定检验条件下，不允许有任何疵病”、i 一1 0 级的最大麻点直径为中o 1 l m n l 。g 为允许的表面疵病数目，j 疵病面积的平 方根，j 值在标准中则规定了1 8 个级别。这样，g 和j 可以组合成许多的系列群。 所以，现行标准的疵病分级是以总的疵病面积来进行标准化的，不管是麻点、擦 痕还是其它计入考核的疵病，均以其面积计算。其中某种疵病少一点，其它种类 的疵病就可以多一点，它们之间是互补的，只要总面积不超过规定的疵病级别所 允许的疵病面积就行了。表面疵病与光学零件的有效孔径无任何关系，也就是说， 在现行标准中，光学零件的有效孔径不再是一项标准化要素了。 欧洲各国的标准 英国国家标准b s 4 3 0 1 用可见度( v i s i b i l i t y ) 或划痕的等效线宽( l e w ) 来描 述疵病的严重程度啼1 。所谓等效线宽，对于透射性元件，是指在亮场下和一些不 透明的己知线宽比较，如果两者可见度相同，则认为两者线宽等效：对于反射性 元件，是和反射基片上的一些透明的已知线宽比较。该标准把疵病分为四个等级。 对于表面疵病严重程度，德国国家标准d i n 3 1 4 0 是把疵病与一块刻有不同长 度和宽度的线条板比较而得到的面积来描述的，它没有对线宽进行限制。在用疵 病对光的偏转量来划分疵病的严重程度方面，它等同于英国的现行标准。法国在 疵病检验方面有自己独特的方法田1 。在暗场照明的情况下，疵病的亮像可以通过 改变引入测量场的背景光强来把疵病的可见度降为零。在背景光强一定时，人眼 刚能分辨疵病时的照射到样品上的光强与疵病的大小成反比。在实验检验上，对 于透射和反射两种情况有不同的实验安排，并且分别为之制定了五个等级的表面 4 浙江大学硕士论文 划痕可见度。 国际标准i s 01 0 11 0 7 表面疵病公差 该标准由国际光学系统及光学仪器委员会i s 0 t c l 7 2 及分委会s c l 负责拟 定。国际标准i s 0 1 0 1 1 0 - 7 中规定，允许表面疵病的标识由一个代码和一个数值 项组成，表面疵病的标识代码为5 。而数值相则根据采用的检验方法不同而有不 同的表示。 方法一： ( 1 ) 常规表面疵病标识 一个表面的有效孔径内允许的常规表面疵病标识为：5 nxa 其中，n 表示最大允许尺寸的表面疵病的允许数目；a 为疵病级别数，等于其最 大允许疵病的表面面积的平方根，以毫米为单位。这一点疵病标识方法与我国国 家标准类似。 ( 2 ) 长划痕疵病标识 长划痕( 长于2 m m ) 标识在常规表面疵病标识之后，两者用分号相隔。在 有效孔径内其允许值表示为：l n 。x a 。 其中，i 长划痕标识，n 。长划痕疵病允许数目，a ”划痕的最大 允许宽度，用毫米表示。 ( 3 ) 破边标识 破边标识在常规表面疵病标识之后，如果标识中给出了长划痕疵病的标识， 破边标识放在长划痕标识之后，各个标识之间用分号隔开。破边具体标识为：e a ” 其中，卜破边名称，a ”级别数，规定破边物理边缘的最大允许延伸，用 毫米表示。任何数目的破边都是允许的，只要其边缘的延伸不超过a ”。 因此一个完整的表面疵病标识应包括长划痕和破边标识，具体形式为： 5 n x a ；l n ”a 。；e a ” 方法- - 在该方法中整个光学元件都会被测试，所有光学有效表面上的缺陷，包括材 料缺陷( 气泡和内容物) 均可同时被检测到。其与方法一的根本性区别是：方法 一是分离的测量各表面，而方法二从整个平面着手。 浙江大学硕：t 论文 ( 1 ) 常规表面疵病标识 光学元件的表面疵病可见度的标识方法为：5 t v 或5 r v 其中，标识中的t 表示透射测试，而r 表示反射测试，v 是可见度等级，其值是 从1 到5 之间的整数，1 代表最严格的表面疵病要求，而5 则代表对疵病的要求 最弱。 这一可见度标识方法与前面所讨论到的法国国家标准的评价方法有类似之 处。 ( 2 ) 破边标识 在方法二中，若需单独标注出破边时，将破边标识标注于常规标注之后，用 分号将两者隔开，其标识方法与方法一相同：e a ”。 在方法二中，一个完整的表面疵病标识形式应为： 5 t v ：e a ”或5 r v ；e a ”。 在上述各个国家表面疵病标准的讨论中可以看出，尽管每个国家在疵病标识 和疵病严重程度评价上有着不同的具体形式，但是在具体理解应用中，相互之间 有着一些共同点：有的形式上类似，具体表达的编号不同而已；有的在标准制定 中有着类似的一套准则和参考值；在疵病标识的相互换算中所遵循的主要原则是 相同的；特别是国际标准i s 0 1 0 1 1 0 - 7 ，其两种不同的检测方式和评价、标识方 法正好有效的兼顾了各国标准。这也说明了随着科技的发展和世界一体化，光学 检测领域亦要朝着这个大方向发展，才能更有效的促进国际间的合作与交流。建 立一个适合各国的，统一的国际标准，对表面疵病检测领域的发展有着重要的意 义。 对于i c f 大口径光学元件来讲，其表面疵病的标注方法遵照国际标准 i s 0 1 0 11 0 - 7 中方法一的标注方式。这种标注方法也是目前光学加工行业中较为 流行的一种标注方式，同时它与我国新国标g b l l 8 5 - 8 9 在基本思想上是一致的， 具体表达方式其实也一样。 1 4 论文的主要研究内容 为实现大口径光学元件表面疵病的高效率、高精准的检测，本文提出一种 能分辨微米级疵病的光学显微散射扫描成像检测系统，因为该检测系统单个子孔 6 浙江大学硕士论文 径的物方视场为毫米级，所以检测大口径光学元件需对x 、y 方向进行子孔径扫 描成像并将子孔径图拼接成同一坐标系下的全孔径图。在进行扫描时，系统的机 构误差会被引入到子孔径列阵中，导致子孔径拼接处产生像素错位，甚至造成拼 接断裂的情况，从而严重影响疵病等级及位置的正确评定。鉴于此，本文对影响 全孔径拼接的各种误差因素进行了分析，并根据其特点找到合理减小误差的方 法，得到很好的效果，本文主要包括以下内容： 从原理上分析了现有的精密光学元件表面的各种检测方法的优点和不足 之处。针对目前检测对象表面的特性和检测技术要求，多方面参考各类疵病检测 方法，为本课题的进一步开展打下坚实基础。 基于新颖的的显微散射成像数字化检测系统，分析了该系统的总体结构， 说明了主要的硬件模块：照明系统、光学成像系统、图像采集系统、扫描平移系 统。介绍了各硬件模块的设计、安装、调整方法和工作性能。 在全孔径拼接的主要算法匹配拼接和坐标直接拼接相结合的基础 上，重点分析引起全孔径拼接错位的各种误差因素的特点，找出合理减小误差的 方法。对影响全孔径拼接最敏感的误差因素叫c d 坐标与扫描轨迹坐标间存在 夹角进行了重点研究，分析了这一误差的累积性和非对称性的特点，提出将两坐 标系间夹角减小至不影响全孔径拼接的最大容差之内的方法。搭建了c c d 旋转系 统，并对两坐标夹角进行了调整，证实了该方法的实用性。 编写了功能完善的大口径光学元件表面疵病自动检测程序。该程序包括： 进行标准比对的定标采集模块、子孔径扫描采集模块以及c c d 坐标与扫描轨迹坐 标间夹角的自动调整模块。该程序的使用使系统能自动完成任意m x n 子孔径的 扫描，为实现大口径光学元件自动化检测奠定了基础。 对本论文所做工作进行了总结，提出了在光源照明方面需要改进之处， 同时，提出利用软件补偿的方法减小垂直度误差对全孔径拼接影响的新思路。 浙江人学硕上论文 参考文献 【1 】戴名奎，徐德衍，光学元件的疵病检验与研究现状，光学仪器，1 9 9 6 ( 3 ) ，p 3 3 3 6 【2 】 光学表面疵病g b l l 8 5 - - 8 9 中华人民共和国标准计量局1 9 9 0 【3 】a l i n eh u a r d v i s i b i l i t ym e t h o dt oc l a s s i f ym i c r o s c o p i cs u r f a c ed e f e c t sf o rb o t h r e f l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e m s p r o c s p i e 1 9 8 5 5 2 5 ：3 6 4 2 【4 】i s 0 1 0 11 0 ：光学系统及光学仪器光学元件及系统的图纸设备，1 9 9 6 【5 】l r b a k e r , “m i c r o s c o p ei m a g ec o m p a r a t o r ，o p t a c t a , 19 8 4 ，3l ( 6 ) ，p 61l - 614 【6 】l r b a k e r , “i n s p e c t i o no fs u r f a c ef l a w sb yc o m p a r a t o rm i c r o s c o p y ”，a p p l o p t ，19 8 8 ， 2 7 ( 2 2 ) ，p 4 6 2 0 4 6 2 5 【7 】r c o r m a c k , k m j o h s o n ，l i nz h a n ga n dw t h m a sc a t h e y , “o p t i c a li n s p e c t i o no f m a n u f a c t u r e dg l a s su s i n ga d a p t i v ef o u r i e r f i l t e r i n g ，o p t e n g ，19 8 8 ，2 7 ( 5 ) ， p 3 5 8 - 3 6 3 8 】p a u le k l i n g s p o m ，“d e t e r m i n a t i o no f t h ed i a m e t e ro f a ni s o l a t e ds u r f a c ed e f e c t b a s e do nf r a u n h o f e rd i f f r a c t i o n ”，a p p l i e do p t i c s ，1 9 8 0 ，1 9 ( 9 ) ，p 1 4 3 5 - 1 4 3 8 【9 】果宝智，光学零件表面疵病的标识，激光与红外，2 0 0 0 ( 2 ) ，p 1 2 3 1 2 5 【l o 】沈卫星，相干滤波成像系统测量光学元件表面疵病，光学技术，2 0 0 0 ( 4 ) ，阶 p 3 6 1 3 6 5 【1 l 】武勇军，白闻喜，激光衍射图样识别法检验光学零件表面疵病，光学技术，1 9 9 6 ( 4 ) ，p 4 6 1 2 】王元庆，表面疵病的掠射法检测，应用激光，1 9 9 8 ，1 8 ( 2 ) ，p 5 5 5 8 【1 3 】张晓，杨国光，光学表面疵病的激光频谱分析法及其自动检测仪，仪器仪表学报， 1 9 9 4 ，1 5 ( 4 ) ，p 3 9 6 3 9 9 【1 4 】李义安，国家标准光学零件表面疵病的实施，电光与控制，1 9 9 9 ( 1 ) ，p 5 8 6 2 【is m a t ty o u n g , “t h es c r a t c hs t a n d a r di so n l yac o s m e t i cs t a n d a r d ”，l a s ef c o u s ，19 8 5 ， p 1 3 8 1 4 0 8 浙江大学硕十论文 【16 e r e i c ha n dw j c o l e m a n ，“h i g h - s p e e ds u r f a c ef l a wi n s p e c t i o n ”，o p t e n g ，19 7 6 ， 1 5 ( 1 ) ，p 4 8 5 1 【1 7 h o r s tt r u c k e n b r o d t , a n g e l ad u p a r r 6a n du w es c h u h m a n n ，“r o u g h n e s sa n dd e f e c t c h a r a c t e r i z a t i o no fo p t i c a ls u r f a c e sb yl i g h ts c a a e d n gm e a s u r e m e n t ”，p r o c s p i e ， 1 9 9 2 ( 1 7 8 1 ) ，p 1 3 9 - 1 5 1 【18 g u o g u a n gy a n g ，w e n l i n gg a oa n ds h a n g y ic h e n g , a u t o m a t i ci n s p e c t i o nt e c h n i q u e f o ro p t i c a ls u r f a c ef l a w s ，p r o c s p i e ，1 9 9 0 ( 1 3 3 2 ) ，p 5 6 - 6 3 9 浙江人学硕 ：论文 第二章大口径光学元件表面疵病检测系统 2 1 国内外光学元件疵病主要检测方法与分析 与重视光学表面粗糙度的研究和测试技术的发展一样，光学表面疵病的检验 在国外也予以相当的重视，从新近的检验方法研究表明，即使适于高质量用途的 光学表面也存在疵病。考虑到光学元件( 或系统) 往往因一个或几个较大的疵病而 影响到整个元件( 或系统) 的美观或功能，另外，考虑到疵病在光学元件上出现的 随机性，疵病的检验方法不能像检验表面粗糙度那样用抽样取平均之类的处理方 式，而必须查找元件有效孔径内的所有可能的疵病。 人们对光学元件的疵病要求主要是从以下两个方面来考虑的。( 1 ) 从美观上 考虑，如：照相机镜头的前片透镜、眼镜、窗e l 玻璃、目镜、聚光镜等。( 2 ) 从功能上考虑，如：高功率激光透镜组、显微镜头、激光反射镜、量板、光栅、 偏振平板等。至于表面疵病如何影响元件的工作不是用一两句话可回答的，但其 主要影响是造成散射、能量吸收、有害的炫耀、衍射花纹、膜层破坏、激光损伤 等。随着现代光学技术，尤其是高功率激光技术的发展，对光学元件的加工与检 验提出了近乎苛刻的要求。就检验而言，目前国内外大都根据疵病对光的散射性 来检测精密光学表面的疵病，按检测方法主要分为成像法和能量法砸卜n 刳。 成像法有目测法、虚像叠加比较法、滤波成像法和掠射法。 目测法是目前国内工程上使用最为广泛的检测方法，该方法是在暗场照明 的情况下使用光学放大镜，人工肉眼直接观测表面疵病，人工判断疵病等级。虚 像叠加比较法是将放大的疵病虚像与未放大的标准板上的线宽进行人- r - e l 较，从 而得出疵病大小。滤波成像法采用空间高通( 或低通) 滤波器，使高频为主要成分 的疵病散射光进入( 或不进入) 接收器，从而形成疵病的亮像( 或暗像) ，通过图像 判明疵病的大小。掠射法采用h e n e 激光为光源，以一定入射角和光斑大小， 逐点扫描被测面而获得整个表面的疵病图像。 目测法的检测结果受人为主观因素的影响，灵敏度低，标定比较困难。虚 像叠加比较法虽提高了1 5 - - - , 3 0 倍的视觉敏锐度，但检测结果同样受到主观因素 的制约。滤波成像法能较好地抑制非疵病结构产生的散射光，灵敏度比目测法和 虚像叠加比较法高，但由于被检测面一次成像，因此只适合检测平面。掠射法逐 1 0 浙江大学硕1 ：论文 点扫描成像，可以检测曲面，灵敏度高于其他几种检测方法。总的来说，成像法 能直接观察到被测表面疵病的大小和分布，可描述疵病的平面特征，但不能很好 地刻画疵病的内部特征，灵敏度能达到ll im 左右。 能量法主要有散射光接收法和频谱分析法。 散射光接收法在3 0 - - 5 0 。的立体角内接收疵病散射光的能量，在此立体角 内的总能量和疵病面积的大小成线性关系，由此判断疵病的面积大小。频谱分析 法由f o u r i e r 透镜后焦平面的光强分布，获得疵病后向衍射谱的能量，从能量积 分和疵病形态的数学关系，得到疵病的大小和深度情况。能量法比成像法能更好 地描述疵病的内部特征，但检测结果不直观，其灵敏度能达到0 5um 左右。 成像法和能量法各有优势，且各自的敏感疵病不同。若将两种方法结合， 能更全面地描述疵病特征和提高疵病检测灵敏度。 基于显微散射扫描成像原理的大口径光学元件表面疵病检测系统，是一种 具有高精度、高效率的光学元件表面疵病的数字化评价系统，下面将详细介绍该 系统的组成部分及其设计要求。 2 2 大口径光学元件表面疵病检测系统设计 i c f 系统中使用的大口径元件可达几百毫米，但疵病的宽度是微米量级的， 要得到清晰的疵病图像，只能利用精准扫描系统，先采集其小孔径序列图，然后 利用数字图像处理技术实施拼接，从而得到完整的元件表面图像信息。基于显微 散射成像原理，本系统整体框架如图2 - 1 所示。 从图中可以看出，检测系统硬件方面主要包括四个模块，分别是照明系统、 光学成像系统、图像信息采集系统、扫描平移系统。系统的各组成部分工作过程 如下： 首先，通过光学系统对元件表面进行子孔径的放大成像，利用电动平移台驱 动样品，使显微成像系统扫描整个被检面。元件表面疵病散射成像通过显微镜筒 传到c c d 的传感面，c c d 将输出图像的模拟电信号，然后由图像采集卡转化为数 字信号，即数字图像信号，即可输入到计算机。输入计算机后信号分为两路，一 路经过图像处理在屏幕上实时显示，另一路则存储在硬盘上为后期图像处理做准 备。 浙江人学硕上论文 图2 - 1 系统原理图 2 2 1 表面疵病检测的照明系统 光源照明系统为疵病散射提供光源，光源选择的好坏是检测系统有效运行 的关键环节之一。因为光照质量直接影响着表面疵病的观测，影响着疵病散射成 像的质量。 要使待测表面得到充分的照明，同时应该使被检面上受到的光照尽量均匀， 而且照明光不能太强，太强则会使元件上下表面及底部平移台的反射光太强，形 成眩光，影响成像效果。同时光源的发散角不能太大，太大则会使疵病散射光进 入显微视场以外，得不到疵病的亮像。 考虑以上因素，在光源方面，我们现在采用光纤环形冷光源照明。照明系统 除了要考虑光束的均匀性和光照强度以外，还要对光源的大小提出要求。光源不 能太小，否则子孔径的物方视场也会随光源一起减小，造成检测同一光学元件所 采集的子孔径数增加，而c c d 的爆光时间及扫描平移系统移动每一帧的距离所需 时间不变，因此，最终导致检测同一光学元件的总时间增加，严重影响检测速度。 但是光源也不能太大，因为光源与被测样品高度是一定的，如果光源太大那么其 浙江大学硕士论文 发散角也会很大，发散角太大不利于散射光的接收，得不到较好质量的疵病散射 图样。 图2 2 光源中心与c c d 中心偏离 另外，还要调整光纤支架水平，若光纤支架不能达到水平，则各光束落在被 检表面上的光斑大小不一，且偏离光纤支架中心，而且可能使得原本支架水平时 聚在一起的光斑扩大，甚至分散，达不到表面的均匀照明。一方面，成像表面的 不均匀光照会对疵病散射成像造成不利影响；另一方面，若在表面成像区域之外 一定范围内有光照射，它的反射光进入成像系统，会对成像背景带来不利的影响， 进一步影响疵病成像质量，因此保持光纤支架的水平非常重要。除此之外，还要 求光源中心与显微系统中心、c c d 感光面中心在样品上的投影基本重合，以保证 显微视场的光照均匀，同时充分利用光源照明区域，否则会导致光源不能完全照 明显微视场或者光照不均匀的现象，从而影响检测结果。如图2 2 所示，图中坚 直标准线在横向标准线上面部分较为明亮，而横向标准线下面部分较暗，如果将 该图经过数字图像处理并提取标准线特征后，必然会得到上宽下窄的标准线，但 是，实际标准线是均匀等宽的，从而造成疵病等级的误判。由此可知当光源中心 与c c d 中心不重合时将导致c c d 所采集的子孔径图的照度不均匀，最终影响疵病 的评定。所以进行样品检测前必需先进行光源的调整。 当光源中心与显微系统中心及c c d 中心在样品上的投影不重合时其调整步骤 如图2 - 3 所示。初始化采集卡主要是在显示器上显示当前标准线的状态，便于调 整过程中观察。调光源高度、光源中心与c c d 中心对准是较重要的两个环节，下 浙江大学硕上论文 面将给出详细说明。 不均匀 图2 - 3 光源调节步骤 调光源高度：由于环形光源以某一角度斜入射到样品表面上，即以锥形 方式入射到样品表面如图2 - 4 所示，调节光源高度时，应使样品位于由光线形成 的锥形区域的顶部( 图2 4 光源高度为h 3 ) 处，此时光源是一个均匀的圆形光 l 2 i f 心们 | 小 n ny l 、?m l i 畸 环形光斑 ：一o 光斑 m u 棚觥斑 _ o 蚋煳 _ - o 一光斑 瞰斑 图2 - 4 不同光束高度的形成的光斑 斑，若光源偏高或者偏低，都会出现花瓣形光斑( 如图2 - 4 的h 1 和h 2 处) ，而 1 4 浙江大学硕一l ：论文 当处于图2 - 4 中h 1 和h 5 处时，光斑则会变成中间暗边缘亮的环形光斑，这种光 斑也不符合本系统检测的需要。根据上述特点，调整光源高度时，需要在被测样 品面上放一张白纸，上下调节光源高度并观察白纸上的光斑的变化情况。若出现 环形光斑说明此时光源高度远离所需高度h 3 ，若出现花瓣形光斑说明此时光源 高度就在所需高度h 3 附近，只需慢慢调节光源高度，当白纸上出现均匀光斑时 说明光源高度已调节好。 光源中心与c c d 中心对准：调整前先将水平标准线和坚直标准线调至视 场中，以便调整过程中观察；然后使显微镜筒中心与光源支架中心重合，此时需 要注意调整过程中不能使光源的高度有所变化，否则需重新调整光源的高度。调 整过程中观察标准线的变化如果标准线上下左右不等宽或者亮暗不均匀，则说明 光源中心与c c d 中心没有对准需继续进行调整，若标准线亮度均匀说明光源已调 节好。 图2 - 5 光源中心与c c d 中心基本对准 按照图2 - 3 的调节步骤进行光源调整后采集得到的标准线如图2 5 所示， 从图中可以看出，标准线上下左右等宽且亮度均匀。 2 2 2 光学成像系统 相对于i c f 系统光学元件其大口径可达几百毫米甚至更大，而疵病可能只有 几微米甚至更小宽度，因此必须利用光学系统进行子孔径放大成像，再进行子孔 径拼接得到整个表面的图像。根据疵病的大小量级，成像系统需要有足够的分辨 浙江人学硕j j 论文 率才能观察疵病，但是显微成像系统的分辨率与其物方视场是成反向发展的，分 辨率越高对应的物方视场越小，即子孔径越小。对于某一固定口径的被检表面， 子孔径大小与它的子孔径阵列成反比。子孔径阵列的增大会导致数字图像处理的 数据处理量增大，影响数据处理速度。因此找出子孔径物方视场与分辨率的平衡 点是重要的，显微成像系统既要有合适的物方视场，又能清晰分辨疵病。 在检测系统中设计了0 7 x 4 5 x 变倍显微成像系统，该成像显微成像系 统拥有一定大小的物方视场，在子孔径大小与子孔径图像阵列取得一定的平衡。 在斜光照射下，显微系统分辨率已经能够达到微米量级，足够用于疵病显微散射 成像的检测。该系统拥有较长的工作距离，使得光纤调整架有较大的上下活动范 围，方便光源的调整。 在像面上可通过c c d 图像采集在屏幕上观察疵病所成的像，但此时c c d 成像 接收面的大小与目视时像方视场大小不同，屏幕上的像对应的物面大小需要重新 换算。根据c c d 实际有效成像面积大小与原显微系统像方视场的大小之比，可得 到在屏幕上显示的图像对应的被检子孔径大小。对于( 1 ) 5 0 m m 的被检光学表面， 论文研究中采用0 2 o m m 左右的子孔径。 2 2 3 子孔径图像采集系统 图像采集系统包括：c c d 传感器、图像采集卡以及进行图像处理的计算机。 f f ) c c d 电荷藕合器件图像传感器c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 堙1 ，它使用一种 高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成 数字信号，数字信号经过压缩以后山相机内部的闪速存储器或内置硬盘忙保存， 因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需 要和实际要求来修改图像。c c d 由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。 当c c d 表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光 单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。 c c d 有