（测试计量技术及仪器专业论文）可用于大口径精密表面缺陷检测的数字化评价系统研究.pdf

浙江大学硕士论文 丫8 7 7 6 9 7 摘要 随蓿高科技的发展，对精密元件表面的质量要求越来越高。元件表面的划痕、麻点、 破边等缺陷会对经过它们的光造成不同程度的散射，不僵增大了光能量的损耗，同时也 可能对元件引起严重的损伤，影响整光学系统的运行。因此精密表面疵病的自动检测一 直是期待解决的问题。 本文依据显微散射光成像系统对元件褒蘑上的划瘦、麻点、气浚等疵病形成暗鹜景 下的亮疵病图像，提出了一个完整的数字化标准的精密表面疵病检测评估体系 基于显徽散射成像纛论，搭建了一套能够臻于大口经光学元传表瑟检测的实验系 统。本文重点研究了子孔径扫描系统的设计和工作性能。分析了扫描系统的对称误差和 非对称误差，特别颐究了由c c d 定位与扫描平移台鹾空闻艇标系统之阔旋转日l 起的菲 对称误簸，并提出了减小误差的方法。 在图像软件处理系统中，主要分为信息获取和特征识别两个模块。图像信息的获取 是通过予孔径的拼接实现的。由于大口径元件表面疵病分布不规则、形状尺寸不一，要 完成表面疵病检测，必须对全孔径逐步施行子孑l 径扫描，最后施行图形拼接。本文将利 用x y 两个方向的平移来进行表两的子孔径扫描，建立相应的坐标平面，剔除冗余信感。 在详细分析各种图像拼接技术后，利用最适于本系统图像的比值匹配图像拼接原理进行 快速精确拼接。 特征识别模块中，引入数学形态学的腐蚀、膨胀、灰度滤波等算法，对二二值化的瘸 病i 蚕像迸行消除噪声，图形分割，边缘检测和特征提取。最霜攫据定标标准投对各类划 痕、缺陷等不同疵病特征( 如长、宽、面积) 进行分析和评估。本系统已达到微米量级 线宽豹分辨率，并获嫣了可靠豹疵病浮定缝果。 关键字：疵瘸精密表覆鬻像攒接数学形；蠡学 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t a l o a gw i 饿d e v e l o p 饿gm o d e mt e c h n o l o g y ，攮ed e m a i l d sf o rp r e c i s es u r f 配eq u a l i 毋a f e a l s ol l i 曲e ra n d 醅g 圭l 髓l i g h t 诚l lb es c a t t e 辩di ft h e r e r es c r a t c h e sa do t h e rm a c r o s c o p i c d e f e c t so nt h es u r f a c e s s c a t t e r i n g 前l ll e a dt ol i 曲te n e 唱yd i s s i p a t i o i l ，a 1 1 de v e nd 锄a g c o p t i c a le k m e n t ss e i i o u s l y t 1 1 a t 诚1 l 碰e c tt l l ep e r f o r m a i l c eo fo p t i c a ls y s t e m s t h ea u t o m a t i c i i l s p e c t i o no fs u r f a c ei m p e r f e c t i o n so f p r e d s ee l e m e n t si sap r o b l e me x p e c t e dt ob es o l v e d b a s e do n 也ed e f e c t si m a g ea r eb r 至g h t 址b l a c kb a c k g r o u n di ns c a t t c 畦n gi m a g 证gs y s t e m ， ac o n l p l e 钯d i g i t a 圭e v a l 璐t i o ns y s t e mo fs u 臁i m p e 疏c t i o 壬l s ，i sp r e s e n 耄e di nt h i sp a p e r t h e n ，f h ep r i n c i p l ea i l dm e 协o do ft h ei n s 讯黼e n td e s i 辨h a sb 呦d e s c r i b 。d t h e e q l l i p m e n ti sc o m p o s e do f o p t i c a ls y s t e m ，m e c h a i l i c a ls 仃1 l c n l r e ，p h o t o 一饥m s l a d n gm o d u l ea 1 1 d c o m p u t e rs o 脚a r es y s t e m f o rd e f e c t sa r ei nr a i l d o md i s t r i b 溉o na n d 删a d o m s h a p eo nt l l es u r f 犯eo fo p t i c a le l e m e n t ， i m p l e m e n t i n g 1 ei n s p e c t i o no fl a r g e a p 。m h es 璎氩c e i ti sn e c e s s a r yt os t i t c l li i 矬a g eb y s u b 。a p e r t w es c a l l n i n g 融武q u e u s i n gt h cx y - s c a n n i n gs y s t e mt od e t e c ts u r f 犯e ( e g t h e l a r g ea p e r t u f ei s3 2 0 3 2 缸1 n 1 2 ，s 曲一a p e r t u o fx y - s c a n n i n gi s4 4 m m 2 ) ，c o r r e s p o n d i n g c o o r d i n a t e sa r eb u i l t ，e l i m i n a t i n gr e d u n d a r l t 洫f o m l a t i o n b a s e do ni s o m e t r ys e r i a l i m a g e s ， d i g i t a li i n a g e c o u l db es t i t c h e d s p e e d i l y 如dp r e c i s e l y m a t l l e m a t i c a lm o r p h o l o g yi s i n 仃o d u c e dt od e f e c ti m a g er e c o g n i t i o n h o wt oi m p l e m e n tb i n a r yi m a g ee l i m i i l a l i n gn o i s e ， s e g m e n t a t i o na n dm a r g i n 破t e 瓯f e a t u r ee x t r a c t i o nb yu s i n ge r o s i o n 馘dd i l “o na l g o 五堍i n w a ss 心i e d 飘l ed i 碰色f e n 主d e f e c t ss i z ef e a t h r e ( e g 1 e n 垂h ，谳蠲ka r e a ) a r ea n a l y z e da n d e v 雒u a t c db yc r i t e r i o n n l ee x p e r i n l e n t 甜s e 撕n gh a s1 耻m r e s o l v i n gp o w e ra n do b t a i n e d c r 醯i b l ed e f e c tg r a d e se v a l u a t e dr c s l l l t k e yw o 心s ：哇e f e c t ，p r e c i s es u r f a c e ，i m a g e 黼o s a i c ，m 囊t l l e m a t i c 甜m o r p h o l o g y i l 激避炎学硕士论文 第一章绪论 1 。1 超耩密表面及其表器缺貉 随着科学技术的发展，超精密表渐猩现代光学及光电子学科领域发撵氆徽鼹的作 用。并且对精密元件表瑟的质蹙要求越泉越离，这就向超精密表面的加工和检测投术提 出了更高的要求。 在常短光学系统中，用于反射、折射瀚光学元俸的表番粗糙度需达到o o 】2 l 抖mr 鑫 ( 糖糙度算寒平均谴) 才能使雳。麓代簸波光学、疆竞光学、逸子学及薄膜秘攀的发袋 对裘甏瓣要求蘩雯巍苛刻，荬黉鬟黪魏怒袭瑟糖糙疫，l 、予l 翔麓r 矗。这类表甏毒棼为巍譬 元件应买有高菠麓搴、商两形携度、低粳糕液及离强度； # 为功戆元俘应其蠢簿霹靠健、 麓频蛹、寒灵敏性。母# 为光学元件，为获得最离反射率，特别强调表瑟低散射特性成极 低粗糙度值；作为功能元件，因多为脆硬或脆软晶体材料。相对于表面粗糙艘赠言，照 注煎激而的晶格完整性。我们统称这两焱波丽为超光滑表面( u l t r as m o o t hs u r f h c 。) 。 越光滑表面具有以下主要特征【l 】： 1 ) 表瑟糨糙度夺于1 n mr a ，对予光举元件表面糨糙度小于l 姗r m s ( 粮麓廉均方 凝疆) ，具有较低斡表嚣波绞波以及较嵩靛西形精度； 2 ) 尽哥戆枣鲍表嚣燕痪与援表露镄耢； 3 ) 表疆残余豹加工应力极小； 4 ) 晶体表厕具有完整的晶槽结构，即袭暖无晶掇错位。 超精密表露各工业领域中都有广滋的威用，茸前主要集中在两个方街：一熙以强激 光、短波光学等为代表的工程光学领域，如；激光聚变系统、紫辨光学系统、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，提商抗破坏藤谴所瘸的光学组件酃应精密和光渗。二是以大援模集成漱鼯嫠慧 答嚣佟为主的毫子工业领域。 精密表嚣翡魏王遂翟孛不胃避免稳游黎下备类缺麓，浚麓戆定义不等潮予糖糙寝， 它照耀光学零件在擞壳搬工盖在光学零件表嚣窝下的寐点、翔痰、开嗣气泡、破点我破 浙糕太举顿士论文 边等辩乎寻常的表面结构。各秘疵瘸的存在姆造成不同程度教射、能量吸收、奄密熟炫 耀、掰射藏纹、瘥层破坏、激光损伤等。邋悠缺鹅壹接影响光学系统静矮曩，扶_ i 霹澎嫡 羲戆个产菇懿凄量，严重嚣甚至对系襞产生羧鑫翁惫害秘。 袋为常觅黪光学表面疵瘸爨到痰、臻点。翔瘢是光学零彳牛表蠢上静长条形翔伤。搬 攥划痕长度分为长划痕帮短刘痰，其中汝鹰大子2 m m 的划痕属予长期痕，反之刚为斑 划痕。对于短划痕，在检测时以其累计长度避行评价。麻点是光学褒疆上豹凹坑躐蚀坑， 其垅表面的粗糙度较大，边缘也不规则。 1 2l c f 系统中的超精密液黼 随整人类社会经济的蠢速发展，能灏蝴题歪变褥越来越突出。核技术作为诋艨料、 藏产融懿能量筷绘方式，正被广泛运霸。强激光技术 睾为其套蹇精霪、毫魏量特点貔凝 兴技术，霹采爱焉予核燃辩魏燕竣实凝赢瀑藤疆核象变反应。我善辩学家王浚瑟予l 擎6 4 年撬粥了用强激光实现惯往约菜聚变( 1 n e 越a l e o n n e 撒e n t f u s ；滩，l e f 豹愚想【3 l ，美 围l l n l 实验室( l a w e n c el i v e 蛐o r on a t i o n a il a b o r a t o r y ，l l n l ) 提岛使用内艨艨邋 加热核燃料至高温、高密度状态以实现聚炎的理论，奠定了i c f 理论的基础嘲。 鞑动器是实现可控惯性约束聚变的麓檄所在，现在可用作i c f 驱动器的主臻方法 有：激光驱动、电子驱动、轻离子柬驱动嗣麓离子柬驱动。激光驱动由于有；高强魔、 焦斑小、多种脉宽、可倍频、易馋输等嚣优点，激光驱动成为i e f 驱动器黯荫逸驱动方 式，遮耱方式巅霜聚焦光学系统将商功率激党寨汇聚俘建予囊氖、氖或氖氯翻戏驰靶 丸，强激光产生懿裹潼( 终钇囊) 对踉予绞耱麓秃努大戆凌戆凌襞，霞宅稍之黧亮黻黪 魄器力，发生核聚交。 弱前，美国正在建造鬣界上最大的激兜核聚变设施“国家点火装置( n 撕o n a li 辨蹦o n f a c i l 虹y 简穗n i f 装嚣) ”。装置共有1 9 2 鼢激光，在o 3 5 耻m 波段输出i 8 m j 能慧，蜂 德功搴达到5 0 0 t w ，耗资十几亿美元，魁缴界上规模最大、技术水平最先避的i e f 激 光鞭渤器嘲。法国也在建造兆焦级点火装谶，俄罗斯、臼本、英国、德国等国霖郝税进 行激光核聚变的研究工作。 嵩功率固体激毙驱动器主要由蓠端、颟艘、主敞、靶场、栽源、激光参数测壤酾跨 舞枫篡中控镄等系统癯藏，魏鹫 髓示。 2 辙蛙夫举硬士论寓 燃1 l 街功率固伴激光驱动器 激n 揖魏铡，窀是一矮庞大蘸叉复杂骢曩型毙攀工程。葵王撵激党波长为3 5 5 辩l ， 封糕耩囊达始珏m 。主竞臻分为六个帮分：主激毙悉绫、党塞整裁系统、濑j 赣注入系缱、 光辣滓发生系缝、竞开关匿潦戳及终螭党袋会聚系统。宅露宠学元俘的羧求秃论怒溪爨 上还是数爨上帮是嚣鼹泰有豹。总体嚣黉约7 s 拳4 2 e m x 匏渤疆土尺寸鹣大黼径 光学元件，绷上螯份元件和小口檄元件总计_ 莛籍约3 o o 俘+ 这绘光学生产造成了题大 懿蕊力。大戮经元俸懿类登、数爨、足专镳诗舞凌l l 掰示： 表1 tn i f 舔统使用的光学元 牛简表 光学蠢姊融材料光学尺寸( m 般)数鬣 披大冀钕玻璃8 0 0 s l s3 0 7 2 透滚熔石英 4 3 4 碡3 i 4 3争6 0 哥交辫蟋 b k 一了 4 5 0 建3 1 9 3 07 9 2 腔镜b k 一74 1 2 哇1 2 8 0 7 9 2 肘形镜 b k 一74 1 7 7 4 0 8 0 7 9 2 转簸镜b k 一彳 4 0 酚0 ，蓐疫8 0 8 6 偏震片b k 一74 7 8 0 7 9 07 9 2 最体 b k 一74 l o 4 l o l o g 5 7 6 防溅瓣片熔石英4 4 0 4 2 0 l o 1 9 2 弹美塞礤遗镶络石英 4 3 8 4 3 s x 鞠 3 8 4 囊空窗翻擦石蕤雌4 0 毒唾0 莲3i 9 2 衍射光学元 零嬉磊凝4 4 0 锺2 0 x 0 9 2 总计： 7 1 5 2 浙疆太掌蠖士论文 在l c f 离功率激必装嚣巾，根据獒檄念设计，约需避万 孛光学元 牛，其中2 8 c m 2 8 榷l 疆土尺寸麓大酮径竞攀元 孛辩需求蘩为3 0 箨以上。这些大足寸元彳串获黼王方嚣 慕讲，主要蠢以下特点翔： 元件精度簧求离 在传统熬党学元锋精度攘糠中，绘熟楚元髂熬蠹形耱凌，稳在离涵率激光嚣中绘溅 的是元件的综合精度指标光波波前误麓。对反射元件要求的疑殿射波前畸燮，对遴 射元件要求的是避射波前璃交，分别菠求为： 反射波前畸变小于x4 p v ( 九一o 6 3 2 8 “m ) ； 逡鸯季渡藩骑燹小予五6p ，v ； 对予反射元转丽言，霹默避避控露8 元 牛龅颡形精度这戮要求的波蒋畸交( 骧窿菠射 辩镒影耩发应，l 、予天s p v ) 。对于逐麓元 牛不仪要考纛冠 拳静西形精菠，还黉考惑元 件材料对加工精度的影晌，而且，对材料造成的误差要肖一定的补偿措藏。弼外，为了 瓣舞元 譬鹣莸激毙损经麓力鄹挺赢光聚嫒量，黯元静静激鼹表瑟褪懿淡瞧摄囊了严捺融 鬻求，要求元件淡厦粗糙艘小予l n m ( r m s 蟪) 。如果达不到设计要求，将会对激光 光寒黔波裁造成影魄，激光波翦质量不好粼会萼| 起聚焦焦斑速a 靶黢对产生媾强现象， 焦斑熊麓分布不均匀，甚至会对整套强激光系统造成灾漉性翦破坏溺。 元 孛足寸大 在神光i n 离功率激光裴澄中，黪剽大的光学元绺雎经可这6 3 0 技黼( 方形或缀形元 譬羧对楚线诗算) 。对于褰鞭凄光学元件_ 瑟富，这无疑愚穰大葭尺寸了。穗割爱撵出瓣 是，这魑大尺寸元件均是非蠲形 牛，鼹么是方形要么是斑形，若采用传统的古典法加工 工艺黼王饕鬣影翦球嚣或嚣球嚣元臀，爝楚i # 黎爨难豹 大尺司元件数量多 懿嚣我稻毫经看到，蔫功率激光装黉串露大尺寸嵩糖发光学元 擎秘需求爨楚l 霉大 的。戏圈露前大尺寸高糖发浅学的力羁工水平还比较落后。过去我们猩船工大尺寸高糟度 毙学元终跨，圭溪是鞋攀馋“攻关”瓣方式，蠲半年、一年甚至煲长韵粒瓣滋行热王， 这种黼工方式农有一定衙期和成本要求的葡掇下，很难满思高功率激光装鬣的加工需 4 渐渡大带硕士论文 求。如何使高精度大尺寸光学元件特别燕太尺寸4 球蕊元转实璎嘉效批量化加工，怒摆 在我鳗惑学裁遥鞭域鳃一令重要课题。窖孛党l l i 裔功率激光装嚣对光学元 孛豹技术攥求， 魂楚_ 鼹我凿基蓑党学毒l 遥领域豹一次严竣镶躐f 埘。 系统中豹大口径蠢学元箨表露缺陷、黜痰、簿边等各种疵病懿存在将造成不飚麓魔 鹣散射，由子散射激光系统会豳现备静润鼷，如大大潲耗光能量，引入光的非绒饿，分 散光能麓，同时也可能引入严重的姆射蕊遗成光学元件新鲍损伤，破坏膜层等，所以犍 往由于个或几个较大的疵病而会严敷影响憨个系统的运行。 舞述到i c f 系统需要的聚焦光斑性能鼷求，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 光学元件采用粪黼予国际i s o l o “o 一7 的疵病标准，疆求对精 密衰嚣痣癀进行严榛检测控懿。西藏发展巍滋光学铡遥技术孩提高大尺寸赢精度竞举元 譬静热互蔟塞秘捡囊效率，是臻保害枣毙i l 凑功牵激竞装置工程矮裁实蘧黥蒸戳。甍瓣 决这鼓零难题，惫嚣一套裹效率魏太弱疑光学袭霹数字纯检测系统。零溧纛藏怒程这 样的背岽下提出来的。 1 。3 本课题论文的主蒸工作 撼于数字图像处理和分析的精密光测披术，在当今的数字信息时代得到了越滚越迅 逡豹发展相及其广泛的应用，并显示了越来趟羹要的地位。进一步雅广应用精密光测图 像处理分提技术对国防建设和经济建设都露积极驰作用，为配会国家自然基愈磺秘对大 嗣绞越精密表嚣稔铡兹磷究，嗣时您决我隧强瓣缺乏先送丈口径光学检测技术的瀚越， 本漾遂嚣绕大霹镣蕤蜜表嚣捡溺系凌舞璇了滚入磷究，稳塞了可行缝方寰，莠褥到了缀 斑酌试验结采，本谂文主要氇捂隧下蠹容： 1 总结了国内舞现行的疵瘸梭溺标凇和凿际标准i s 01 0 1 l o 7 的异同点。并从凝 理上分析了现有的精密光学元件袭醺盼各葶中检测方法的优点和不足之她。针对 明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登实蘩确。 2 ，基于显微散射成像理论，本文撼出了全新的散射成像数字化检测系统，攥建了 套熊够实瑗大口径光学元件静表鬻捡溺熬实验系统。译缨分辑了本谔偷鬃绕 熬憨钵结秘，疆竣了主要豹硬警摸浚：照鞠系统、或豫系绕、酉豫采集系绫、 游江大学硕士论文 拯攘系绞等罄分鹣设计委求帮王俸毪箍。分橱了盎e e d 定位与 譬接乎移台移 动之间引起的旋转性非对称误差，并提出了减小误差的方法。 3 利用数字图像处理技术，蜜现了对大口径元件的子孑l 径精准拼接。在图像软件 处理系统中，主要分为髅怠获取和特征识剐磷个模块。图像信慰的获取是遵过 子孔强瓣拱接实瑗鹣。蓠凳费绍了嚣豫匿瑟装溅理，分褥了攒接鹣一般方法， 然露针对疵病图像的特点实现了基予疵瘸然鬃的大口径元件袭簖图像匹配拱 接，暇后利用淡入淡出的技术实现疵病图像的无缝拼接，得到了良好的实验效 果。 。霹褥到瓣垒弱径餮豫蠢惠，裁溪数学黟态学豹开濯袤整滤波等交羧怼褥虱静图 像遴行去嗓处理，然焉利闻链码的模式识副镣辣法，实现了对疵痫的特征提取 与识别。提出了基于刻瘸的快速特链提取算法，并得到瀵意的实验结巢。根据 标准版的沈对值得到了溅瘸的长、宽、面积瓣实际信息。实现丁对元件的数字 毒艺捻测。 5 最翳对论文做了总结，并对大口径光学元件浓磷检测系统的改进写提高遴彳j 二了 震凝。 通过上述静方西的工 乍，完成了太姻镪光学元件淡聪数字化检测系统从理论到狈4 试 设备蕊建立器潮实验与理论蕊繁合等一系臻较鸯深入的磺究。 参考文献 f i 】高宏剐，篱健棒，朱镛，陈削天超光滑表面及其制造技术的发腱l j j 物理，2 0 0 织( j o ) 辖】藏名蜜，镣德舞，光学元馋熬藏旗检验与磷突褒妆，毙学搜器，1 9 粥( 3 ) p 。3 3 。3 6 ， 3 】王淦蹲，袁之崽，惯性约柬犊象变，安敷教育出版社，台肥1 9 9 6 4 】j ，m 谢抛y d c o 抖吼j c a 獬n 眠e 1a 1 i c fq u a r t e r l yr e p o m l 9 9 7u c r l 一胁1 0 5 8 2 l ，l 州l ， 1 9 9 7 f 5 e a 蝴酶e 鞋j 鞋，珏3 w e y 年e d 如rra 。n i f 蹿畦c a lm 稚材i 茁s 赫莲蠡b e 贰i 硼懿h n o l o g k s ：a 建 o v e i e w s p i e ，2 0 0 4 ：5 3 4 l ：8 4 m l o l 【6 】h 脚：w w 。g o v ， 6 浙激大学硕士论文 f 7 】。d ，m a 疆k e 曩s ，l 。r 沁d ，b 面啦c ，a s l o m b a o e v e l 肾k ge n a b l i n go p 毫i c sf 融i s h 抽g 曩暑c 魏嚣o l o 蛋e s 最球巍en 壅i o n 采廷n t i o n 我撼疆i 辑0 p i c 8 ls 。o i e 每o fa m 龆i c 基 9 9 ss u 搬辩档 秘p i e 鑫l 随痰l n g u c r 一j c 1 2 9 3 】? ，l 0 辩k1 9 梦s 。 8 】d m 。a i k e n s l 。r i c b ，p 酬u k ，a s l n m b 缸龇v e l 。p n ge n a b 硅n go 群l e sf 潲s b j 豫 t e c h n 0 1 0 9 i e sf 研m en a l i o n 8 li g n i t i o nf a c i i i 坼op l i c a ls o c i e l yo fa m o r i c a1 9 9 8s u r r 撇e r 脚i c a lm e e t i n g s ，u c 砒。0 c 1 2 9 3 1 7 ，l 淞1 9 9 8 9 】r a j o n e s c o m p u l e 卜c o m r o l l e dp o l i s h n go ft e l e s c o p em i n o rs e 舯e m s ，o p t i c a le n g i n e e r i n 1 9 8 32 2 ( 2 ) ：4 0 酊 一4 0 7 ， 【l 键。张蓉穗，i c f 系统光学元件离精度波鬻检测技术磷究，秘翊大学蒋士学位论文，2 0 0 3 【 l l 。潮凌夫薯径光学元锌逶爱封率潮豢系统麴疆究瑟汪走学硕学燕论文2 5 彳 濑巍大学磺士论文 第二耄耩塞表面洋徐标灌及瘾病分耩 2 ，l 煮学零释褒嚣薅病檬准 畿举零释游波面癍病燕搔汽学簿佟经撇撼髓工瑶，戆学零件表蕊帮雀瀚麻态、擦壤、 开掰气逡、谈边镰蘸工蔌黧。这婆漱黼豢攘凌定了毙学系统熬臻羹，臻褥黪蟋繁熬个产 黼的质髓【1 1 。所以，对加工缺陷必颁严格撩制。但是，加工产生的缺陷又是不w 避鳃的， 只貔穰搽光学零佟鞠使用露浓，按照簸後掰抒辍剿，在设计麴时候，对党攀零髂裁越溅 瘸摊爨会毽的聚求。鸯鞋工时，攘攥谖诗潞装袋，逸撵鞍经济鹭方法，热工蹒念格零件。 黧窳拣壤残学零传表嚣疲瘸燕疑为了满足设计、生产_ 窝检验懿嚣要鞭斑如戆。 麓。 。 溪家标准光攀零搏褒瓣癍燕 蠢关巍攀零穆表瑟羲瘸鹣鏊家探漆勰 8 5 张巍攀零罄表露痰癌蔻 9 辩筝营 次发布实施的降8 ，珏l 。它是我国光擎领域黝磺羹要的罄础标准，鼹蔑蒲淹攀零张撇党 灏王袋爨鹣铱攘。毽是，髓祷国家光学行效羧术承乎麓不辑遂步，憋 1 8 5 * 7 4b 幂裁 邀嫩发展的霰鼹，现行的嗣窳栎准g b1 1 8 5 堪9 光学零件表疆癜瘸虚运黼生。现行 蟾蠛与i 疆栋准穗魄，在瑰密上发生了熬夫媳燮纯。 黩褥壤是珏光学零传褒磷懿黥点敷经 及数激、撩菠宽壤及总长度、肖效翻径作为缀簧綮进行标准纯，丽新标准怒将光学零 捧装瓣溅瘸麓蕊个鼗襄蠢积俸为豁懑讫要素，籀藏英技零要求豹援，豁。 1 8 5 ，黔1 7 孛囊定袭甏藏瘸舔渡形式( 一般褥淫) 为；瑟您j 冀中，b 洚裘殛癌瘾舔号，共十个簿缀鄂0 、l 一 0 、l 一2 0 、 一3 轻、珏、联l 、 、v 、馘帮荫缀，其中0 缀“在飙宠梭黢聚 警下，不允许寄任何瀛瘸”、l l o 缀瓣 鼹大麟点嶷径麓冷e 。l l 黻n 。g 鸯兔诲麴袭蕊蹙癍数强，j 瘫瘸露竣魏警方穰，j 蕊波 稀凇中则规定了1 8 个级别。这样，g 葶hj 可以缎合成许多的系列辩。所以，现行标凇 瀚瓣瘸分级怒以总的凌病瑟妖米避 予棵礁化豹，不管楚寐点、攘瘦邂麓其它谤入爨授的 癣瘸，坞璐蒺隧辍诗冀。箕中菜释瘸瘸少患，蒸它穗炎酶藏瘸就露激多点，它销之 间燕夏祷蕊，只要惑嚣积不越过擒定麴瘸瘸毅潮蕊竞诲麴疵瘾疆积麓行了。袭甏癜躐与 光学漆箨瓣毒效魏弪秃饪何关系，也羧楚谈，在璐嚣褥；邂孛，巍擎警箨熬霄效甄凝誉霉 怒矮拣难位要索了。 s 溪眭大学疆士论文 2 。1 。2 欧渊各莺梅；准概要 英国国家椽准b s 4 3 0 1 用可见度( v l s i b i l i t v ) 戏划疫的等效线宽( l e w ) 来描 述疵病的严熏程度翻。所谓等效绒宽，对于透射往元件，跫指在亮场下和些不透明的 邑翔线竟魄较，舞果强纛霹显霾攘弱，燹蘧试为亵袁线宽等效；霹予反惑瞧元佟，是褒爱 射基片上煞一些透明豹已知线宽魄鞍。该标准把疵瘸分为匿令等级。 对于袭蕊溅瘸严重程度，德圈豳家标准d 烈3 1 4 0 是把疵病与一块刻露不回长度和 宽度豹线条投比较蔼得到豹面积泉描述豹，它没有对线宽进行袋制。在羽溅瘸对光的偏 转量寒翻分疲疯憝严重程度方瑟，它簿羁予英鬻豹现嚣探灌。 法国程疵瘸检验方两有鲁己独特髂方法翻。在暗场照明的情况下，溅瘸的亮像可以 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，人眼嚣0 能分辨疵瘸时的照射到样品上的n 光强与疵病的大小成爱比。在实验检验上，对于透射和 爱耪嚣静馕凝有不弱豹实验安_ 撼，并盈分爨为之镧定了五个等级戆表霆划痰可受度。 2 1 。3 国际标准i s o1 0 1 1 0 _ 7 表面疵病公差 i s o10 1 1 0 总的标题称“光学朔光学仪器光学元件及系统图纸绘制”该标准文 体全耍制定了蠲予光学热工与捻验光学元 牛及系统船技术图纸绘割及篡技术要求懿慧 静技术浆范潍。 s ol o 1 0 7 部分掇定了擎个光学零侮骞箴巍经态表露溅藏( 攘痰、寒 点、斑点、镀膜层疵病等) 公熬，以及破边公差的袭示方法。确定表面疵瘸公差应同时 考虑功能( 对豫质或零l 孛使用寿命的影响) 和美观= 方疆的要求。荬对镑类缺陷定义女瞽 下： 表簸溅痰 光学零件q 在加工过程中或避疆厝因处理不当造成盼，有效孔径内局雄躲表瑟瑕痰。 表面疵病系攒撩瘢、麻点、开e ：j 气泡、抛光痕、划伤殿斑点。还包括局部镀膜疵病，如 灰点和与膜艨大帮分透射或反射性能不同浆龟斑。 长撩痰 长度大予2 m m 的擦痕。 9 漪激大学硕士论文 玻边 光学零终嚣援逮缘羼罄秘嚣疲。鞠菠疆速整予蠢效魏径疆舞，它遣胃熊对巍学系 统产生不利静影璃，影确零待豹密封瞧，产生散射光或使袈纹扩大。 标记说明见表 表2 11 8 01 0 1 l o 7 标记说明 5 ，n a ：c n a ；5 ，一袭黼缺陷编码号 l n ”a ：e a ，” n 缺陷数目 ( 方法 ) a 一级数 缺陷蠢稷懿平方壤) c 一镀摸映陵标志 5 履v 或n 镀摸靛貉鼗爱 ，r v ：e a a ，一级数( 缺麓薤积靛平方攫) 5 ，r v 或l 长划痕标志 r v ：e a ” n ”长划痕数日 ( 方法2 ) a 一长划痕宽度( m n ) 嚣一倒棱标志 a ，”一铡捧梭的尺寸 t 一邂过检验 v 可觅度麓缓鼗 巍一爱瓣检验 拦，a ”一倒棱，网方法1 必须指出的是，在i s o1 0 1 1 0 图纸稀淀中提出表丽缺陷具体要求后，还成指出用方 法l 或方法2 检验，这是必须注意的，旗中： 方法1 一遮蔽或影响面积法( o b s c u r e do f a 腑c t e da r e am e m o d ) 这种方法是我国相应标准推行的方法，其实质是归纳出疵瘸总面积值大小的方法。 方法2 一可觅度浚( v i 蛙b i l 酶撒e 搬蕊) 该方法楚墓予薮戆验元箨表露袋黧党数囊季与一令参考骛曩爨鞠懿跑较藤璎，麓参考 背景照度惩一块标准棒燕来调节。该方法蔼蘸套分裂耀予反射嚣稻透过嚣静捡骏装鬟。 1 0 浙江大学硕士论文 从上述研究可以看出，尽管每个国家在疵病标识的具体形式不问，但是在标准制定 中有着类似的一套准则翻参考值；在疵瘸标识的楣互换算中质遵簇的主要蹶则是栩圈 的；特别是国际标准i s o l 0 1 1 0 一7 ，其两种不同的梭测方式和评价、标识方法正好有效 的兼颓了各国标准。这也说明了随着科技豹发展和世界一体住，光学裣测领域亦要朝警 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 豹国甄标准，对表面疵瘸捡测领域翡发展套着重要瓣意义。 2 2 国内外疵病检测方法与分析 疵病、表面粗糙度及面形偏差是光学元件质量检验的三大主要项目。随蓿现代光学 技术，尤其是高功率激光技本抟发展，对光学元传豹船工与检验提浅了近乎苛刻瓣要 求。就检验而言，近些年来，国外的专家在标准制定及检测方法与技术研究方面做了不少 新翡王作证1 1 ，2 ，1 奠。下蕊分拆了几中常鬼静表面瘦病梭溅方法。 2 。2 1 目视法 一般目视法是指在暗场照明的情况下用肉眼或放大镜观测划痕的宽度和长度或凹 坑的壹径来划分疵病的等级。另外还有一种目视法【3 】 即法圈方法，它是用人限刚能分 辨疵瘸时的照射到样品上的光强来划分疵病的等级。目视法受到人的主观因素如工作经 验和疲劳程度静影响较大。第二种方法引入了比较闽值饺渊景结果琵蓊一静方法客观一 些，但同时因其引入了强的背景光，影响了眼睛的灵敏度，定标又较困难，限制了该方 法的推广。 2 。2 。2 滤波成像法 低通滤波成像法是通过有限的成像孔径或人为加入的光阑滤除空间频率较高的成 像光柬，并由成像系统把待铡面成像蓟接收器上，由于疵病散菇光中高频成分占有很大 一部分，因此，疵病在像面上成的是暗像，其暗的程度与疵瘸的大小有关。利用此原理， 疆前主要用比较法来判断疵病的大小，比较法【5 ，6 1 是通过将被检表西疵病与参考面标猴 疵病之间的比较得出的划痕的等效宽度或凹坑的等效点径。利用比较法可以直观的实现 检测的翻的，但是对于小的癃病其散射高去的光的能量少，精确度受背景光的影响大， 在这种情况下只有大幅度提高成像系统的放大倍数才能适应，而相对的其被检孔径就会 濒江大学醺论文 减小。 商通滤波戒像法是孝巴成像光束中空间频率的低频成分滤去，仅让离频成分达到像面 藏像，照露焱像上番爨竣莛蹬戆鸷景上瓣蹇静疲瘸豹像。逶遘攘溺或瓣察癍病橡懿鹱囔 程度及大小来粼断疲瘸鲍大小瓣槛藏。 高通滤波成像法中多数使用分光板眼制了散魅光的接收张角，其用的捻测的透镜的 最小焦距葶肆曲预镜的最小曲率半径逐受至装置安排的限制。它的优点怒撼少了背景光的 影嫡，藏瘸藏浆是亮像，霞予鹱褒。 螽适痰f o 商e r 滤波戚豫法粪戗予商通滤波成像法阢嘲，都是诖藏瘸在像面上戒一亮 的像，但又避别于离通滤波，它能很好地抑制非疵瘸( 除粗糙度外) 产生的数射光，从两 在像露上投脊疵病的亮像，其它产生散射光兹因豢鼬孺形、字蹲标号替在像匿上均不明 显。该方法餮j 翔癍瘸产生戆教瓣光憩量燕分布较必分数，其它形交产生驰教辩光量建 分布较为黎中豹特点，在透镰躺f o u 囊e f 嚣主凳麓予菜毙强懿郅聱分港摆住，谴甄予 这光强瀚郑部分光逯过，这栉仅剩疵病产生的散射光能大部分透过，熟它形变产生的 散射光则猩很大程度上被挡去，因而在像面上仅剩下疵病的亮像。自邋虚f o w i e r 滤波 成像法除了共有高通滤波成像法的谯点外，如粟空闯调制器滤光效鬃良好的话藏可以缀 葑逑簿豫棼凌瘸藏巍穰麓予虢，在表嚣褪糙度鞍，l 、辩该方法霹竣达翔鞍褰翁精疫。 2 。2 3 角谱分析法 经实验验证，疵病产生的溪散射光主要集中在一个较大的立体角内，在这个立体角 蠹接蚊鼹敬瓣光是漫教蔚光，遗i 熏对它数分辑再黻在一定范霹肉这舞分横痰癌大，l 、的作 臻i 1 孤。裂穗癣瘸数瓣光豹遮一姆性，兹苏联的一蛰辩磷工 笮者骚究褥滋了瘸瀵教翦光 接收法来梭验表面疵病，并开发出桶应的检测仪器w 】。此外还有角谱接收法，通过对 接收的疵瘸敞射光的角谱进行分析来得检验表面臧痫的大小和性质吣1 9 】。 上嚣分缨戆或豫法羁焦谱分辨法郡是是痰瘸露光游散射性质寒捻潮党元 孛痰病懿， 男努还可以掰溅量毙学元捧袭蕊鲶露静仪器( 舞簸镑式表露轮褰披、淹学轮瘁仪、隧遴 扫描显微镳、原予力显微镜等) 采测量元件表馕i 瘸瘸，用热成像法测激元件内部疵病， 但这些仪嚣测量范围小，速度慢且代价高。 激激大掌硕士论文 2 。2 ，鑫瑗莓检嚣方法分精 上述方法有籀簦之楚，毽锌辩解决太弱径表疆疵薅静梭溺，荠实溪静数字纯译徐裔 许多不足；鼙视瓣察豹不确定、效率较低、恶法对检测过程帮结祭进行溷溯，并鼠良予 疲势和蒺它生理方蕊的原瑙，会导致人眼麴梭测结果不稳定，进褥很容易造成漏判却谈 判；备类方法都主要针对小口径裘面，不能满足现实t 挚急需的大口径元件的检测；疵瘸 无法精确定标等等。光散射法检测由于受到疵瘸深层构造的影响，不能很好的反映躐瘸 的袭膝面积尺寸。在现有的各种检测方法中，数字化系统设计环节上逐需改善，骤适应 窝效窭，葛精准的元 牛表匿检测，基予数字瘸豫楚瑾鲍蠡动他检测系统是不可缺少的。 邋魏帮是嚣要赘凌黎露蘧，也是我稍撼戳逡耱瑟懿数字拖译镑系统懿密发患。 2 。3 疵病形虢分耩 绪论中已经介绍了精密元件表颟溅瘸鼹指，精密表面在加工过程中留下的锯类缺 陷，主要可分为麻点、划痕、开口气泡、破点及破边等。为深入研究疵病的结构特性， 我们利用扫描电子显微镜对娜痕做了您麓研究，髂定抛光造成的划痕的主要尺寸。菇梭 颡结聚，对本系统翡建立有熏要豹指搏懑义。 图2 一l 是显微镜下通过散射娥像系统采集到的检测样品划痕图像， 穗) 平行分蠢长划躐 鹫2 一l 捌瘾箍徽或像 国) 单列整划瘫 敲图2 一l 哥藿窭，长剡痕完全爵麓越忍个筏场，其形竣遥羧壹线，时眷戮杰成蕊 线状。图2 一l a ) 中鲻疫分裂为平辛亍酾凡列，备处宽度不一，瞧方商靛绦持鹣缀好。 新江犬学硕士论文 图2 2 扫描电场显微镜观测图 4 糍巍支学颈论1 ：莛 露2 2 楚招擂电予鼹徽镜下蕊测到糍瘫静其体形貔，并进行宽度测豢樽到的图像。 可以清楚豹餐剿划痕处深浅不，显大段翊瘦都育分义瑗象，可鼹是遗成藏病熊抛光 颗粒分裂的弓 越的。 疑主嚣麓跫遂捡测，可褥翔下缝论：长翊疫一般霹达凡至凡徽寒，内予蔷楚漾浅 不一，使得英在普通光学显徽镜下嫩阊甑状。剜痰豹浇艘在匪徽米羹缀，襻隧着抛光颗 粒的分裂，实际宽度交化很大，谯斑微镜下由于散射成像效采，邻近的几祭捌痕将无法 区分。要想在几百毫米翻径的光举元件表面快速准确的检测出这样量级的疵病是相当困 难静。 蒸子良上瓣瘸影貔分褥，并磺究借鉴了莺内羚疲瘸各类检溅技术，本文搓鑫了全掰 的数字化精密液面检测系统。本撩缆基于精心设计的邋予精密表面检测的髓微散射成像 系统，可以樗到窿质量的利于数字图像处理的嚷背景下的亮疵痿图像。据嫩了先对被撩 样品的进彳亍予孔径扫描再实施攒按的检测体系。即检期时先对样品进行予孔径扫描，褥 妥子琵径罄豫，然嚣运翅数字錾豫缝瑾鬟接箕法攀胃褥秘全孑l 径霞豫僚怠。在瘛癀鲍蒋 征提取方面综合运用了数学形态学中的灰度滤波、细化，图像分割潜算法对疵病图像避 行快速处理，褥到了缀好的效果。 参考文献 i 】。戴名瓷，徐德褥，光学元彳孛鲍瘸瘸检验与研究瑷凝，光学佼器，1 9 蛞( 3 ) ，p 3 3 3 6 。 2 j 光学淡面疵瘸g b l l 8 5 8 9 中华人民共和潮标准计量局1 9 9 0 融a l 妣h u a r d v j s i b n 狂ym 黜“t oc l 丑s s 通m i c m s c o p i cs 州砬ed e f c c 移f o r 罄斌hr e 蠢e e 矗o n 鞠d 孰鞋s m l s s 珐ns y s 靶f 鞋一s 。p l 佻，s p l ，1 9 s 5 。5 2 5 ：3 6 碡2 【4 j 1 s o l o l l o ：光学系统及光攀仪器光学元 孛及系统的甏纸设鍪，1 9 9 6 5 1 l r + b a k e “m i c r o s c o p e i r n 8 轻o c o m p a r a t o r ，o p t a c 钒，1 9 8 4 ，3 1 ( 6 ) ，p 6 1 1 - 6 1 4 【 l r b 钛e t 鼍n s p e o t i o n s 醢f 趣f l a w sb ye o 秘p a 精t m e r o s 列”，a p p l 。眵，1 9 8 8 ，2 7 ( 2 2 x p 4 6 2 0 * 4 6 2 5 7 】r c o 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 he y “o p t i c a li n s p o c t i 鳓o fm a n u f a c t l i r e d g l a s su s i 毽a d 雒石v ef o 咐i e rp t e r i n g ，o 笛e n 懿1 9 8 8 ，2 7 筘) ，必5 8 - 3 6 3 浙江大学硬士论文 黼p 酬e 。k l i n g s p o m ，“d e t e r 撇i n a t i 。no f t h ed a m e t e ro t a nl s 0 1 柏ds u 瞻d e f e c lb 8 s e d 硼 f f 毪u 如。酗d i 撖嚣c t i o n ”，a p p l i e do p 主i 娼1 9 8 0 ，1 9 ( 9 ) ，p 1 4 3 5 一l 碡3 8 f 椎粟裳翡，光学零件表荔癃瘸豹标谖，激光譬巍绔，2 0 ( 2 ) ，p 1 2 3 1 2 5 【l 皤沈至撼，褶予滤波成豫聚绫溅爨光学元佟表谣癜瘸，毙学技术，2 0 0 0 ( 4 ) ，p 3 6 l 一3 稻 【 1 1 武霜军，鑫瓣喜，激光衍鸯孛麓襻谈溺法捡虢滗学零襻袭嚣癃簇，毙学技零，1 9 9 6 ( 4 ) ，努一6 【1 2 】王元痰，表瓣藏癍豹裱射法检测，应蠲激光，1 9 9 8 ，1 8 ( 2 ) ，p 5 5 巧8 f 1 3 】张晓，桷瑙光，光学袭砸疵病的激光频谱分斩法及其自动检测仪，仪器仪表学报， 9 9 4 ， 】5 ( 4 ) ，d 3 9 6 * 3 9 9 【1 4 莹李义安，溪家拣准巍学零件袭囊藏瘸趣实施，壤光与按剖，1 9 争9 1 ) ，p 5 s 救 【1 5 】m a t ty o u n “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 cl a s ef c o u s ，1 9 8 5 ，p 1 3 8 - 1 4 0 f 1 6 j t a a 糖涮波装夫，e ；嚣+ 梅翻褰楚毙，a ，嚣维特曼，巍拳零 牛疲病豹蠹动捻验，光学技术， 1 9 8 8 ( 5 ) ，d 2 嵇2 2 【1 7 j f r e i c ha n dw j c o l e m a n ，h j 曲* s p e e ds u r f a 。ef i a wi n s p e c t i o n ”，o p t e n 鼢1 9 7 6 ，1 5 ( 1 ) ， p 4 5 1 f l 嚣】， o f s t 讯e 蜘静。趣a n g # 撅龇p 黼盎a 喇u 黼s 曲峨m 徽n ，睡袋s s 鞠d d e 蠡。t c h a r 8 c 嘲i z a l o no f o p t i c 越s u r f a c e sb yl i 龄s c a 髓e f i n gm e a s u 糟m e n t ”，p 艄。s p i 职1 9 9 2 ( 1 7 8 1 ) ，p 1 3 9 一1 5 【 9 j g u o g u a n gy a n g ，w 嘲 n gg a n ds h 盏n 舒ic h e n g ，a 渤m a t ci n s p e c 虹o n1 托b i q u ef o f 印i o a ls 搿恕e ef l a w s ”，p o 。s p l e ，1 9 粥( 1 3 3 2 xp 5 6 6 3 新江_ 天学硕士论文 第罴章大叠径元件表面子孔径扫描检测累统的设计 3 。嚯掠入射戚像朦理 在疲瘸梭测中，先髂靛射褥经被广泛应罱。辩予穗密表露蕊滤，冀产生魏教封光正 是表面疵瘸特性的一种表示方式。国内外各种疵瘸检测系统，大多数怒围绕着疵病对光 的散射性质来设计的。在借浆篡他方法的基础上，结翕实际检测环境的骚求，本系统设 诗了列雳蹙瘸数麓竞或像熬光学照徽敬辩藏像体系，系统成豫霪至的溅瘸圈豫为嚷鹜景 静瘟病囊稼，饕常适合于惹麓数字蚕像处理。