球面及非球面表面疵病检测关键技术研究

发布时间：2017-11-04 08:41

  本文关键词：球面及非球面表面疵病检测关键技术研究

  更多相关文章： 光学检测 表面疵病 球面及非球面 景深延拓 光瞳滤波器 波前编码板 图像处理

【摘要】：表面疵病是高精度光学元件质量评价的一个重要指标,主要来源于加工和使用过程中的不当操作。由于表面疵病会造成光束的散射和能量损耗,影响光学元件的使用寿命和光学系统的运行性能,因此需要对光学元件的表面疵病进行检测和评估。目前,国内外在表面疵病检测方面的研究主要针对于平面光学元件,对于球面和非球面光学元件的研究鲜有报道,由于球面及非球面非球面与平面的光学性质有很大的差异,若直接采用针对平面的检测技术来检测球面及非球面会存在种种不足和困难。本论文根据光刻投影物镜光学系统中球面及非球面光学元件的表面疵病检测需求,在综合国内外现有的表面疵病成像检测方法的基础上,设计和搭建了一套应用亮场照明的显微成像表面疵病检测系统。根据投影物镜对光学元件表面疵病的检测要求和系统性能参数的需求分析,该检测系统所需解决的核心问题是如何在现有的机械调整精度下,同时满足光学系统的成像景深和分辨率,即克服成像景深与分辨率的相互制约。为了解决这一问题,本文重点研究了应用光瞳滤波器和波前编码板延拓疵病检测显微成像系统的景深。同时,对疵病检测中的图像处理系统中的关键算法进行了研究,提高了运算速度,使其可以满足实时检测的需求。本文的主要研究内容包括:1.提出了亮场照明显微疵病检测系统的总体设计方案,并结合疵病检测需求,对系统中成像系统光学参数和调整结构机械参数进行了需求分析。通过分析得出,该系统中所需要解决的核心问题是在机械调整精度下,同时满足成像系统的景深和分辨率需求;2.设计了对检测系统的成像景深进行延拓的泽尼克位相型光瞳滤波器和非整数幂次型波前编码板。文中理论分析了所设计的光瞳滤波器和波前编码板景深延拓能力,并进行了成像仿真,结果表明,对于10X,NA为0.2的显微物镜,泽尼克位相型光瞳滤波器可以延拓其景深至约60微米,非整数幂次型波前编码板可以延拓至100微米左右。相较于光瞳滤波器,波前编码板具有更大的景深延拓能力,因此,利用光学成像系统调制传递函数(MTF)稳定性,进一步地设计了可同时适用于多种倍率显微物镜下的波前编码板,并通过ZEMAX进行了成像仿真,证明其在5X-40X倍率物镜下的均具有良好的景深延拓能力,验证了波前编码板可以解决景深和分辨率相互制约的核心问题;3.对疵病检测图像处理系统进行了研究。文中分别对疵病检测图像处理系统中的主要功能单元中的关键算法进行了研究分析。在疵病图像预处理单元,根据疵病图像的灰度等级分布的集中性,提出了自适应的直方图均衡化算法,对原始图像进行了灰度级扩展,提高了图像对比度,使其更有利于后续的图像处理。在疵病的识别测量单元,应用Canny边缘检测算法对疵病进行识别,结合图像的直方图均衡化结果,给出了其中滤波器参数的计算方法,同时保证了算法的边缘定位精度和噪声平滑能力。在图像拼接单元,应用疵病检测系统的机械定位坐标对SIFT拼接算法进行了优化,提高了算法的运行效率;综合分析,单帧图像处理速率为0.8s,可以满足疵病检测系统实时检测的需求;4.搭建了用于疵病检测的大景深显微成像系统。基于本文波前编码板的设计结果,实际加工了疵病检测所需的波前编码板。在此基础上,搭建了同轴亮场照明的显微成像检测系统。通过对显微刻划板的成像,实验验证了系统的大景深成像能力。最后,在实验室现有机械调整台上,对D100,R#0.8的凹球面镜进行了表面疵病检测的验证性实验,实验结果表明,设计的应用亮场照明的显微疵病检测系统能够对光刻投影物镜中球面及非球面光学元件进行疵病的自动化检测。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH74;TP391.41

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本文编号：1138683