光学元件亚表面缺陷检测自动调平与对焦研究
发布时间：2021-06-22 04:12
惯性约束聚变（Inertial confinementfusion,ICF）系统中存在大量不同口径的光学元件,这些元件承受三倍频激光通量,最容易发生激光损伤,导致激光系统的输出能力受限。而光学元件是否会发生激光损伤与元件的亚表面缺陷息息相关,在本文所研制的光学元件亚表面缺陷检测系统中,需要进行精密的调平与对焦工作,这部分工作如果完全依赖于人工,费时费力。待检测光学元件口径不断变大,数量不断增多,对缺陷检测系统的自动化、智能化提出了更高的要求。因此,有必要开展针对本文所研制的光学元件亚表面缺陷检测系统的自动调平与对焦研究。本文的主要内容如下:介绍了本文所研制的光学元件亚表面缺陷检测系统的检测原理与光路结构,搭建了基于现有缺陷检测系统的调平、对焦硬件系统,编写了实现调平、对焦自动化的软件模块。在自动调平方面,结合手动调平的方法与原理,提出了基于激光位移传感器的三点测距自动调平算法。根据被测样品口径的不同,设计不同的调平方案。将大口径光学元件调平时长从人工的四十分钟缩短到机器自动化的一分钟以内。在自动对焦方面,介绍了现有的多种自动对焦技术。根据本文所研制的缺陷检测系统中光学元件特有的成像特点...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１光学元件表面缺陷（ａ）划痕（ｂ）麻点（ｃ）擦痕（ｄ）破边??为开展针对熔石英光学元件精密抛光后可能残余的亚表面破碎、污染性缺陷??
?浙江大学硕士学位论文???２．全内反射法??全内反射法利用光的全反射原理，如图１．２所示，激光器发出的光经过反射??镜偏转后，通过棱镜耦合进入样品内部，棱镜与样品之间涂有折射率相近的液体??〖ＩＧ］。通过调节激光角度，使得入射角大于全反射角，此时没有光线进入显微镜中。??当样品亚表面出现缺陷时，缺陷散射的光会被显微镜收集并成像，因此显微镜得??到的图像是暗场图像。偏振片可以产生偏振光，提高缺陷的对比度。全内反射法??具备深度方向探测的能力，然而系统结构较为复杂，需要棱镜，无法进行大口径??缺陷检测。??ｃｃ〇ｒｈ＼??偏振片＝?射镜电脑??ｙ／?直角棱镜＼??图１．２全内反射法系统结构??３．激光散射显微技术??激光散射显微技术使用激光作为照明光源，配合显微镜与图像传感器进行暗??场显微成像，当待检测元件存在损伤结构时，暗场中会出现明亮的像。激光散射??显微技术成像速度快、分辨率高。基于荧光散射成像的激光散射显微技术可以准??确区分表面缺陷和亚表面缺陷。??综上，光学元件的亚表面缺陷检测目前正向着高精度、大口径、三维检测方??向发展，而检测的难点主要集中在如何排除光学元件表面缺陷的干扰。??１．２．２自动调平国内夕卜研究现状??目前，对缺陷检测系统的自动调平方法研究较少，本节主要介绍其他相关仪??器的调平方法、原理以及应用场景。现有的自动调平技术包括基于水平仪或倾角??传感器的调平方法、基于逐场调焦的调平方法、基于线扫描的调平方法、基于多??点测距的调平方法等。??６??
安装产生的误差也会严重影响调平精度。另??一方面，如果倾角传感器安装在样品的固定支架上，由于样品竖直放置，传感器??无法采集样品绕竖直轴的旋转角，同样无法完成调平工作。??基于逐场调焦的调平方法通过测量镜头到样品的距离，在拍摄毎个子孔径图??像之前进行自动对焦和调平，保证样品不会脱焦，不需要对样品整体进行调平。??这种方法适合焦深范围极小，样品面形影响较大的情况，主要应用在投影光刻机??中。测距手段有多种方式，包括三角法、共聚焦法、干涉法、叠栅条纹法等｜｜４１。??以共焦法为例，如图１．３所示，光源发出的光经过狭缝阵列后斜投影到硅片表面，??形成一片测量光斑，之后通过透镜成像到对应的探测狭缝阵列上。当硅片发生上??下移动时，阵列型探测器探测到的光强会发生变化，据此可以计算出硅片上光斑??的高度。平行平板可以微调狭缝像的位置，使测量基准平面与物镜的焦平面重合。??平行平板??光ｉｆｆ?｜?■探测器??｜｜??Ｊ禾测??狭缝??＾?投影物镜?阵列??阵列ａ?ＬＺＪ?ｉｎ??图１．３共焦法原理图??逐场调焦的调平技术主要用于解决投影光刻机中的极小焦深（对于分辨率为??ｌＯＯｎｍ的光刻机镜头，焦深为４００ｎｍ左右）问题，调平精度小于ｌＯＯｎｍ。以此??为代价的是，调平系统的结构复杂，体积较大。对于缺陷检测系统来说，这种方??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]光学元件亚表面损伤深度的无损荧光检测方法[J]. 侯晶,王洪祥,王储,王景贺,朱本温. 哈尔滨工业大学学报. 2018(07)
[2]基于线阵CCD的多表面焦点偏移测量[J]. 简俊明,文刚,朱茜,金鑫,杨光,杨西斌,李辉,武晓东. 激光与红外. 2018(04)
[3]基于多光谱技术的光学元件表面疵病检测[J]. 罗茂,步扬,徐静浩,王向朝. 中国激光. 2017(01)
[4]一种基于机器学习的自动对焦算法[J]. 贾海彦,赵山山,张红民. 微型机与应用. 2016(10)
[5]基于PSD的显微镜硬件自动聚焦系统研究[J]. 杨宇,赵宇,杨明,孟传瑞. 机电工程. 2016(01)
[6]基于数字图像处理的自动对焦算法的比较与分析[J]. 李全勇,李亨. 电脑知识与技术. 2013(35)
[7]高功率激光驱动器终端光学组件研究现状[J]. 李富全,韩伟,王芳,张小民,魏晓峰,冯斌,向勇,贾怀庭,李恪宇. 激光与光电子学进展. 2013(06)
[8]激光位移传感器测量原理及应用研究展望[J]. 马自军,杨双莲. 甘肃科技. 2012(02)
[9]大范围扫描原子力显微镜自动调平控制技术[J]. 陈代谢,殷伯华,林云生,初明璋,韩立. 仪器仪表学报. 2011(01)
[10]基于图像处理的航空成像设备自动调焦设计[J]. 赵志彬,刘晶红. 液晶与显示. 2010(06)
博士论文
[1]基于图像处理的自动检焦技术在航空相机中的应用研究[D]. 孟繁浩.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2016
硕士论文
[1]用于自动对焦的图像清晰度评价方法的研究[D]. 张丽.中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所) 2016
[2]基于图像处理的自动调焦技术[D]. 张晶.中国科学院研究生院(光电技术研究所) 2016
[3]基于全内反射法测量亚表面损伤深度位置的研究[D]. 王华林.南京理工大学 2016
[4]表面缺陷检测中姿态自动化调整及图像校准技术研究[D]. 严路.浙江大学 2015
[5]高灵敏度自动对焦系统的研究与实现[D]. 余炎.武汉理工大学 2014
[6]可见光相机调光调焦图像处理算法研究[D]. 黄辉.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2014
[7]基于频谱分析法的显微镜自动对焦方法的研究[D]. 赵航.浙江大学 2014
[8]基于图像的光测成像系统自动调焦方法研究[D]. 耿道鹏.国防科学技术大学 2008
[9]基于机器视觉的光刻机调焦调平系统[D]. 尹作海.华中科技大学 2007
[10]硅片调焦调平测量系统性能测试方法研究[D]. 金小兵.华中科技大学 2007
本文编号：3242094
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１光学元件表面缺陷（ａ）划痕（ｂ）麻点（ｃ）擦痕（ｄ）破边??为开展针对熔石英光学元件精密抛光后可能残余的亚表面破碎、污染性缺陷??
?浙江大学硕士学位论文???２．全内反射法??全内反射法利用光的全反射原理，如图１．２所示，激光器发出的光经过反射??镜偏转后，通过棱镜耦合进入样品内部，棱镜与样品之间涂有折射率相近的液体??〖ＩＧ］。通过调节激光角度，使得入射角大于全反射角，此时没有光线进入显微镜中。??当样品亚表面出现缺陷时，缺陷散射的光会被显微镜收集并成像，因此显微镜得??到的图像是暗场图像。偏振片可以产生偏振光，提高缺陷的对比度。全内反射法??具备深度方向探测的能力，然而系统结构较为复杂，需要棱镜，无法进行大口径??缺陷检测。??ｃｃ〇ｒｈ＼??偏振片＝?射镜电脑??ｙ／?直角棱镜＼??图１．２全内反射法系统结构??３．激光散射显微技术??激光散射显微技术使用激光作为照明光源，配合显微镜与图像传感器进行暗??场显微成像，当待检测元件存在损伤结构时，暗场中会出现明亮的像。激光散射??显微技术成像速度快、分辨率高。基于荧光散射成像的激光散射显微技术可以准??确区分表面缺陷和亚表面缺陷。??综上，光学元件的亚表面缺陷检测目前正向着高精度、大口径、三维检测方??向发展，而检测的难点主要集中在如何排除光学元件表面缺陷的干扰。??１．２．２自动调平国内夕卜研究现状??目前，对缺陷检测系统的自动调平方法研究较少，本节主要介绍其他相关仪??器的调平方法、原理以及应用场景。现有的自动调平技术包括基于水平仪或倾角??传感器的调平方法、基于逐场调焦的调平方法、基于线扫描的调平方法、基于多??点测距的调平方法等。??６??
安装产生的误差也会严重影响调平精度。另??一方面，如果倾角传感器安装在样品的固定支架上，由于样品竖直放置，传感器??无法采集样品绕竖直轴的旋转角，同样无法完成调平工作。??基于逐场调焦的调平方法通过测量镜头到样品的距离，在拍摄毎个子孔径图??像之前进行自动对焦和调平，保证样品不会脱焦，不需要对样品整体进行调平。??这种方法适合焦深范围极小，样品面形影响较大的情况，主要应用在投影光刻机??中。测距手段有多种方式，包括三角法、共聚焦法、干涉法、叠栅条纹法等｜｜４１。??以共焦法为例，如图１．３所示，光源发出的光经过狭缝阵列后斜投影到硅片表面，??形成一片测量光斑，之后通过透镜成像到对应的探测狭缝阵列上。当硅片发生上??下移动时，阵列型探测器探测到的光强会发生变化，据此可以计算出硅片上光斑??的高度。平行平板可以微调狭缝像的位置，使测量基准平面与物镜的焦平面重合。??平行平板??光ｉｆｆ?｜?■探测器??｜｜??Ｊ禾测??狭缝??＾?投影物镜?阵列??阵列ａ?ＬＺＪ?ｉｎ??图１．３共焦法原理图??逐场调焦的调平技术主要用于解决投影光刻机中的极小焦深（对于分辨率为??ｌＯＯｎｍ的光刻机镜头，焦深为４００ｎｍ左右）问题，调平精度小于ｌＯＯｎｍ。以此??为代价的是，调平系统的结构复杂，体积较大。对于缺陷检测系统来说，这种方??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]光学元件亚表面损伤深度的无损荧光检测方法[J]. 侯晶,王洪祥,王储,王景贺,朱本温. 哈尔滨工业大学学报. 2018(07)
[2]基于线阵CCD的多表面焦点偏移测量[J]. 简俊明,文刚,朱茜,金鑫,杨光,杨西斌,李辉,武晓东. 激光与红外. 2018(04)
[3]基于多光谱技术的光学元件表面疵病检测[J]. 罗茂,步扬,徐静浩,王向朝. 中国激光. 2017(01)
[4]一种基于机器学习的自动对焦算法[J]. 贾海彦,赵山山,张红民. 微型机与应用. 2016(10)
[5]基于PSD的显微镜硬件自动聚焦系统研究[J]. 杨宇,赵宇,杨明,孟传瑞. 机电工程. 2016(01)
[6]基于数字图像处理的自动对焦算法的比较与分析[J]. 李全勇,李亨. 电脑知识与技术. 2013(35)
[7]高功率激光驱动器终端光学组件研究现状[J]. 李富全,韩伟,王芳,张小民,魏晓峰,冯斌,向勇,贾怀庭,李恪宇. 激光与光电子学进展. 2013(06)
[8]激光位移传感器测量原理及应用研究展望[J]. 马自军,杨双莲. 甘肃科技. 2012(02)
[9]大范围扫描原子力显微镜自动调平控制技术[J]. 陈代谢,殷伯华,林云生,初明璋,韩立. 仪器仪表学报. 2011(01)
[10]基于图像处理的航空成像设备自动调焦设计[J]. 赵志彬,刘晶红. 液晶与显示. 2010(06)
博士论文
[1]基于图像处理的自动检焦技术在航空相机中的应用研究[D]. 孟繁浩.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2016
硕士论文
[1]用于自动对焦的图像清晰度评价方法的研究[D]. 张丽.中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所) 2016
[2]基于图像处理的自动调焦技术[D]. 张晶.中国科学院研究生院(光电技术研究所) 2016
[3]基于全内反射法测量亚表面损伤深度位置的研究[D]. 王华林.南京理工大学 2016
[4]表面缺陷检测中姿态自动化调整及图像校准技术研究[D]. 严路.浙江大学 2015
[5]高灵敏度自动对焦系统的研究与实现[D]. 余炎.武汉理工大学 2014
[6]可见光相机调光调焦图像处理算法研究[D]. 黄辉.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2014
[7]基于频谱分析法的显微镜自动对焦方法的研究[D]. 赵航.浙江大学 2014
[8]基于图像的光测成像系统自动调焦方法研究[D]. 耿道鹏.国防科学技术大学 2008
[9]基于机器视觉的光刻机调焦调平系统[D]. 尹作海.华中科技大学 2007
[10]硅片调焦调平测量系统性能测试方法研究[D]. 金小兵.华中科技大学 2007
本文编号：3242094
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