基于散射、衍射的光学表面疵病检测的研究
发布时间：2022-02-09 21:47
光学元件表面存在疵病,会导致光学系统的性能下降,因此在实际的加工、组装环节,元件的疵病检测至关重要。目前针对表面疵病的检测主要有散射能量法和成像法两大类,散射法的优势在于其有较高的灵敏度,且装置结构较为简单,而成像法的特点则是其可以获得清晰的疵病图像。多年来,人们的研究始终朝着获得高灵敏度和直观的疵病图像两个方向同时进行,经过发展和迭代,针对特定面型的检测设备和方案被层出不穷。但针对光学透镜的检测,始终受制于元件本身不同口径、曲率半径等的差异,至今还没有一款能适用于各种规格球面的检测装置。本文结合散射能量法和图像法各自的优势,配合设计的平台运动模式,较好的实现了不同球面透镜的表面疵病检测。主要工作如下:1.分析气泡、麻点等疵病相对应的Mie散射的能量分布,结合光线追迹仿真,得出麻点、划痕疵病散射的能量分布规律。用理论分析结合仿真指导实验,确定了实验光路中元件的参数、光线入射到样品表面的角度和在前向探测散射光能量等。2.设计了具有特定运动模式的平台,可实现不同规格的球面表面检测,推导各电机的运动方程并利用PLC编程实现,并且进行了静态实验,分析疵病散射的能量分布,与仿真的结果相吻合,明确...
【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】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１工厂流水线上工人利用目视法检测透镜表面疵病??疵病自动化检测的研究从上个世纪８０年代［５］开始，就一直是光学检测领域的一个重??
浙江大学硕上学位论文??５ｖｍ之间，图２．１（ｂ）为长划痕的照片，其尺度略大，接近７／ｉｍ。因此对于常见的表面疵病，??我们运用Ｍｉｅ散射理论对其散射光强度的分布进行模拟、分析是合理的。??■■??（ａ）?（ｂ）??图２．１高倍显微镜下透镜表面疵病图像（ａ）透镜表面擦痕（ｂ）透镜表面划痕??２．１．２?Ｍｉｅ散射理论??Ｍｉｅ散射由Ｇｕｓｔａｖ?Ｍｉｅ利用麦完斯韦方程推导得出，再加上相应的电磁场边界条件，??可以解出不同尺寸、不同折射率ｗ下的球形粒子的散射光强，随散射角度分布的表达形式。??目前的米氏理论已经发展出经典的Ｌｏｒｅｎｚ－Ｍｉｅ理论和广义的Ｍｉｅ理论｜２５＇２６｜（Ｇｅｎｃｒａｌｉｚｅｄ??Ｌｏｒｅｎｚ－Ｍｉｅ?Ｔｈｅｏｒｙ，?ＧＬＭＴ），经典的Ｍｉｅ理论主要针对平面波的入射产生的散射，而在通??常的测量系统中，入射光束多为激光会聚光波，因此ＧＬＭＴ弥补了经典理论的不足，其核??心是将入射波的电磁场，用直角坐标系的球矢量波函数展开。??当平面波入射到球形粒子表面时，由于球形粒子和周围物质的不同，因此会存在散射??的现象，恨据２．１．１节中的表格，当粒子的尺寸在几个波长到几十个波长之间时，散射的??光强分布满足Ｍｉｅ散射定律。目前ＧＬＭＴ主要分析了高斯光束与球形、椭球形粒子等几??种特定形状之间的作用［２７，２８１。本实验中透镜表面的麻点和透镜内部的气泡可等效为球形的??粒子［２９］。其尺寸也大多分布在微米量级，适合用Ｍｉｅ散射去分析，其散射光强分布满足［３（）＿??３２］：??又２??ｈｃａ?＝?Ｉ〇－＾ｒ＾ｉ＼Ｓｉ（Ｓ）＼２ｓｉｎ２（ｐ?＋?＼Ｓ２｛ｄ）＼２ｃｏｓ２（ｐ］?（２．１）??式中／。为入
经过透镜后的高斯光束的特性通常使用ｇ参数（等效于均勻球面波的曲率半径／？）和??ｊ?ｇ传播矩阵计算潯到，为使光束的发散角减少，实验中满足物距略大于焦距，则像距??／＇？／＇，此时像方束腰半径为：??ｆ?Ａｆ??〇ｊ〇?？?－ｒ〇ｊ〇?＝???（２．１７）??Ｉ?聽０??／为共焦参数，由激光器决定，６〇。＝５／／７？１，则得到会聚光斑约为０．５／７７？７，代入式２．１６??可得％?？?２、小的发散角度可以减小后面会聚透镜上反射镜的面积，减少对散射光能量的??阻挡。??
【参考文献】：
期刊论文
[1]拉盖尔高斯光束矢量远场单球粒子的散射特性[J]. 徐强,李金刚,王旭,韩一平,吴振森. 中国激光. 2018(06)
[2]大口径精密光学元件表面疵病快速检测方法[J]. 杨程,卢蓉,范勇,陈念年,柴立群. 计算机工程与设计. 2012(06)
[3]美国军用规范MIL-PRF-13830B表面疵病要求详解[J]. 王丽荣. 硅谷. 2012(04)
[4]强激光装置中玻璃疵病在线检测的光学系统设计[J]. 董卫斌,张敏,达争尚,陈良益,董晓娜,何俊华. 光子学报. 2009(03)
[5]简易Mie散射数值计算方法的研究[J]. 王君,何俊发,王莲芬,王红霞,周友杰. 应用光学. 2005(04)
[6]光散射粒度测量中采用Fraunhofer衍射理论或Mie理论的讨论[J]. 徐峰,蔡小舒,赵志军,沈嘉琪. 中国粉体技术. 2003(02)
[7]关于大颗粒Mie散射与Fraunhofer衍射问题的分析比较[J]. 杨晔,张镇西,蒋大宗. 激光技术. 1998(01)
[8]激光衍射图样识别法检验光学零件表面疵病[J]. 武勇军,白闻喜. 光学技术. 1996(04)
[9]检查光学零件表面疵病的反射式激光扫描方法[J]. 徐霆,裘颖刚. 光学仪器. 1981(02)
博士论文
[1]球面光学元件表面疵病评价系统中关键技术研究[D]. 曹频.浙江大学 2015
硕士论文
[1]基于Mie散射的光学玻璃内部气泡缺陷检测的研究[D]. 张赛.浙江大学 2016
[2]基于BRDF的光机系统杂散辐射研究[D]. 石栋梁.哈尔滨工业大学 2014
本文编号：3617693
【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】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１工厂流水线上工人利用目视法检测透镜表面疵病??疵病自动化检测的研究从上个世纪８０年代［５］开始，就一直是光学检测领域的一个重??
浙江大学硕上学位论文??５ｖｍ之间，图２．１（ｂ）为长划痕的照片，其尺度略大，接近７／ｉｍ。因此对于常见的表面疵病，??我们运用Ｍｉｅ散射理论对其散射光强度的分布进行模拟、分析是合理的。??■■??（ａ）?（ｂ）??图２．１高倍显微镜下透镜表面疵病图像（ａ）透镜表面擦痕（ｂ）透镜表面划痕??２．１．２?Ｍｉｅ散射理论??Ｍｉｅ散射由Ｇｕｓｔａｖ?Ｍｉｅ利用麦完斯韦方程推导得出，再加上相应的电磁场边界条件，??可以解出不同尺寸、不同折射率ｗ下的球形粒子的散射光强，随散射角度分布的表达形式。??目前的米氏理论已经发展出经典的Ｌｏｒｅｎｚ－Ｍｉｅ理论和广义的Ｍｉｅ理论｜２５＇２６｜（Ｇｅｎｃｒａｌｉｚｅｄ??Ｌｏｒｅｎｚ－Ｍｉｅ?Ｔｈｅｏｒｙ，?ＧＬＭＴ），经典的Ｍｉｅ理论主要针对平面波的入射产生的散射，而在通??常的测量系统中，入射光束多为激光会聚光波，因此ＧＬＭＴ弥补了经典理论的不足，其核??心是将入射波的电磁场，用直角坐标系的球矢量波函数展开。??当平面波入射到球形粒子表面时，由于球形粒子和周围物质的不同，因此会存在散射??的现象，恨据２．１．１节中的表格，当粒子的尺寸在几个波长到几十个波长之间时，散射的??光强分布满足Ｍｉｅ散射定律。目前ＧＬＭＴ主要分析了高斯光束与球形、椭球形粒子等几??种特定形状之间的作用［２７，２８１。本实验中透镜表面的麻点和透镜内部的气泡可等效为球形的??粒子［２９］。其尺寸也大多分布在微米量级，适合用Ｍｉｅ散射去分析，其散射光强分布满足［３（）＿??３２］：??又２??ｈｃａ?＝?Ｉ〇－＾ｒ＾ｉ＼Ｓｉ（Ｓ）＼２ｓｉｎ２（ｐ?＋?＼Ｓ２｛ｄ）＼２ｃｏｓ２（ｐ］?（２．１）??式中／。为入
经过透镜后的高斯光束的特性通常使用ｇ参数（等效于均勻球面波的曲率半径／？）和??ｊ?ｇ传播矩阵计算潯到，为使光束的发散角减少，实验中满足物距略大于焦距，则像距??／＇？／＇，此时像方束腰半径为：??ｆ?Ａｆ??〇ｊ〇?？?－ｒ〇ｊ〇?＝???（２．１７）??Ｉ?聽０??／为共焦参数，由激光器决定，６〇。＝５／／７？１，则得到会聚光斑约为０．５／７７？７，代入式２．１６??可得％?？?２、小的发散角度可以减小后面会聚透镜上反射镜的面积，减少对散射光能量的??阻挡。??
【参考文献】：
期刊论文
[1]拉盖尔高斯光束矢量远场单球粒子的散射特性[J]. 徐强,李金刚,王旭,韩一平,吴振森. 中国激光. 2018(06)
[2]大口径精密光学元件表面疵病快速检测方法[J]. 杨程,卢蓉,范勇,陈念年,柴立群. 计算机工程与设计. 2012(06)
[3]美国军用规范MIL-PRF-13830B表面疵病要求详解[J]. 王丽荣. 硅谷. 2012(04)
[4]强激光装置中玻璃疵病在线检测的光学系统设计[J]. 董卫斌,张敏,达争尚,陈良益,董晓娜,何俊华. 光子学报. 2009(03)
[5]简易Mie散射数值计算方法的研究[J]. 王君,何俊发,王莲芬,王红霞,周友杰. 应用光学. 2005(04)
[6]光散射粒度测量中采用Fraunhofer衍射理论或Mie理论的讨论[J]. 徐峰,蔡小舒,赵志军,沈嘉琪. 中国粉体技术. 2003(02)
[7]关于大颗粒Mie散射与Fraunhofer衍射问题的分析比较[J]. 杨晔,张镇西,蒋大宗. 激光技术. 1998(01)
[8]激光衍射图样识别法检验光学零件表面疵病[J]. 武勇军,白闻喜. 光学技术. 1996(04)
[9]检查光学零件表面疵病的反射式激光扫描方法[J]. 徐霆,裘颖刚. 光学仪器. 1981(02)
博士论文
[1]球面光学元件表面疵病评价系统中关键技术研究[D]. 曹频.浙江大学 2015
硕士论文
[1]基于Mie散射的光学玻璃内部气泡缺陷检测的研究[D]. 张赛.浙江大学 2016
[2]基于BRDF的光机系统杂散辐射研究[D]. 石栋梁.哈尔滨工业大学 2014
本文编号：3617693
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