曲面光学元件表面缺陷检测技术研究
发布时间：2021-08-18 07:54
随着光学加工和测量技术的发展,精密光学元件已广泛应用于各个领域。在光学元件加工和使用过程中,难免会有表面缺陷产生。由光学元件表面缺陷引起的光束散射和能量损失会大大减少光学元件的使用寿命,甚至影响整个光学系统的性能,因此对表面缺陷的检测和评估具有非常重大的意义。目前,针对平面光学元件的检测技术已相对成熟,但在曲面光学元件特别是大口径曲面光学元件表面缺陷检测技术上还存在诸多难题。本文针对目前曲面光学元件表面检测中存在的问题和难点,提出了一套基于暗场散射成像原理的大口径曲面光学元件表面缺陷自动检系统,本文的主要研究内容如下:（1）对光学元件表面缺陷的分类和检测标准进行分析,简述了光学元件表面缺陷的主要检测方法及其优缺点,提出了实现大口径曲面光学元件表面缺陷检测的必要性。（2）研究了光学元件表面的各种散射源并对其散射光进行相关理论分析;建立了暗场散射模型并分析了其在光学元件表面缺陷检测上的可行性,为缺陷检测系统的搭建提供了理论基础。（3）借助有限时域差分方法对表面缺陷散射光进行仿真,为后续表面缺陷检测中照明系统的设计提供了理论依据。（4）完成了由光学元件位置调整系统,照明系统以及成像系统组成的...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光学元件表面缺陷检测方法
滤过，只通过低于这一阈值的那部分光，这样就避免了其他因素产生的散射光到达像面，像面上仅剩缺陷的亮像，可以很好的提高检测精度。掠射法[17]的基本原理为当平行光束入射到待测元件表面时，若投射光斑内不存在缺陷，光束将遵循反射定律或折射定律传播；若投射光斑内存在缺陷，入射光将被无规则的反射即散射。将成像物镜置于待检元件上方，若光斑处无缺陷则没有光线进入成像物镜，物镜的成像平面一片黑；若光斑处存在缺陷，则有光束进入物镜被物镜成像。通过逐点扫描的方法获得整个表面的缺陷图像。其光学系统原理图如图1-2所示。图1-2掠入射检测光学元件表面缺陷原理图[17]能量法主要包括散射能量分析法和频谱分析法。散射能量分析法的基本原理为通过对缺陷散射光的能量和角度分布情况进行分析从而实现对缺陷信息的掌握。其中，通过对缺陷发出散射光的能量积分，利用积分值与缺陷大小的线性关系可以判断缺陷的危害程度；通过测量不同角度散射光能量的大小，可以得到散射角与散射光能的关系示意图，根据图的形状可以判断缺陷的种类。该方法的缺点为检测速度相对较慢且不能确定缺陷在元件表面的具体位置。频谱分析法[18]通关检测缺陷表面反向衍射光能量来发现和评估缺陷。反向衍射光能量正比于缺陷的面积从而可以判断缺陷的大小；缺陷的衍射条纹不同可以判断缺陷的形状。图1-3是一种激光频谱分析法检测光学元件表面缺陷的原理图。该方法主要应用于平面光学元件及透镜的检测。
第一章绪论7图1-3激光频谱分析法检测缺陷原理图[19]1.4光学元件表面缺陷检测研究现状1.4.1平面光学元件表面缺陷检测研究现状自动化技术的不断进步和机器视觉技术的迅速发展促进了光学元件表面缺陷检测技术的全面发展，越来越多的缺陷定量化检测技术被提出，越来越的自动化缺陷检测设备和仪器进入了我们的视线。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LawrenceLivermoreNationalLaboratory，LLNL)针对美国国家点火装置(NationalIgnitionFacility，NIF)中米级口径精密光学元件缺陷检测提出了基于内全反射法原理的大口径光学元件表面缺陷检测方法[20]。原理如图1-4所示，当光以布儒斯特角的角度从光学元件边缘入射，假设光学元件表面光滑，那么在元件内部会发生全反射，光束全被反射到待测平面以下，显微镜无法收集到光；而倘若元件表面有缺陷存在，入射光会发生散射，缺陷激发的散射光会进入到成像显微镜，从而得到缺陷暗背景下的亮像。同时，在待测元件和棱镜之间一般会加入折射率匹配液来保证二者之间不会产生光的反射现象。利用内全反射法可以对光学元件表面和内部的缺陷进行检测，由于该方法检测设备结构简单，可以实现对缺陷的在线检测。目前NIF已经基于此原理建立起了成熟的终端光学元件损伤在线监测装置(FinalOpticsDamageInspection，FODI)[21]，因为内全反射法要求入射角必须为布儒斯特角，因此往往会造成缺陷的漏检；检测精度较低，其在线检测装置只能检测出50μm以上的缺陷，无法实现对微弱缺陷的检测。当无法使用棱镜及匹配液时，还需对元件进行磨边处理从而使检测光进入元件内部，导致检测成本变高，加工工序变复杂。
【参考文献】：
期刊论文
[1]均值滤波和中值滤波对InSAR影像预处理的影响研究[J]. 祁树刚,张启超. 测绘与空间地理信息. 2020(S1)
[2]基于FPGA的中值滤波算法的实现[J]. 齐凤莲,李旭. 机电产品开发与创新. 2020(03)
[3]基于改进高斯滤波的医学图像边缘增强[J]. 许蓉,王直,宗涛. 信息技术. 2020(04)
[4]基于Canny算子的边缘检测算法研究[J]. 商景辉. 信息与电脑(理论版). 2020(02)
[5]光学元件表面缺陷检测方法研究现状[J]. 向弋川,林有希,任志英. 光学仪器. 2018(01)
[6]光学元件表面缺陷相对位置分布对近场光束质量的影响[J]. 尤科伟,张艳丽,张雪洁,张军勇,朱健强. 中国激光. 2015(03)
[7]基于时域有限差分法的非球型气溶胶和卷云粒子散射特性研究[J]. 钟辰,高隽,吴良海,范之国. 光散射学报. 2014(04)
[8]基于辛RKN技术的FDTD方法[J]. 赵瑾,徐善驾,吴先良. 微波学报. 2012(S1)
[9]几种边缘检测算子的性能比较研究[J]. 王智文. 制造业自动化. 2012(11)
[10]基于高分辨力CCD的大口径光学元件疵病检测[J]. 程晓锋,徐旭,张林,贺群,袁晓东,蒋晓东,郑万国. 强激光与粒子束. 2009(11)
博士论文
[1]球面及非球面表面疵病检测关键技术研究[D]. 刘江.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2016
[2]精密表面缺陷检测散射成像理论建模及系统分析研究[D]. 王世通.浙江大学 2015
[3]基于图像技术的钢球表面缺陷分析与识别[D]. 赵彦玲.哈尔滨理工大学 2008
[4]光散射法测粒技术延伸测量下限的研究[D]. 沈建琪.上海理工大学 1999
硕士论文
[1]FDTD在电磁仿真中的应用[D]. 詹添奇.安徽大学 2019
[2]大口径光学元件体缺陷检测技术研究[D]. 刘昂.中国工程物理研究院 2019
[3]基于白光干涉的微观形貌检测系统设计研究[D]. 王炜毅.南京理工大学 2018
[4]超光滑球面光学元件表面缺陷检测及定量化评价研究[D]. 李阳.浙江大学 2016
[5]光学元件表面疵病散射法检测技术研究[D]. 王科.西安工业大学 2013
[6]基于米氏散射理论的粒度测试算法研究[D]. 王雪艳.西安工业大学 2011
[7]基于数字图像处理技术的光学元件表面缺陷检测与分析[D]. 米曾真.重庆大学 2009
[8]精密表面缺陷特性及光学显微散射成像系统的研究[D]. 孙丹丹.浙江大学 2006
本文编号：3349513
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光学元件表面缺陷检测方法
滤过，只通过低于这一阈值的那部分光，这样就避免了其他因素产生的散射光到达像面，像面上仅剩缺陷的亮像，可以很好的提高检测精度。掠射法[17]的基本原理为当平行光束入射到待测元件表面时，若投射光斑内不存在缺陷，光束将遵循反射定律或折射定律传播；若投射光斑内存在缺陷，入射光将被无规则的反射即散射。将成像物镜置于待检元件上方，若光斑处无缺陷则没有光线进入成像物镜，物镜的成像平面一片黑；若光斑处存在缺陷，则有光束进入物镜被物镜成像。通过逐点扫描的方法获得整个表面的缺陷图像。其光学系统原理图如图1-2所示。图1-2掠入射检测光学元件表面缺陷原理图[17]能量法主要包括散射能量分析法和频谱分析法。散射能量分析法的基本原理为通过对缺陷散射光的能量和角度分布情况进行分析从而实现对缺陷信息的掌握。其中，通过对缺陷发出散射光的能量积分，利用积分值与缺陷大小的线性关系可以判断缺陷的危害程度；通过测量不同角度散射光能量的大小，可以得到散射角与散射光能的关系示意图，根据图的形状可以判断缺陷的种类。该方法的缺点为检测速度相对较慢且不能确定缺陷在元件表面的具体位置。频谱分析法[18]通关检测缺陷表面反向衍射光能量来发现和评估缺陷。反向衍射光能量正比于缺陷的面积从而可以判断缺陷的大小；缺陷的衍射条纹不同可以判断缺陷的形状。图1-3是一种激光频谱分析法检测光学元件表面缺陷的原理图。该方法主要应用于平面光学元件及透镜的检测。
第一章绪论7图1-3激光频谱分析法检测缺陷原理图[19]1.4光学元件表面缺陷检测研究现状1.4.1平面光学元件表面缺陷检测研究现状自动化技术的不断进步和机器视觉技术的迅速发展促进了光学元件表面缺陷检测技术的全面发展，越来越多的缺陷定量化检测技术被提出，越来越的自动化缺陷检测设备和仪器进入了我们的视线。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LawrenceLivermoreNationalLaboratory，LLNL)针对美国国家点火装置(NationalIgnitionFacility，NIF)中米级口径精密光学元件缺陷检测提出了基于内全反射法原理的大口径光学元件表面缺陷检测方法[20]。原理如图1-4所示，当光以布儒斯特角的角度从光学元件边缘入射，假设光学元件表面光滑，那么在元件内部会发生全反射，光束全被反射到待测平面以下，显微镜无法收集到光；而倘若元件表面有缺陷存在，入射光会发生散射，缺陷激发的散射光会进入到成像显微镜，从而得到缺陷暗背景下的亮像。同时，在待测元件和棱镜之间一般会加入折射率匹配液来保证二者之间不会产生光的反射现象。利用内全反射法可以对光学元件表面和内部的缺陷进行检测，由于该方法检测设备结构简单，可以实现对缺陷的在线检测。目前NIF已经基于此原理建立起了成熟的终端光学元件损伤在线监测装置(FinalOpticsDamageInspection，FODI)[21]，因为内全反射法要求入射角必须为布儒斯特角，因此往往会造成缺陷的漏检；检测精度较低，其在线检测装置只能检测出50μm以上的缺陷，无法实现对微弱缺陷的检测。当无法使用棱镜及匹配液时，还需对元件进行磨边处理从而使检测光进入元件内部，导致检测成本变高，加工工序变复杂。
【参考文献】：
期刊论文
[1]均值滤波和中值滤波对InSAR影像预处理的影响研究[J]. 祁树刚,张启超. 测绘与空间地理信息. 2020(S1)
[2]基于FPGA的中值滤波算法的实现[J]. 齐凤莲,李旭. 机电产品开发与创新. 2020(03)
[3]基于改进高斯滤波的医学图像边缘增强[J]. 许蓉,王直,宗涛. 信息技术. 2020(04)
[4]基于Canny算子的边缘检测算法研究[J]. 商景辉. 信息与电脑(理论版). 2020(02)
[5]光学元件表面缺陷检测方法研究现状[J]. 向弋川,林有希,任志英. 光学仪器. 2018(01)
[6]光学元件表面缺陷相对位置分布对近场光束质量的影响[J]. 尤科伟,张艳丽,张雪洁,张军勇,朱健强. 中国激光. 2015(03)
[7]基于时域有限差分法的非球型气溶胶和卷云粒子散射特性研究[J]. 钟辰,高隽,吴良海,范之国. 光散射学报. 2014(04)
[8]基于辛RKN技术的FDTD方法[J]. 赵瑾,徐善驾,吴先良. 微波学报. 2012(S1)
[9]几种边缘检测算子的性能比较研究[J]. 王智文. 制造业自动化. 2012(11)
[10]基于高分辨力CCD的大口径光学元件疵病检测[J]. 程晓锋,徐旭,张林,贺群,袁晓东,蒋晓东,郑万国. 强激光与粒子束. 2009(11)
博士论文
[1]球面及非球面表面疵病检测关键技术研究[D]. 刘江.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2016
[2]精密表面缺陷检测散射成像理论建模及系统分析研究[D]. 王世通.浙江大学 2015
[3]基于图像技术的钢球表面缺陷分析与识别[D]. 赵彦玲.哈尔滨理工大学 2008
[4]光散射法测粒技术延伸测量下限的研究[D]. 沈建琪.上海理工大学 1999
硕士论文
[1]FDTD在电磁仿真中的应用[D]. 詹添奇.安徽大学 2019
[2]大口径光学元件体缺陷检测技术研究[D]. 刘昂.中国工程物理研究院 2019
[3]基于白光干涉的微观形貌检测系统设计研究[D]. 王炜毅.南京理工大学 2018
[4]超光滑球面光学元件表面缺陷检测及定量化评价研究[D]. 李阳.浙江大学 2016
[5]光学元件表面疵病散射法检测技术研究[D]. 王科.西安工业大学 2013
[6]基于米氏散射理论的粒度测试算法研究[D]. 王雪艳.西安工业大学 2011
[7]基于数字图像处理技术的光学元件表面缺陷检测与分析[D]. 米曾真.重庆大学 2009
[8]精密表面缺陷特性及光学显微散射成像系统的研究[D]. 孙丹丹.浙江大学 2006
本文编号：3349513
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/boshibiyelunwen/3349513.html
