一种平面光学元件表面质量快速检测装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种平面光学元件表面质量快速检测装置及其方法，包括：光电探测器1，与分束镜结合置于探测光路中，以测量入射光能量；光电探测器2，固定在积分球内探测孔处，以测量散射光能量；二维旋转系统，用于固定待测元件，并且安装于XY导轨上，以实现待测元件的多轴联动。本发明专利技术的测量原理是：由激光光源发射的探测光束依次穿过分束镜、激光扩束器、高反射镜，经积分球入射孔投射到被测元件上，形成散射光；所述散射光的镜面部分经积分球出射孔/样品孔离开积分球，由光收集器收集；所述散射光的漫散射部分在积分球内多次反射形成均匀光，由光电探测器2测量。根据本发明专利技术的检测装置可实现平面光学元件表面疵病级数的快速检测。

A Rapid Detection Device for Surface Quality of Planar Optical Elements and Its Method

【技术实现步骤摘要】
一种平面光学元件表面质量快速检测装置及其方法
本专利技术涉及光学检测
，具体来说，涉及一种基于总散射测量的平面光学元件表面质量快速检测装置及其方法。
技术介绍
由于现代加工工艺的限制，光学元件经抛光加工后不可避免地会留下宏观随机分布于表面的各类缺陷，包括麻点、气泡、划痕、破边、破点等。在精密光学系统中，光学元件表面疵病能够引起光散射，从而产生背景噪声，使系统性能降低。此外，在高功率激光系统中，表面疵病还会吸收大量光能量，产生热应力，对光学元件甚至整个光学系统的正常运行造成破坏性影响。对平面光学元件表面疵病的检测，目前主要采用目测法，即利用光的散射特性在暗场照明的条件下使用光学放大镜或直接用肉眼进行观察并判断疵病的种类、大小和分布。然而，目测法容易受到人为因素的影响，具有主观性强、检测效率低的不足。相比人工判定，近年来基于客观精确的数字化判定的自动化检测方法已得到迅速发展，如：显微镜测量法、激光频谱法、相干滤波成像法等。这些方法的检测精度已达微米级，更适用于精密光学元件表面疵病的检测，但其检测过程往往需要花费非常多的时间，对于大批量平面光学元件的快速检测，上述方法已不能满足实际需求。综上所述，现有的表面疵病检测技术存在不能在短时间内获取大批量平面光学元件表面疵病级数的问题。
技术实现思路
为了解决现有表面疵病检测技术存在的不能在短时间内获取大批量平面光学元件表面疵病信息的问题，本专利技术提出了一种基于总散射测量的平面光学元件表面质量快速检测装置，具体包括激光光源、分束镜、激光扩束器、孔径光阑、高反射镜、积分球、CMOS图像传感器、光收集器、漫反射板、光电探测器1、光电探测器2、XY二维导轨、二维旋转系统、Z导轨、平面光学元件；平面光学元件固定于二维旋转系统上，二维旋转系统安装于XY导轨上，从而实现平面光学元件的多轴联动；CMOS图像传感器连接到外部图像处理器上并固定在积分球底部，积分球固定于Z向导轨上，并随着Z向导轨延Z轴方向平动，光电探测器2固定在积分球探测孔处；光电探测器1置于探测光路中，结合激光分束镜，实现探测光束能量的实时监控。上述检测装置是基于光的散射原理，具体表现为：由激光光源发射的探测光束依次穿过分束镜、激光扩束器、高反射镜，经积分球入射孔投射在所述被测平面光学元件上，形成散射光；所述散射光的镜面反射部分经积分球出射孔/样品孔离开积分球，由光收集器收集；所述散射光的漫散射部分在积分球内多次反射形成均匀光，由光电探测器2测量。其中，探测光束为平面单色光波；积分球内壁涂层材料在所述探测光波长是高漫散射的；所述积分球内探测孔附近设置挡板，挡板表面涂层与积分球内壁涂层材料一致；积分球底部设置CMOS图像传感器，所述CMOS图像传感器与外部图像处理器连接；光电探测器1光敏感区前设置漫散射板；所述光电探测器1可选择光电二极管、光电倍增管等；所述光电探测器2通常采用光电倍增管；探测光路中设置孔径光阑以消除系统杂散光。基于总散射测量的平面光学元件表面质量快速检测方法，包括如下步骤：步骤1：已知表面总散射值的标准板随XY导轨移动至积分球样品孔处，调整所述标准板与积分球在X/Y/Z方向上的相对位置，使得标准板与样品孔中心在X/Y/Z方向上的重合，并通过CMOS图像传感器观察积分球底部与待测标准板表面的空气间隙，以避免物理碰撞。步骤2：探测光投射在标准板表面产生光散射，通过光电探测器1和光电探测器2对探测光和散射光能量实时监控，并记作Vst1和Vst2；再通过平移Z导轨将积分球升高，通过XY二维导轨将标准板移动至便于更换待测样品位置。步骤3：待测平面光学元件固定于二维旋转系统，随XY二维导轨移动至积分球样品孔处，调整所述待测平面光学元件与积分球在X/Y/Z方向上的相对位置使得标准板与样品孔中心在X/Y/Z方向上的重合。步骤4：探测光束投射在被测平面光学元件表面，若表面不存在疵病特征则由表面粗糙度产生散射光进入积分球，若表面存在疵病特征则由疵病与粗糙度共同产生散射光进入积分球；所述漫散射光在积分球内多次漫反射后形成均匀光，由光电探测器2测量，测得信号记作Voe2；由光电探测器1同步测得的信号记作Voe1。步骤5：被测平面光学元件表面总散射值可以计算通过：式中，TSst是标准板的总散射值。步骤6：利用数据处理方法，根据测量表面总散射数据提取被测平面光学元件表面疵病级数信息。进一步地，所述探测光束应全口径投射在被测平面光学元件表面，以实现所述被测平面光学元件表面总散射的快速测量；若所述被测平面光学元件口径过大，可通过XY二维导轨和二维旋转系统的多轴联动，使被测平面光学元件沿特定轨迹进行移动，从而完成覆盖被测大口径平面光学元件表面的全口径扫描，并记录扫描时各采样点X/Y位置信息；所述扫描轨迹应覆盖整个被测平面光学元件表面，且考虑扫描光斑重叠部分的数据处理；若所述被测平面光学元件口径过小，可通过孔径光阑遮挡以减小探测光直径，确保探测光全部投射在被测平面光学元件表面。进一步地，步骤6所述的数据处理方法是基于国内外标准及表面粗糙度和表面疵病的散射理论提出；所述国内外标准具体包括ISO13696、MIL-PRF-13830B、GB1185-2006、ISO10110-7、ISO10110-8等；所述粗糙度的散射理论包括Rayleigh-Rice散射理论、Beckmann-Kirchhoff散射理论、Harvey-Shack散射理论等；所述疵病的散射理论具体包括Mie理论、Peterson疵病散射理论等。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术的大口径平面光学元件表面质量快速检测装置示意图。图中：1.激光光源、2.分束镜、3.激光扩束器、4.孔径光阑、5.高反射镜、6.漫反射板、7.光电探测器1、8.Z导轨、9.高反射镜、10.孔径光阑、11.光收集器、12.积分球入射孔、13.积分球出射孔、14.积分球、15.积分球内壁、16.挡板、17.积分球探测孔、18.光电探测器2、19.积分球样品孔、20.大口径平面光学元件、21.二维旋转系统、22.XY二维导轨、23.CMOS图像传感器。具体实施例下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。请参阅图1，本专利技术实施例中提供了一种基于总散射测量的平面光学元件表面质量快速检测装置，具体包括激光光源、分束镜、激光扩束器、孔径光阑、高反射镜、积分球、CMOS图像传感器、光收集器、漫反射板、光电探测器1、光电探测器2、XY二维导轨、二维旋转系统、Z导轨、平面光学元件；平面光学元件固定于二维旋转系统上，二维旋转系统安装于XY导轨上，从而实现平面光学元件的多轴联动；CMOS图像传感器连接到外部图像处理器上并固定在积分球底部，积分球固定于Z向导轨上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于总散射测量的平面光学元件表面质量快速检测装置，其特征在于，包括激光光源、分束镜、激光扩束器、孔径光阑、高反射镜、积分球、CMOS图像传感器、光收集器、漫反射板、光电探测器1、光电探测器2、XY二维导轨、二维旋转系统、Z导轨、平面光学元件；平面光学元件固定于二维旋转系统上，二维旋转系统安装于XY导轨上，从而实现平面光学元件的多轴联动；CMOS图像传感器连接到外部图像处理器上并固定在积分球底部，积分球固定于Z向导轨上，并随着Z向导轨延Z轴方向平动，光电探测器2固定在积分球探测孔处；光电探测器1置于探测光路中，结合激光分束镜，实现探测光束能量的实时监控。

【技术特征摘要】
1.基于总散射测量的平面光学元件表面质量快速检测装置，其特征在于，包括激光光源、分束镜、激光扩束器、孔径光阑、高反射镜、积分球、CMOS图像传感器、光收集器、漫反射板、光电探测器1、光电探测器2、XY二维导轨、二维旋转系统、Z导轨、平面光学元件；平面光学元件固定于二维旋转系统上，二维旋转系统安装于XY导轨上，从而实现平面光学元件的多轴联动；CMOS图像传感器连接到外部图像处理器上并固定在积分球底部，积分球固定于Z向导轨上，并随着Z向导轨延Z轴方向平动，光电探测器2固定在积分球探测孔处；光电探测器1置于探测光路中，结合激光分束镜，实现探测光束能量的实时监控。2.如权利要求1所述的基于总散射测量的平面光学元件表面质量快速检测装置，其特征在于，测量原理是基于光在光学表面的散射，具体表现为：由激光光源发射的探测光束依次穿过分束镜、激光扩束器、高反射镜，经积分球入射孔投射在所述被测平面光学元件上，形成散射光；所述散射光的镜面反射部分经积分球出射孔/样品孔离开积分球，由光收集器收集；所述散射光的漫散射部分在积分球内多次反射形成均匀光，由光电探测器2测量。3.如权利要求1所述的基于总散射测量的平面光学元件表面质量快速检测装置，其特征在于，探测光束为平面单色光波；积分球内壁涂层材料在所述探测光波长是高漫散射的；所述积分球内探测孔附近设置挡板，挡板表面涂层与积分球内壁涂层材料一致；积分球底部设置CMOS图像传感器，所述CMOS图像传感器与外部图像处理器连接；光电探测器1光敏感区前设置漫散射板；所述光电探测器1可选择光电二极管、光电倍增管等；所述光电探测器2通常采用光电倍增管；探测光路中设置孔径光阑以消除系统杂散光。4.基于总散射测量的平面光学元件表面质量快速检测方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：已知表面总散射值的标准板随XY导轨移动至积分球样品孔处，调整所述标准板与积分球在X/Y/Z方向上的相对位置，使得标准板与样品孔中心在X/Y/Z方向上的重合，并通过CMOS图像传感器观察积分球底部与待测标准板表面的空气间隙，以避免物理碰撞；步骤2：探测光投射在标准板表面产生光散射，通过光电探测器1和光电探测器2对探测光和散射光能量实时监...

【专利技术属性】
技术研发人员：张彬，钟哲强，张科鹏，黄聪，张小民，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51