差动共焦定面干涉靶丸内、外表面缺陷检测方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及差动共焦定面干涉靶丸内、外表面缺陷检测方法及装置，属于光学成像与检测技术领域。该方法首次利用差动共焦光强响应曲线高分辨、高灵敏的过零点为判断依据来精准定位靶丸(被测面)和相机(探测面)的轴向位置，以此分别实现靶丸内、外表面的直接、准确对焦成像；采用短相干光源区分内、外表面干涉图，利用移相干涉技术分别测得内、外表面缺陷分布；在成像光路中增加准直‑成像透镜并采用移动干涉相机的原位对焦方式，根据测得外表面缺陷的像素位置精准、原位地剔除其造成的内表面伪缺陷，有效解决内表面伪缺陷的误判问题。本发明专利技术为靶丸内、外表面缺陷的高精度直接检测和大批量自动化检测提供第一条可行途径。

【技术实现步骤摘要】
差动共焦定面干涉靶丸内、外表面缺陷检测方法与装置
本专利技术属于光学成像与检测
，用于惯性约束核聚变(ICF)中最为核心的关键器件——靶丸的内、外表面缺陷精密检测等。
技术介绍
惯性约束核聚变(ICF)不仅是人类未来获取清洁能源的理想技术手段，而且为极端高温、高压条件下凝聚态物理及天体物理等前沿科学研究的开展提供强有力支撑。目前中、美、法、俄、日等国均已大力开展ICF相关研究。ICF将多路高能激光精确聚焦在一个内部填充DT燃料的微小空心球形靶丸上，靶丸壳层瞬间发生内爆并均匀压缩其内部的DT燃料至高温高压状态，从而实现聚变点火。靶丸是ICF装置中最为核心的关键部件，靶丸内、外表面上的微小形貌变化是导致点火失败的关键因素，而孤立缺陷又是决定内、外表面形貌质量的关键因素，其将严重降低靶丸内爆压缩过程的对称性和稳定性，进而导致点火失败。因此，如何实现靶丸内、外表面缺陷的精密测量是ICF研究中亟待解决的关键问题，具有重要科学意义和应用价值。目前，靶丸表面缺陷检测方法包括原子力(AFM)扫描法、显微法和干涉法等，但是尚无一种方法可以有效实现靶丸内、外表面缺陷的直接、精密检测。AFM扫描法利用AFM探针接触靶丸外表面，然后将靶丸绕轴线旋转一周以获得一条靶丸截线形貌，进而通过扫描多条截线来获得测量外表面缺陷。AFM扫描法的优势在于具有极高的轴向分辨力，但是，其属于接触式测量方法，无法无损测量内表面缺陷。显微法包括共焦显微镜、全息显微镜和扫描电子显微镜(SEM)等。其采用上述显微镜直接检测靶丸的外表面形貌，进而获得缺陷分布结果。显微法的优势在于技术成熟，有商业化的仪器便于测量系统的集成，测量精度高等。但是，受球差，相干性及透过率等因素的影响，上述方法均无法透过球形的壳层来对内、外表面进行对焦和测量，无法实现内表面缺陷无损精密检测。干涉法的测量视场大，检测效率高，不易遗漏孤立缺陷，因而在靶丸内、外表面缺陷测量方面获得广泛应用。基于干涉法的靶丸表面缺陷检测最为关键的步骤是精确调整靶丸和相机的轴向位置，即“精准定面”，使被测面精准成像在探测面上，这样从测得波面结果中即可直接、准确地获得缺陷分布。若被测面离焦，直接测得的表面缺陷将发生高度降低和宽度展宽，严重时甚至无法分辨。现有方法中靶丸和相机的轴向位置固定，只能对外表面对焦，内表面离焦。这就导致内、外表面缺陷无法同时直接测量。针对这一问题，现有技术采用间接计算内表面缺陷的方案，即采用逆向衍射计算获取衍射面复振幅分布，即从模糊的结果中间接地复原出被测缺陷。然而，这种间接计算的技术方案未能从根本上解决内表面离焦的问题，其不仅算法更为复杂，而且精度和效率均不如直接成像测量来得高。因此，现有干涉法难以实现内、外表面缺陷的直接、精密检测，关键在于难以实现“精准定面”，即精确调整靶丸和相机的轴向位置分别使得内外表面都精准对焦成像在干涉相机上。亟需寻找一种有效途径来精准调整定位被测靶丸和干涉相机的轴向位置，以此实现内、外表面的直接对焦和缺陷精密检测。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有方法难以实现靶丸内、外表面精准对焦和内、外表面缺陷直接精密检测的问题，提出利用差动共焦定位技术实现干涉显微光路中靶丸和相机的精准快速自动定位，进而有效保证内、外表面对焦精度和缺陷测量精度，并为快速自动化检测提供关键技术基础和保障。在此基础上，改进了传统干涉显微成像光路并提出采用原位对焦方式以保证内外表面结果的像素原位对应特性，进而实现内表面伪缺陷的精准原位标记剔除。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。差动共焦定面干涉靶丸内、外表面缺陷检测方法，具体测量步骤如下：(1-1)打开点光源，点光源发出的测量光束经过准直镜和显微物镜后会聚在显微物镜的焦点处，利用差动共焦高精度定位技术分别准确定位被测靶丸和干涉相机，使靶丸内、外表面分别精确对焦成像在干涉相机上；(1-2)由近向远地调整参考臂的光学延迟，干涉相机中第一次出现的干涉条纹即外表面干涉条纹，第二次出现的干涉条纹即内表面干涉条纹；轴向步进式地驱动参考镜进行机械式移相，干涉相机采集N帧移相干涉图，移相干涉图的光强表达式可表示为：其中Ii及Io分别表示内、外表面干涉图光强，(x,y)表示干涉图的像素坐标，n＝1,2…N表示移相干涉图的帧数，A和B分别表示背景光强和调制度，和表示内、外表面反射波面的相位，δ表示移相量；(1-3)利用移相干涉算法从采集的移相干涉图中提取和经过解包裹、拟合剔除、高通滤波处理后，利用公式(2)得出内、外表面缺陷分布hi和ho其中λ表示光源的中心波长，M表示由外表面缺陷对内表面测量光相位调制造成的内表面伪缺陷，外表面缺陷与其造成的内表面伪缺陷具有相同的像素坐标，根据外表面缺陷的像素位置将内表面伪缺陷精准、原位地标记或剔除。差动共焦定面干涉靶丸内、外表面缺陷检测方法，利用差动共焦技术实现内、外表面精确对焦成像的步骤如下：(2-1)将靶丸外表面精确定位在猫眼位置：在猫眼位置轴向扫描靶丸，将第一探测器和第二探测器探测的光强差动相减即可得到如公式(3)所述的差动共焦响应曲线，其中，ID表示差动共焦光强，u表示归一化轴向位移，uM表示探测器的归一化离焦量。调整靶丸的轴向位置使差动共焦响应曲线的强度为零；(2-2)将干涉相机定位在外表面共轭成像位置：将靶丸从猫眼位置向靠近物镜的方向移动d1的距离使得外表面反射光束的聚焦点与猫眼位置的距离正好是靶丸外径，此时反射的测量光汇聚在干涉相机靶面上。轴向扫描干涉相机并记录其轴向位置，在干涉相机上设置虚拟针孔，将虚拟针孔内所有像素灰度值的积分作为探测光强即可探测到共焦响应曲线，其中IC表示共焦光强，u表示归一化轴向位移。对该曲线进行单边平移差动处理或sinc2拟合处理即可精确获得其顶点的轴向位置坐标，将干涉相机准确调整至该坐标位置；(2-3)将靶丸精确定位在共焦位置：将靶丸继续向靠近物镜的方向移动至共焦位置附近并轴向扫描靶丸，差动共焦探测系统可探测到差动共焦响应曲线，调整靶丸的轴向位置使差动共焦响应曲线的强度为零，此时实现靶丸外表面精准对焦；(2-4)将干涉相机定位在内表面共轭成像位置：以干涉相机的外表面共轭成像位置为原点，将干涉相机像靠近成像透镜的方向移动d2的距离，即将干涉相机定位在内表面共轭成像位置，此时实现靶丸内表面精准对焦差动共焦定面干涉靶丸内、外表面缺陷检测方法，移相的引入还可通过同步瞬态移相技术实现，即无需机械移动参考臂，在成像光路中增加四分之一波片，将干涉相机的每4个像素分为一组，每组像素前依次放置0°,45°,90°,135°的偏振片，进而从一帧干涉图中即可提取出4帧移相量为90度的移相干涉图。差动共焦定面干涉靶丸内、外表面缺陷检测方法，共焦曲线的单边平移差动处理步骤如下：选取共焦曲线两侧相对强度在0.45-0.65之间的数据点，分别拟合出两条直线lA和lB，将两直线差动相减可得到差动共焦直线ldc，求出ldc的绝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.差动共焦定面干涉靶丸内、外表面缺陷检测方法，其特征在于：包括如下检测步骤：/n(1-1)打开短相干激光器，发出的测量光束经过准直透镜和测量物镜后会聚，利用差动共焦高精度定位技术分别准确定位被测靶丸和干涉相机，使靶丸内、外表面分别精确对焦成像在干涉相机上；/n(1-2)由近向远地调整参考臂的光学延迟，干涉相机中第一次出现的干涉条纹即外表面干涉条纹，第二次出现的干涉条纹即内表面干涉条纹；轴向步进式地驱动参考镜进行机械式移相，干涉相机采集N帧移相干涉图，移相干涉图的光强表达式表示为：/n

【技术特征摘要】
1.差动共焦定面干涉靶丸内、外表面缺陷检测方法，其特征在于：包括如下检测步骤：
(1-1)打开短相干激光器，发出的测量光束经过准直透镜和测量物镜后会聚，利用差动共焦高精度定位技术分别准确定位被测靶丸和干涉相机，使靶丸内、外表面分别精确对焦成像在干涉相机上；
(1-2)由近向远地调整参考臂的光学延迟，干涉相机中第一次出现的干涉条纹即外表面干涉条纹，第二次出现的干涉条纹即内表面干涉条纹；轴向步进式地驱动参考镜进行机械式移相，干涉相机采集N帧移相干涉图，移相干涉图的光强表达式表示为：






其中Ii及Io分别表示内、外表面干涉图光强，(x,y)表示干涉图的像素坐标，n＝1,2…N表示移相干涉图的帧数，A和B分别表示背景光强和调制度，和分别表示内、外表面反射波面的相位，δ表示移相量；
(1-3)利用移相干涉算法从采集的移相干涉图中提取和经过解包裹、拟合剔除和高通滤波处理后，利用公式(2)得出内、外表面缺陷分布hi和ho



其中λ表示光源的中心波长，M表示由外表面缺陷对内表面测量光相位调制造成的内表面伪缺陷，外表面缺陷与其造成的内表面伪缺陷具有相同的像素坐标，根据外表面缺陷的像素位置将内表面伪缺陷精准、原位地标记或剔除。


2.根据权利要求1所述的差动共焦定面干涉靶丸内、外表面缺陷检测方法，其特征在于：步骤(1)所述利用差动共焦高精度定位技术分别准确定位被测靶丸和干涉相机，使靶丸内、外表面分别精确对焦成像在干涉相机上的步骤如下：
(2-1)将靶丸外表面精确定位在猫眼位置：在猫眼位置轴向扫描靶丸，将第一探测器和第二探测器探测的光强差动相减即得到如公式(3)所述的差动共焦响应曲线，



其中，ID表示差动共焦光强，u表示归一化轴向位移，uM表示探测器的归一化离焦量；调整靶丸的轴向位置使差动共焦响应曲线的强度为零；
(2-2)将干涉相机定位在外表面共轭成像位置：将靶丸从猫眼位置向靠近测量物镜的方向移动d1的距离使得外表面反射光束的聚焦点与猫眼位置的距离正好是靶丸外径，此时反射的测量光汇聚在干涉相机靶面上；轴向扫描干涉相机并记录其轴向位置，在干涉相机上设置虚拟针孔，将虚拟针孔内所有像素灰度值的积分作为探测光强即可探测到共焦响应曲线，



其中IC表示共焦光强，u表示归一化轴向位移；对该曲线进行单边平移差动处理或sinc2拟合处理即可精确获得其顶点的轴向位置坐标，将干涉相机准确调整至该坐标位置；
(2-3)将靶丸精确定位在共焦位置：将靶丸继续向靠近物镜的方向移动至共焦位置附近并轴向扫描靶丸，差动共焦探测系统探测到差动共焦响应曲线，调整靶丸的轴向位置使差动共焦响应曲线的强度为零，此时实现靶丸外表面精准对焦；
(2-4)将干涉相机定位在内表面共轭成像位置：以干涉相机的外表面共轭成像位置为原点，将干涉相机像靠近成像透镜的方向移动d2的距离，即将干涉相机定位在内表面共轭成像位置，此时实现靶丸内表面精准对焦。


3.根据权利要求1所述的差动共焦定面干涉靶丸内、外表面缺陷检测方法，其特征在于：步骤(1-2)所述移相还能够通过同步瞬态移相技术实现，即无需轴向步进式地驱动参考镜进行机械式移相；
所述同...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵维谦，杨帅，王允，邱丽荣，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11