一种光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法及检测系统技术方案

本发明专利技术涉及激光光学器件损伤检测技术领域，具体地涉及一种光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法及检测系统，包括：建立仿真模型样本库，所述仿真模型样本库包括各种形状的缺陷模型、缺陷附近电磁场分布以及缺陷光强分布；搭建超光滑表面缺陷检测系统，对超光滑元件表面缺陷检测；基于电场分布特征的三维尺度逆向识别。本发明专利技术能够解决检测系统中无法直接测缺陷深度宽度等三维尺度的问题，通过检测得到光强值，可以反向得到缺陷的具体形状；本发明专利技术是先通过仿真各种形状的缺陷，构建仿真模型库，得到各种形状缺陷附近的光场分布；能够得到具体的到缺陷的长、宽、深度等具体尺度数值，操作简便，检测高效。检测高效。检测高效。

【技术实现步骤摘要】
一种光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法及检测系统


[0001]本专利技术涉及激光光学器件损伤检测
，具体地涉及一种光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法及检测系统。

技术介绍

[0002]近些年，超光滑表面缺陷成为影响激光损伤阈值的重要因素，为获得符合要求的超光滑表面，检测缺陷并准确指导加工是至关重要的。光学超光滑表面缺陷诱导损伤的基础是缺陷对光场的调制。尽管国内外研究人员对缺陷进行了大量的调研和研究，但是如何精准判断划痕的形状，以及精准定位划痕的三维尺度信息并没有较为详细的研究。
[0003]激光入射到工件表面会与表面发生相互作用，出射的散射光偏振发生改变，因此搭建检测系统进行划痕检测，其原理利用了超光滑表面缺陷对入射光进行调制，从而产生散射光。光通过光纤进入光谱仪，监测光场强度变化。目前亚表面缺陷检测只能完成亚微米级别的二维信息检测。但是缺陷的三维信息无法直接准确测得，且缺陷的长度、宽度等信息都需要定量检测。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺点，提出设计一种光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法及检测系统，能够快速准确测得超光滑光学元件表面缺陷三维尺度信息，并能准确判断缺陷形状。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采取的技术方案是：
[0006]一种光学元件表面缺陷类型及形状的检测系统，包括：
[0007]步骤1：建立仿真模型样本库，所述仿真模型样本库包括各种形状的缺陷模型、缺陷附近电磁场分布以及缺陷光强分布；
[0008]步骤2：搭建超光滑表面缺陷检测系统，对超光滑元件表面缺陷检测；
[0009]步骤3：基于电场分布特征的三维尺度逆向识别。
[0010]进一步的，步骤1中，所述仿真模型库建立方法步骤如下：
[0011]1‑
1、通过FDTD仿真模拟软件创建各种形状的缺陷模型；
[0012]1‑
2、通过仿真软件FDTD对各种形状的缺陷进行模拟，获得电磁场分布；
[0013]1‑
3、基于仿真软件FDTD得到缺陷附近的光场分布特征；
[0014]1‑
4、利用光场分布特征以及光强最大值、光强随深度变化等建立特征模型；
[0015]1‑
5、通过特征模型建立仿真模型库。
[0016]进一步的，步骤2中，搭建超光滑表面缺陷检测系统的方法步骤如下：
[0017]2‑
1.搭建检测系统；
[0018]2‑
2.超光滑表面散射成像，光纤耦合光谱仪检测光场变化；
[0019]2‑
3.提取光谱仪得到的场强分布，提取场强最大值、光强分布特点等。
[0020]进一步的，步骤3中，电场分布特征的三维尺度逆向识别的方法步骤如下：
[0021]3‑
1.建立同类型划痕评价函数；
[0022]3‑
2.创建搜索程序并直接获得模型库中场强分布；
[0023]3‑
3.判断仿真划痕与实际测量划痕光强是否一致：
[0024]实际中考虑到激光辐照大小、系统误差、缺陷自身误差的因素，即使I
F
(x)和I
R
(x)分别是同一个划痕参数下的仿真及实验测量得到的光强值，I
F
(x)和I
R
(x)不会完全一致，因此设定一个小量ε，并设置如下判断：
[0025]|I
F
(x)
‑
I
R
(x)|＜ε，
[0026]当|I
F
(x)
‑
I
R
(x)|满足上述公式时，判断I
F
(x)和I
R
(x)之间是相关的，则提取对应的仿真缺陷模型的三维信息，包括深度、宽度、形状等，以此作为实际的缺陷尺度信息；此时，认为仿真得到划痕相关数据与系统检测中的实际划痕数据是吻合的，可以将仿真模型中的数据作为实际划痕数据输出。ε取值通过仿真与实验来确定一个范围。若不满足上述公式，则会返回上个步骤。
[0027]进一步的，步骤3
‑
1中，建立同类型划痕评价函数，具体如下：
[0028]在实验中，通过搭建光路，使入射光在超光滑表面缺陷处散射，光纤收集缺陷处的散射光，光纤耦合光谱仪，将收集到的散射光汇入光谱仪中，得到光场强度分布；
[0029]提取光场分布的特征，并提取光强最大值；实验得到缺陷处光强分布特征以及光强最大值与仿真库中的模型进行比较，当仿真库中的模型与实际测得的模型基本一致，即可采用仿真模型的三维尺度信息作为实际缺陷的尺度信息。
[0030]进一步的，用于实现所述检测方法的光学元件表面缺陷类型及形状的检测系统，包括依次设置的激光器、分光镜一、凸透镜一、凹透镜、分光镜二、凸透镜二、激光超光滑表面物件、光纤耦合器、光谱仪和电脑终端；所述光谱仪还与频管连接。所述激光器入射某波长的激光，通过扩散再汇聚，分光镜进行分光最后汇聚打到超光滑表面物件的表面上，此时缺陷处的入射光会发生散射，散射光通过光纤耦合器耦合到光谱仪中。
[0031]本专利技术建立合理的表面缺陷的3D仿真模型，基于时域有限差分法进行仿真模拟缺陷附近的电磁场分布，依据缺陷对高功率脉冲激光场的不同调制作用，建立不同缺陷形状的电磁场分布特征模型库，使用模型库反向判断缺陷的形状及三维尺度信息，结合检测系统，精准定位位置并得到相应的信息，提高检测效率和精度。
[0032]本专利技术的技术效果：
[0033]与现有技术相比，本专利技术能够解决检测系统中无法直接测缺陷深度宽度等三维尺度的问题，此外，通过检测得到光强值，可以反向得到缺陷的具体形状。本专利技术是先通过仿真各种形状的缺陷，构建仿真模型库，得到各种形状缺陷附近的光场分布。在实际检测中，通过光谱仪检测缺陷处的场强最大值，进入仿真库匹配得到三位尺度信息，可以具体的到缺陷的长、宽、深度等具体尺度数值，根据缺陷处的光场分布特征，逆向获取缺陷的具体形状。本专利技术所述方法搭配仿真模拟，创建搜索程序，操作简便，检测高效。
附图说明
[0034]图1为本专利技术光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法流程图；
[0035]图2为本专利技术仿真的实例模型界面；
[0036]图3为本专利技术FDTD仿真不同形状的缺陷光场分布特征，图3(a)为矩形缺陷，图3(b)
为三角形缺陷；
[0037]图4为本专利技术不同深度下矩形缺陷散射光强随深度变化图；
[0038]图5为本专利技术三角形缺陷在不同宽度下最大光强值变化图；
[0039]图6为本专利技术光学元件表面缺陷类型及形状的检测系统光路图。
[0040]图中，1、激光器；2、分光镜；3、凸透镜；4、凹透镜；5、分光镜；6、凸透镜；7、超光滑表面物件；8、光纤耦合器；9、光谱仪；10、频管；11、电脑设备。
具体实施方式
[0041]为使本专利技术实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法，其特征在于：包括：步骤1：建立仿真模型样本库，所述仿真模型样本库包括各种形状的缺陷模型、缺陷附近电磁场分布以及缺陷光强分布；步骤2：搭建超光滑表面缺陷检测系统，对超光滑元件表面缺陷检测；步骤3：基于电场分布特征的三维尺度逆向识别。2.根据权利要求1所述的光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法，其特征在于：步骤1中，所述仿真模型库建立方法步骤如下：1
‑
1、通过FDTD仿真模拟软件创建各种形状的缺陷模型；1
‑
2、通过仿真软件FDTD对各种形状的缺陷进行模拟，获得电磁场分布；1
‑
3、基于仿真软件FDTD得到缺陷附近的光场分布特征；1
‑
4、利用光场分布特征以及光强最大值、光强随深度变化建立特征模型；1
‑
5、通过特征模型建立仿真模型库。3.根据权利要求1所述的光学元件表面缺陷类型及形状的检测方法，其特征在于：步骤2中，搭建超光滑表面缺陷检测系统的方法步骤如下：2
‑
1.搭建检测系统；2
‑
2.超光滑表面散射成像，光纤耦合光谱仪检测光场变化；2
‑
3.提取光谱仪得到的场强分布，提取场强最大值、光强分布特点...

【专利技术属性】
技术研发人员：张佳瑞，李英，曾祥飞，赵梅，
申请(专利权)人：齐鲁中科光物理与工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：