【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学元件检测，尤其是涉及一种光学元件表面质量角分辨检测装置及方法。
技术介绍
1、在惯性约束聚变(inertial confinement fusion，icf)系统研究中，为实现聚变点火这一目标，世界各个大国都在进行高功率激光装置的设计和建造，而其中就需要大量的高精度光学元件。光学元件表面质量评估指标主要为面形、波纹度、粗糙度和表面缺陷，表面质量较差时，所引起的散射就越明显，针对光学元件散射信号的检测一定程度上也是光学元件表面质量的评估。角分辨散射检测技术作为其中的一项重要技术，相比全积分检测和显微成像检测技术，该技术包含更多的光场信息，可以有利于更全面的研究。
2、针对角分辨散射检测技术，本领域技术人员提出了一些解决方法。如公开号为cn115561220a和cn102854149a的专利均公开了一种角分辨散射分布设备，利用光源在导轨上运动实现不同入射角入射，但光源的频繁运动会导致输出光的不稳定，而且想提升光源光束质量，复杂的光路导致光源模块体积变大，不易进行移动。此外，导轨采用电动平台也提高了成本，也提高了操作的复杂程度。公开号为cn103307997a的专利公布了一种使用成像光学组件来检测散射光强的角分布，但成像组件漏检严重，不能实现半球2π立体角的检测，此外，灵敏度和探测精度也小于光电探测器。
3、因此，需要设计高灵敏度、全范围覆盖的稳定测量装置与方法，实现对光学元件表面散射光强分布检测。
技术实现思路
1、为解决现有技术存在的上述问题
2、一种光学元件表面质量角分辨检测装置，包括光源模块、高精度经纬扫描平台、安装在经纬扫描平台上的散射信号探测模块、放置待检测光学元件的样品台以及控制样品台的多维运动平台；
3、所述的高精度经纬扫描平台包含水平布置的圆弧齿轨和竖直布置的半圆弧齿轨，所述的半圆弧齿轨通过第一滑块滑动固定在圆弧齿轨上，所述的散射信号探测模块通过第二滑块滑动固定在半圆弧齿轨上；所述的样品台布置在圆弧齿轨的圆心位置。
4、进一步地，所述光源模块设置在样品台上方，包括激光器、分光镜和光功率计；所述的激光器出射到达分光镜后，一部分反射照射样品台中心；另一部分透射至光功率计，通过透反比实现出射光强的实时监测。
5、所述的第一滑块和第二滑块上分别设有第一减速电机和第二减速电机，所述的第一减速电机和第二减速电机上分别设有与圆弧齿轨和半圆弧齿轨匹配的齿轮。
6、所述圆弧齿轮实现半圆弧齿轨0～360°范围运动；所述半圆弧齿轨一半位于圆弧齿轨上方，一半位于下方，实现散射信号探测模块-90°～90°范围运动；所述圆弧齿轮和半圆弧齿轮配合实现散射信号探测模块的球面4π立体角检测。
7、所述的散射信号探测模块包括镜筒、针孔和光电探测器，镜筒用于收集所在角度的散射光，针孔用于滤除其他角度的散射光，光电探测器用于测量散射信号。
8、所述的多维运动平台包括从下往上依次布置的二维平面位移台、升降台、旋转台和俯仰台，所述的样品台固定在俯仰台上；
9、所述的二维平面位移台用于样品水平移动，实现全口径探测；升降台用于实时弥补高精度经纬扫描平台的误差，使散射信号探测模块在半圆弧齿轨上运动时正对样品中心；旋转台的运动范围为0～360°；俯仰台运动范围为0～90°。
10、所述的俯仰台采用偏置的圆柱齿轮传动，将调整角度范围的中间位置与水平方向偏置，实现了0到90°的可调；俯仰台配合旋转台，实现样品台高度自由运动，对应光源模块的激光，实现半球2π立体角内任意一个角度入射。
11、一种光学元件表面质量角分辨检测方法，使用上述光学元件表面质量角分辨检测装置，包括以下步骤：
12、(1)采用水平放置姿态，将待测光学元件通过夹持工具固定在样品台上；
13、(2)根据需求使多维运动平台的旋转台和俯仰台运动至所需角度，即设定激光入射角；
14、(3)操作高精度经纬扫描平台，将散射信号探测模块对待测光学元件表面2π范围内的散射信号进行检测；
15、(4)对获得的散射信号进行处理，得到待测光学元件表面的散射光强角分布。
16、当散射信号探测模块随高精度经纬扫描平台运动至光源模块的分光镜正下方时，散射信号探测模块会遮挡光源导致无法测量，对于由遮挡导致的漏检，采用理论推导计算获得漏检数据，具体过程如下：
17、双向散射分布函数bsdf定义为目标在某一方向上的散射亮度dls与入射方向的照度dei的比值，表达式为：
18、
19、其中，dps是微分投影立体角dωs对应的散射功率，pi是入射功率；psd作为表征元件表面质量的统计参数，包含空间频率分布情况；光学元件表面的rms粗糙度和工作波长满足σ<<λ时，psd和bsdf之间存在如下关系：
20、
21、q作为表面的偏振反射率，是一个无量纲实数，与表面材料特性有关；δn是散射表面边界的折射率差；f为空间频率，表达式为：
22、
23、其中，
24、
25、k-correlation模型用于拟合光滑表面的psd值，表达式为：
26、
27、k-correlation模型是一种参数化的对光学表面psd的一种逼近，参数a、b、c为拟合参数，由该理论模型对采样数据进行拟合进而推导出漏检区段，即
28、
29、其中f0为漏检角度θ0、对应的空间频率；
30、可以通过增大检测的空间频率间隔δfinterval，节省检测时间，公式为：
31、
32、由式(3)式(4)可知，由于检测角度与对应的空间频率nδfinterval并不是线性关系，因此需要转换确定待测角度θs′和
33、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
34、1、本专利技术的装置具有高灵敏度、简单操作、成本低的优点。
35、2、本专利技术通过设计与装置配套的检测方法，结合理论推导，可以实现实现高效(增大检测空间频率间隔)、全范围覆盖检测(解决漏检问题)。
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1.一种光学元件表面质量角分辨检测装置，其特征在于，包括光源模块、高精度经纬扫描平台、安装在经纬扫描平台上的散射信号探测模块、放置待检测光学元件的样品台以及控制样品台的多维运动平台；
2.根据权利要求1所述的光学元件表面质量角分辨检测装置，其特征在于，所述光源模块设置在样品台上方，包括激光器、分光镜和光功率计；所述的激光器出射到达分光镜后，一部分反射照射样品台中心；另一部分透射至光功率计，通过透反比实现出射光强的实时监测。
3.根据权利要求1所述的光学元件表面质量角分辨检测装置，其特征在于，所述的第一滑块和第二滑块上分别设有第一减速电机和第二减速电机，所述的第一减速电机和第二减速电机上分别设有与圆弧齿轨和半圆弧齿轨匹配的齿轮。
4.根据权利要求1所述的光学元件表面质量角分辨检测装置，其特征在于，所述圆弧齿轮实现半圆弧齿轨0～360°范围运动；所述半圆弧齿轨一半位于圆弧齿轨上方，一半位于下方，实现散射信号探测模块-90°～90°范围运动；所述圆弧齿轮和半圆弧齿轮配合实现散射信号探测模块的球面4π立体角检测。
5.根据权利要求1所述的光
6.根据权利要求1所述的光学元件表面质量角分辨检测装置，其特征在于，所述的多维运动平台包括从下往上依次布置的二维平面位移台、升降台、旋转台和俯仰台，所述的样品台固定在俯仰台上；
7.根据权利要求6所述的光学元件表面质量角分辨检测装置，其特征在于，所述的俯仰台采用偏置的圆柱齿轮传动，将调整角度范围的中间位置与水平方向偏置，实现了0到90°的可调；俯仰台配合旋转台，实现样品台高度自由运动，对应光源模块的激光，实现半球2π立体角内任意一个角度入射。
8.一种光学元件表面质量角分辨检测方法，其特征在于，使用权利要求1～7任一项所述的光学元件表面质量角分辨检测装置，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的光学元件表面质量角分辨检测装置，其特征在于，当散射信号探测模块随高精度经纬扫描平台运动至光源模块的分光镜正下方时，散射信号探测模块会遮挡光源导致无法测量，对于由遮挡导致的漏检，采用理论推导计算获得漏检数据，具体过程如下：
10.根据权利要求9所述的光学元件表面质量角分辨检测装置，其特征在于，通过增大检测的空间频率间隔Δfinterval，节省检测时间，公式为：
...【技术特征摘要】
1.一种光学元件表面质量角分辨检测装置，其特征在于，包括光源模块、高精度经纬扫描平台、安装在经纬扫描平台上的散射信号探测模块、放置待检测光学元件的样品台以及控制样品台的多维运动平台；
2.根据权利要求1所述的光学元件表面质量角分辨检测装置，其特征在于，所述光源模块设置在样品台上方，包括激光器、分光镜和光功率计；所述的激光器出射到达分光镜后，一部分反射照射样品台中心；另一部分透射至光功率计，通过透反比实现出射光强的实时监测。
3.根据权利要求1所述的光学元件表面质量角分辨检测装置，其特征在于，所述的第一滑块和第二滑块上分别设有第一减速电机和第二减速电机，所述的第一减速电机和第二减速电机上分别设有与圆弧齿轨和半圆弧齿轨匹配的齿轮。
4.根据权利要求1所述的光学元件表面质量角分辨检测装置，其特征在于，所述圆弧齿轮实现半圆弧齿轨0～360°范围运动；所述半圆弧齿轨一半位于圆弧齿轨上方，一半位于下方，实现散射信号探测模块-90°～90°范围运动；所述圆弧齿轮和半圆弧齿轮配合实现散射信号探测模块的球面4π立体角检测。
5.根据权利要求1所述的光学元件表面质量角分辨检测装置，其特征在于，所述的散射信号探测模块包括镜筒、针孔和光电探测器，镜筒用于收集所...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘东，王劭文，郭世维，王狮凌，张峰玮，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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