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曲面光学元件表面缺陷检测技术研究

李成瑞  
【摘要】: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光学元件表面缺陷检测系统的搭建;分析了成像系统的主要参数,完成了镜头与CCD相机的选型;完成了对大口径光学元件检测的路径规划计算。(5)对不同类型不同口径的元件的进行检测,实验结果验证了该系统的可靠性;通过环形LED光源与高亮度LED点光源的对比试验探究了照明对缺陷检测的影响。最终该系统可检测到的缺陷最窄宽度为2.8μm,最浅深度为1.5nm。(6)对采集到的缺陷图像进行图像处理与识别。对比了不同滤波方法和边缘检测方法的处理结果,利用最大熵阈值分割方法对图像进行二值化,利用最小外接矩形法完成了缺陷图像的提取。本文利用暗场散射成像的方法对光学元件表面缺陷进行检测,完成了从理论到实验的过程,搭建了缺陷检测系统可以实现最大口径达200mm平面光学元件和最大口径为150mm的曲面光学元件表面缺陷的自动检测。


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