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光学元件外表毛病谬误检测方式研讨近况

来历:姑苏杰锐思智能科技股分无限公司 宣布时候:2021/01/15

择要:跟着迷信手艺的成长,人们对光学元件的外表粗拙度和外外表形精度提出了愈来愈高的请求,光学元件外表毛病谬误检测手艺也遭到了遍及正视。经由进程简述外表毛病谬误的范例,夸大了毛病谬误给光学体系带来的风险,由此阐发和会商了今朝国际外对光学元件疵病的检测方式,并指出各类方式的优毛病谬误,同时对机械视觉手艺在疵病检测方面的操纵停止了先容,还切磋了光学元件外表毛病谬误检测手艺将来成长须要注重处置的题目。

关头词:光学元件;外表毛病谬误;数字图象处置;机械视觉

弁言

跟着古代财产的疾速成长, 紧密光学元件在各个财产范围有着遍及的操纵, 光学元件作为实现光学功效的载体, 为各类光学仪器的开辟操纵起到了相当首要的感化。以是, 鉴于光学元件外表具备的散射特点, 若何更好地对元件外表毛病谬误停止检测也随之被提出来。

光学元件的检测进程很是烦琐并且布满着不肯定性, 光学元件按组成资料可分为通俗光学玻璃、钕玻璃、熔融石英光学玻璃、氟化钙(CaF2)等一系列资料; 按光学元件口径可有大到几米也有小到一二毫米的, 差别可到达数千倍; 按光学元件外形的差别可分为平板、非球面靶镜、球面透镜、柱面透镜、角锥棱镜、偏光镜、玻璃球等。为了合用于以上三个方面的各类光学元件的须要, 丈量仪器、环境、装备、手艺肯定是百般百般的。面临如斯品种单一、功效和外形各不不异的光学元件, 须要咱们去摸索响应的检测手艺。

是以, 本文首要从光学元件外表毛病谬误、外表散射特点, 和今朝国际外各类研讨方式等方面, 对光学元件外表疵病检测的相干研讨停止综述, 并切磋操纵机械视觉的毛病谬误检测手艺及将来的成长趋向。

1 光学元件外表毛病谬误

光学元件外外表形偏差和外表粗拙度的检测是光学检测手艺研讨范围的重点, 因为光学元件外表品质的黑白间接影响全部光学体系的机能, 以是想要使光学仪器装备能更高效地任务, 不只在加工时须要注重光学元件的外表品质, 并且对制品元件的检测任务也不能轻忽。是以, 光学元件外表毛病谬误检测将成为一项首要而耐久的研讨课题。

1.1 外表毛病谬误范例

所谓的光学元件外表毛病谬误, 首要是指外表疵病和外表净化物。外表疵病是指抛光加工后的光学元件外表依然存在的麻点、划痕、启齿气泡、破边、破点等各类加工毛病谬误, 发生的缘由首要是加工进程或后续的不妥操纵。图1所示为四种疵病的大抵外形。

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图1.外表毛病谬误范例

划痕指光学元件外表长条形的划创痕迹。由划痕长度的差别, 能够或许或许或许分为长划痕和短划痕, 以2 mm为边界, 若划痕长度大于2 mm属于长划痕, 小于2 mm则是短划痕。对短划痕, 评价规范是其检测时的积累长度。绝对而言, 划痕较麻点等毛病谬误更轻易检测出。

麻点指光学元件外表上的陷坑、蚀坑、疵点, 其坑内的外表粗拙度较大, 宽度与深度大抵不异, 边缘也不法例。普通环境下, 划定长宽比大于4:1的毛病谬误为划痕, 反之小于4:1的毛病谬误为麻点。

气泡是由光学元件的出产或加工进程中未及时解除的气体所组成的, 因为各标的目的气体的压力均匀散布, 以是气泡的外形普通呈圆球形。

破边是指呈此刻光学元件边缘的疵病, 固然处于光源有用地区以外, 可是也属于光的散射源, 对光学机能也会发生必然的影响, 以是也属于疵病范围。

1.2 外表疵病的风险

外表疵病作为一种加工进程中报酬组成的微观局部毛病谬误, 对光学元件的外表机能有着必然的影响, 从而有能够或许或许或许组成光学仪器运转毛病等严峻的效果。总之, 光学元件的外表疵病会对光学体系机能发生风险, 其底子缘由在于光的散射特点。

光学元件外表毛病谬误对本身和全部光学体系的风险表此刻以下几个方面:

(1) 光束的品质降落。元件外表毛病谬误处会发生光的散射效应, 使得光束在经由进程毛病谬误后能量被大批耗损, 从而下降了光束的品质。

(2) 毛病谬误的热效应景象。因为外表毛病谬误所处地区比其余地区轻易接收更多的能量, 发生的热效应景象能够或许或许或许会使元件疵病发生局部变形、粉碎膜层等, 进而风险全部光学体系。

(3) 粉碎所处体系中其余光学元件。激光体系中, 在高能激光束的照耀下, 元件外表疵病发生的散射光会被体系内的其余光学元件接收, 从而组成元件的受光不均匀, 当到达光学元件资料的毁伤阀值时, 会使传布光芒的品质遭到影响, 光学元件粉碎, 更有能够或许或许或许组成光学体系被严峻的粉碎。

(4) 疵病会影响视场洁净。当光学元件上有过量的疵病时, 会影响微观的雅观度, 别的, 疵病还会残留细小的尘埃、微生物、抛光粉等杂质, 这将组成元件被侵蚀、生霉、生雾, 会较着影响元件的根基机能。

2 光学元件外表散射特点

光学元件外表的散射特点是毛病谬误发生风险的底子缘由。当光束照耀到有疵病的光学元件外表时, 因为疵病地位的反射面并不是一个滑腻面, 这些团圆没法例的局部毛病谬误使局部入射光发生了偏转, 阔别了预约标的目的, 变成了偏离主光束的杂质光。并且, 这些杂质光会发生屡次反射透射, 所发生不法例的散射光会对差别光学仪器组成差别水平的影响。

2.1 光学元件外表散射源

在光学体系中, 影响其机能的首要缘由是由体系内部发生的大批散射光组成的, 而发生这些散射光的底子缘由, 又在于光学元件本身的品质, 即便全部光学体系设想得再好, 如果内部光学元件的品质不过关, 那末组成的体系也不能普通任务。是以须要进步光学元件本身的品质来改良散射光所带来的题目。固然光学体系的窗口或体系内部也能够或许或许或许会发生散射光, 但这类散射光能量较小, 大局部的散射光是由光学元件外表散射组成的。凡是外表发生的散射光能量要比内部散射最少大1至2个数目级,以是光学元件外表品质黑白与否, 将间接影响光学体系的全体机能。

致使光学元件外表发生散射景象的缘由有良多, 比方外表的麻点、划痕、破边、启齿气泡和粗拙度等外表微布局, 另有能够或许或许或许是外表膜层厚度、薄膜资料折射率不均匀等各类题目。凡是对照外表入射光波长与散射源尺寸的巨细, 将散射源大抵分为三类:

(1) 散射源的尺寸弘远于入射光波长, 这类散射源便是凡是说的疵病, 如划痕、麻点、破边等。

(2) 散射源的尺寸和入射光波利益于统一数目级的单一团圆不法例颗粒物, 这类散射源称作团圆微粒。

(3) 入射光波长弘远于散射源的尺寸, 这类散射源在空间中紧密摆列, 对光的散射表此刻空间上的彼此感化的综合成果, 是以不能看成自力的散射源来处置。这类散射源凡是被称作不法例微量散射, 最典范的此类散射源便是外表粗拙度。

以上三种散射源具备差别的特点, 以是就须要绝对应的散射现实来诠释这些散射源所引发的散射景象。对第一类散射源, 在三种范例中最轻易被发明, 经由进程简略的多少光学就能够或许或许或许诠释它的散射景象。而多少光学对第二种散射源则不再合用, 这类散射源自力散布且散命中间能够或许或许或许互不搅扰, 以是须要操纵米氏散射现实来处置, 此中出格环境还能用瑞利散射诠释。第三种散射源随机不法例散布, 它们的均匀高度只要纳米级, 这类散射源也被称为粗拙度散射。

2.2 外表疵病散射光学模子

操纵显微散射成像手艺来检测光学元件外表, 首要在于检测第一类散射源, 即元件外表疵病, 如划痕、麻点、破边等。对这类散射源, 之前有提到, 凡是操纵多少光学来诠释阐发, 可是这类外表疵病引发的散射景象与入射光的波长有关, 详细模子如图 2所示。

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图2.疵病散射多少模子

假定元件疵病处是一个近似“V”字形的凹槽, 当入射光照耀到光学元件外表时会发生反射景象。如果外表无疵病, 由多少光学可得入射光A的反射光芒为A2, 如果外表存在疵病, 一样的入射光A, 获得散射光芒A1。将该光路放入显微成像体系中, 疵病所组成的散射光便是由阔别主反射光A2的A1光芒组成, 在显微成像体系中就会察看到暗背景下的亮疵病图象。

在显微成像体系中有各类散射光的存在, 但咱们须要存眷的只是疵病散射所对应的图象, 而其余散射光因为能量较小, 在停止图象阐发时普通能够或许或许或许疏忽。对其余的散射光, 咱们还须要对其的组成加以进一步的研讨, 如许才能找到一种最合适的方式来丈量光学元件的外表品质, 进步疵病检测的才能。

2.3 散射法检测毛病谬误道理

操纵光学元件的散射特点, 咱们能够或许或许或许机关出一种基于散射法的光学元件外表疵病检测方式。图 3为散射法检测道理, 由光源收回平行光照耀到检测工具外表, 当无疵病时, 反射光为平行光, 由图 3(a)知无光芒进入拍照体系, 当有疵病时, 反射光将变为散射光, 由图 3(b)知有光芒进入拍照体系, 从而组成亮疵病图象, 由此检测出光学元件外表的毛病谬误。

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图3. 散射法疵病检测道理图

3 外表疵病检测方式

光学元件的品质首要取决于外表品质, 而面形偏差检测、外表粗拙度、外表疵病的检测则是评价光学元件外表品质的首要名目。面形偏差普通接纳双光束干与的道理停止检测, 外表粗拙度的丈量分为操纵触针式外表仪的传统打仗式丈量法和操纵各类光学仪器的光学非打仗式丈量法。而外表疵病的检测, 绝大局部是操纵外表毛病谬误处对光的散射特点成长而来的, 如上一节所提到的散射法检测外表毛病谬误。

3.1 国际外研讨近况

今朝国际外的疵病检测法大致上能够或许或许或许分为成像法和能量法, 此中目视法、掠射法、滤波成像法等都属于成像法, 能量法例首要包罗散射能量阐发法、频谱阐发法等。别的, 另有经由进程扫描地道显微镜、原子力显微镜、触针式外表外表仪等仪器间接对元件外表疵病停止检测, 这些方式按照道理的差别有着各自的特色。上面简略先容几种光学元件经常操纵的毛病谬误检测方式。

目视法:作为一种最原始的检测方式, 以后依然在国际光学元件检测上遍及操纵。目视法是指在暗场照明环境下, 察看者操纵4~10倍缩小镜或间接肉眼察看光学元件外表, 由本身经历判定外表疵病的品种、巨细。目视法毛病谬误是带有很是较着的客观性, 检测成果轻易受检测职员的经历和眼睛的委靡影响, 检测品质一视同仁, 以是目视法的检测效力很低, 检测精度不稳定, 一系列的题目限定了该检测方式的成长。

滤波成像法:该方式与目视法的根基道理类似, 差别的地方在于不是肉眼间接察看, 而是由光学传感器来取代, 进一步进步了检测速率。滤波成像法又分为高通滤波成像法、低通滤波成像法和自顺应滤波成像法。(1)高通滤波成像法是指经被测光学元件外表透射或反射后, 限定光束中的低频成份, 剩下的高频成份颠末光学传感器成像, 因为疵病散射光中大局部为高频, 以是此时的像为暗背景下显现亮毛病谬误的像。颠末察看和测试毛病谬误像的巨细及明暗水平来判定毛病谬误的巨细和特点。(2)低通滤波成像法与高通滤波成像法的道理恰好相反, 它是滤去成像光束中照顾毛病谬误信息的空间频次为高频的局部, 让低频成份停止成像, 此时的像为亮背景下显现暗毛病谬误的像。(3)自顺应滤波成像法与高通滤波成像法比拟类似, 在成像体系中限定光束中的低频局部, 让有元件疵病信息的高频局部到达成像面, 可是滤去的频谱并不是牢固稳定的, 而是由反射或透射光的频谱特点值决议, 此时的像一样为暗背景下显现亮毛病谬误的像。图 4为自顺应滤波成像法的根基道理图。

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图4.自顺应滤波成像法道理

掠射法:该方式检测道理与今朝经常操纵的暗场成像道理类似, 详细光学体系道理如图5所示。当光芒照耀到光学元件外表时, 如果投射光斑地区不疵病, 物镜成像立体将会一片黑, 如果投射光斑地区含有疵病, 反射的光束将会发生散射景象, 光束进入物镜成像立体组成亮的疵病图象。

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图5.掠射法检测的光学体系道理图

散射能量阐发法:经由进程阐发外表疵病所收回散射光能量的巨细和角度散布, 得出疵病的现实环境。此中, 散射光能量积分法是指对疵病发生的散射光能量停止积分, 由能量积分和疵病巨细的线性干系, 能够或许或许或许从积分数值来评判疵病的风险水平。别的一种散射光角度散布阐发法例是经由进程丈量每一个角度疵病散射光的能量值巨细, 绘制出一条散射光能量与散射角度的干系图, 经由进程研讨该图的外形特点来辨别疵病品种。此法毛病谬误是检测体系过于庞杂, 检测速率比拟慢, 并且没法肯定疵病的详细地位。

频谱阐发法:外表疵病引发的散射光穿过傅里叶透镜, 由后焦立体的光强散布获得疵病后向衍射谱的能量, 再经由进程能量积分和疵病外形学处置得出疵病巨细及深度环境。图 6是一种激光频谱阐发法检测的操纵, 该检测体系由光学局部、活动节制局部和计较机等组成, 经由进程反向衍射光的能量评价元件外表疵病。频谱阐发检测方式毛病谬误是因为遭到疵病深层机关的影响, 并不能够或许或许或许反应出疵病表层的面积巨细。

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图6.激光频谱阐发法的检测道理图

其余间接用仪器停止检测的方式有AFM原子力显微镜、STM扫描地道显微镜、干与显微镜等, 如图 7和图 8所示。因为这些显微镜的分辩率很高, 不光能够或许或许或许间接察看到疵病的外形, 乃至能够或许或许或许得出疵病的外表三维描摹。与此同时, 这类方式也有着必然的毛病谬误, 即难以丈量出疵病的微观特点, 并且丈量速率较慢和保护本钱高, 不合适在财产出产环境中操纵。

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图7.原子力显微镜

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图8.扫描地道显微镜

3.2 机械视觉检测手艺

机械视觉作为一门把计较机视觉和图象处置手艺有用融为一体的新兴检测手艺, 用数字图象作为检测手腕, 经由进程机械来辨认物体, 取代了人体的视觉体系, 再操纵图象处置方式, 提掏出有用的信息, 如外表描摹、各类参数数值等。该手艺可操纵到节制、丈量、检测等相干的各范围, 能够或许或许或许经由进程计较机主动获得和阐发特定事物的图象。

普通机械视觉体系由以下单位组成:光源、成像镜头、相机、图象处置单位、图象处置软件和内部通信单位等。布局表现图如图 9所示。

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图9.机械视觉检测体系表现图

自20世纪90年月初起头, 操纵机械视觉的光学元件外表毛病谬误检测手艺就已慢慢成长起来。1996年加拿大的Raafat等[39]基于机械视觉体系对玻璃或塑料外表品质停止检测, 检测方针首要是外表划痕、气泡、裂纹等; 韩国的Kim等[40]提出了一种基于机械视觉的疾速检测方式, 实现对液晶显现器和等离子体显现面板的在线品质检测; 2009年, 美国劳伦新利弗摩尔国度尝试室操纵线扫描相位差分红像(linescan phase differential imaging, LPDI)和移相衍射干与仪(phase shilling diffraction interferometer, PSDI)开辟出检测体系[41], 经由进程图象阐发代码辨认LPDI图象中的潜伏相位毛病谬误; 在国际王雪等[42]提出了基于机械视觉的大口径光学元件外表毛病谬误检测体系, 可遍及操纵于差别口径的光学元件品质检测; Peng等[43]提出了基于机械视觉的浮法玻璃在线检测方式, 经由进程检测由玻璃和毛病谬误之间的光学特点的差别引发的图象灰度级变更来丈量毛病谬误, 环绕玻璃图象阐发和检测体系的靠得住性、及时性和实在性等, 成立了一系列图形处置算法。

近几年来, 对机械视觉的外表毛病谬误检测已成为国际外的一个热门研讨范围。韩国根本迷信研讨院Choi等提出了一种基于光热反射显微手艺的疵病检测方式, 检测活络度可到达几十纳米; 马来西亚大学机械工程学院的Leea等[45]提出了一种非打仗视觉的方式来检测陶瓷刀具刀片中发生的断裂; 苏丹伊赫马赫迪大学工程学院Talab等[46]提出用于检测混凝土布局图象裂痕的图象处置方式, 操纵Sobel滤波消弭剩余噪声后, 操纵Otsu法检测出主裂纹, 尝试任务标明, 该方式能够或许或许或许清楚切确地检测图象中的裂纹; 明志科技大学Chen[47]从机械视觉动身, 研讨用于透镜环套的毛病谬误主动检测体系, 该体系首要由图象收罗传感器、光源模块和机电组成, 具备89.44%的杰出检测效力; 中北大学Jin等[48]提出一种基于数字光栅投影的新型在线丈量体系, 操纵基于一维傅里叶变更的图象处置算法来处置条纹图象, 获得条纹图象的屈光度散布, 再由屈光度导出光学元件的变形水平; 中国迷信院主动化研讨所Zhang等[49]斟酌到大孔径光学元件外表毛病谬误的查抄, 提出了一种包罗两种成像体系的高效紧密仪器, 一种是由分辩率为10 μm的线扫描相机组成的暗场成像体系(DFIS), 别的一种是由分辩率为1 μm的显微镜组成的亮场成像体系(BFIS); 江苏大学姚红兵课题组[50-51]研讨了基于机械视觉的无打仗丈量方式, 能够或许或许或许对树脂镜片毛病谬误停止检测分类, 并且还开辟出主动化的检测方式, 进步了检测体系的任务效力。

现此刻的财产出产进程已慢慢趋于主动化, 机械视觉能够或许或许或许充分阐扬本身的上风, 操纵于某些人眼没法察看到或风险的任务环境中。在计较机手艺和电子电路集成化成长的明天, 机械视觉的靠得住水平也愈来愈高, 充分操纵它的非打仗性、及时性、矫捷性和切确性等长处[52], 能够或许或许或许更多地融入到出产进程或糊口中去。操纵机械视觉检测的上风以下:

(1) 非打仗性, 当检测光学元件外表品质时, 能够或许或许或许实现非打仗丈量, 不会对元件的外表发生变形、有损等影响, 从而保障了检测进程的精确性。

(2) 及时性, 机械视觉体系接纳了进步前辈的硬件装备和有用的图象处置算法, 以是在检测光学元件时, 能够或许或许或许疾速地实现全部检测进程, 并且及时获得检测成果。这一及时特点对在线检测装配的成长有着很是首要的意思。

(3) 矫捷性, 机械视觉体系能够或许或许或许按照差别的测试环境、测试整机停止矫捷的设置装备摆设, 再加上图象处置算法的多样性, 能够或许或许或许经由进程调理到达用户的检测请求。别的还能与PLC、收集停止通信, 能够或许或许或许实现长途操纵, 增添了体系的矫捷性。

(4) 切确性, 传统的目视法受客观身分的影响, 检测出来的产物精度不抱负, 而机械视觉体系的处置进程由计较机实现, 大大消弭了野生目测带来的偶尔偏差, 既保障了紧密元件的检测精度又进步了任务效力。

4 论断

光学元件外表品质的好坏间接会影响全部光学体系的机能, 出格是对紧密的元件来讲, 更是须要加倍紧密的外表品质保障。本文对今朝国际外的光学元件外表毛病谬误检测方式停止了体系先容, 大都检测方式是从光学元件的散射特点成长而来, 此中基于机械视觉手艺的毛病谬误检测方式已成为一个研讨的热门。

虽然基于机械视觉的光学元件外表毛病谬误检测手艺在近几年已获得了较大的成长, 可是照旧存在一些手艺性的题目须要深切的研讨, 连系以后研讨的热门和困难, 咱们以为在该范围另有以下任务须要做。

(1) 跟着将来迷信手艺的成长, 紧密光学元件的体积会更大, 布局也愈来愈庞杂, 对加工品质请求也会愈来愈高。以是, 对毛病谬误检测的手艺难度和请求将会很是刻薄, 必须针对各类范例的光学元件, 研讨出更切确更高效的检测方式。

(2) 以后光学元件毛病谬误检测的别的一个罕见题目是检测体系的测试工具单一。局部研讨方式只注重到划痕的检测, 对较小毛病谬误和外表净化物的检测常常被疏忽掉。是以, 须要进一步完美毛病谬误的样本数据, 充分检测出的毛病谬误范例, 特别是对纤细的毛病谬误, 以进步检测的切确性。

(本文来自《光学仪器》40(1): 78-87)

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