一种光学元件缺陷检测系统及检测方法
阅读说明：本技术 一种光学元件缺陷检测系统及检测方法 (Optical element defect detection system and detection method ) 是由 袁志刚 郑楠 李洁 陈贤华 韦前才 周炼 赵世杰 邓文辉 钟波 侯晶 于 2021-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种光学元件缺陷检测系统及检测方法,包括床身支撑模块、隔振模块、定位夹持模块、缺陷检测模块、缺陷分析模块、扫描运动模块和电气控制模块,每个模块完成相应的功能,具体工作步骤包括：开启设备及软件、系统初始化设置、设置系统参数、放置被测样品、设置测量参数、样品扫描测试、检测数据采集、缺陷类型分析、缺陷特性评价和结果输出系统关闭。本发明解决了人工检验可能由于某些人员原因导致的缺陷形貌误判和缺陷定位错误,降低了缺陷定位错误发生率,进一步提高了大口径光学元器件的缺陷检测准确率。(The invention discloses an optical element defect detection system and a detection method, which comprises a lathe bed supporting module, a vibration isolation module, a positioning clamping module, a defect detection module, a defect analysis module, a scanning motion module and an electrical control module, wherein each module completes corresponding functions, and the specific working steps comprise: starting equipment and software, initializing and setting a system, setting system parameters, placing a tested sample, setting measurement parameters, scanning and testing the sample, acquiring detection data, analyzing defect types, evaluating defect characteristics and closing a result output system. The invention solves the problems of false judgment of defect appearance and false positioning of defects caused by some personnel reasons in manual inspection, reduces the occurrence rate of false positioning of defects and further improves the accuracy rate of defect detection of large-caliber optical components.)
技术领域
本发明涉及光学元件超精密加工及检测领域，具体涉及到大口径光学元器件抛光过程中及完成后微米/亚微米缺陷测试。
背景技术
现代大型光学工程的快速发展对光学元件的加工质量提出了严苛的要求。特别大口径光学元件制造工艺中，需要使用检验工艺来检测光学元件抛光表面上的缺陷进而提高光学元件加工的合格率，要求具备大口径、高面形精度、超光滑、低缺陷的要求。根据检验主体的不同，检验工艺可以分为设备检验工艺和人工检验工艺。设备检验工艺主要用于相同工艺下小口径样件加工。而人工检验工艺，需要检测人员在借助于检验工具的同时进行缺陷形貌特征的判定，并手动地作以缺陷标识，该过程严重依赖检测人员的经验。人工检验虽然能够及时发现缺陷，大幅提高光学元件的成品合格率，然而人工检验过程中，不可避免地会发生一些人为原因导致的缺陷形貌误判和缺陷定位错误等。
因此，如何提高大口径光学元器件的缺陷检测准确率、降低缺陷定位错误发生率是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明针对上述现状和存在的问题，提供了一种光学元件缺陷检测系统及检测方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光学元件缺陷检测系统，具体包括如下模块：
定位夹持模块用于测试样件的定位夹持和对所述测试样件的姿态进行自动调节；
缺陷检测模块，通过激光散射扫描和高倍物镜成像进行测试样件缺陷的检测与记录；
缺陷分析模块，通过缺陷背景去除算法和缺陷特征识别对比分类流程对缺陷进行分类统计，并出具详细测试结果；
扫描运动模块，用于搭载所述缺陷检测模块，对大口径测试样件全表面进行测试及拼接；所述拼接是指将大口径样件测试过程中多个小区域测试通过拼接算法进行拼接实现大口径全范围的显示；
电气控制模块，用于控制所述扫描运动模块的运动和测试样件的测试。
优选的，所述缺陷检测模块中设置有激光发射检测系统和高倍显微镜。
优选的，所述激光发射检测系统包括激光发射器、激光功率调节器件、光束整形模块、光偏振控制模块、光束聚焦模块、激光散射探测模块、激光散射收集模块和反射光控制模块。
优选的，所述电器控制模块还用于对传感器信号进行反馈处理等，保证设备按指令正常运行。
优选的，还包括床身支撑模块，位于整个所述系统的底层，用于支撑系统其余模块以及测试样件的放置。
优选的，还包括隔振模块，位于所述床身支撑模块的上方，所述隔振模块上方有所述电气控制模块、所述扫描运动模块，所述缺陷分析模块、所述缺陷检测模块和所述定位夹持模块，所述隔振模块用于测试过程中保持其余模块及测试样件间位置关系的稳定性，尤其是不受环境震动所影响。
本发明还提供了一种光学元件缺陷检测系统的缺陷检测方法，包括以下步骤：
步骤一：样品扫描测试，通过激光束对测试样件的二维扫描，形成缺陷统计表及缺陷分布示意图；
步骤二：检测数据采集，根据步骤一得到的全部缺陷或所选缺陷位置坐标对缺陷进行高倍率显微成像及尺寸判断；
步骤三：缺陷类型分析，通过缺陷背景去除算法和缺陷特征识别对比分类流程对缺陷进行分类统计；
步骤四：缺陷特性评价，根据缺陷判断条件及要求，对通过步骤三分类后的缺陷进行分析和评价。
优选的，在所述样品扫描测试之前需要进行样件姿态调整，具体为：根据高倍物镜下自动聚焦清晰度调整样件的俯仰倾斜状态，所述高倍物镜采用四角位置判断方法和通过四边及中心位置成像判断方法对样件姿态是否与测试光路形成规定的固定夹角进行判断。
优选的，所述样品扫描测试采用激光散射与高倍成像结合的复合测试方法。
优选的，所述缺陷类型分析具体包括：对通过所述样品扫描测试收集的缺陷散射信号进行背景信号去除；通过频率变换提取特征峰值；根据所述特征峰值高低判断缺陷严重程度；根据峰值积分面积判断缺陷形状及大小，根据峰值位置对应确定缺陷位置。
优选的，所述样品扫描测试步骤具体为：入射激光束以给定的角度入射到测试样件表面，所述入射激光束在传输过程中执行二维扫描操作，探测器进行实时响应，获取散射信号，接着所述高倍物镜对定位后的缺陷进行成像，通过所述二维扫描操作，形成表面缺陷的二维散射图像，有缺陷处为亮点，没有缺陷处为暗点。
优选的，所述缺陷散射信号分为三种：背景信号、背景信号噪声波动和缺陷本质信号；所述缺陷本质信号在缺陷处会产生峰值，通过设置缺陷信号阈值将缺陷提取出来。
优选的，所述背景信号主要由环境光强、探测器暗电流以及样品表面粗糙度产生。
优选的，所述背景信号噪声主要由于探测器噪声波动、环境噪声波动和样品表面粗糙度波动产生。
优选的，对测试元件进行缺陷检测的可测试口径范围包括30mm×30mm-1500mmx500mm。
优选的，对测试元件进行缺陷检测可以测试分辨不小于0.3μm尺度缺陷。
优选的，所述步骤还包括：开启设备及软件，系统初始化设置，设置系统参数，放置被测样品，设置测量参数。
优选的，所述系统初始化设置具体为：设备自动对激光强度、偏振光传输路径、扫描系统零位设置等进行系统初始化。
优选的，放置被测样品之前设置的所述系统参数包括：评价模式和软件输出格式等，针对测试样件种类、所测缺陷类型以及样品形貌等特征，选择相应系统文件参数，如测试色彩分布、对比度设置、激光光强设置以及偏振光角度设置等，确保同一类型样件尤其在需要前后对比的情况下测试环境一致。
优选的，放置被测样品之后设置的所述测量参数具体为：检测扫描范围、测试深度和测试类型等，根据实际信息输入样品名称、形状、尺寸以及扫描参数：扫描起点、扫描终点以及扫描行数等。
优选的，所述样品扫描测试程序，对整个面进行测试，将光学信号中的缺陷信息转换成可视信息进行采集及储存，通过专用软件识别，提取分类，统计所检测缺陷，根据输入的判断依据，出具判断结果及结论并输出。
优选的，该检测系统具有以下优点：
①编写缺陷识别算法，实现自动统计功能，且可以根据不同尺寸形貌进行分类统计。
②可接受并根据判断依据，出具测试结果及结论。
③基于激光辐照的背景噪声屏蔽技术，可实现光学镜面缺陷检测。
④检测过程中可保持洁净无污染。
本发明相较现有技术具有以下有益效果：
经由上述的技术方案可知，本发明公开了一种光学元件缺陷检测系统及检测方法，与现有技术中的小口径样件加工和人工检验工艺相比，本发明通过检测数据采集、缺陷类型分析和缺陷特性评价等步骤，解决了通过人工检验可能由于某些原因导致的缺陷形貌误判和缺陷定位错误，降低了缺陷定位错误发生率，进一步提高了大口径光学元器件的缺陷检测准确率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种光学元件缺陷检测系统原理图。
图2附图为本发明提供的一种光学元件缺陷检测方法工作流程图。
图3附图为本发明提供的缺陷散射信号的原理图。
图4附图为本发明提供的缺陷扫描图。
图5附图为本发明提供的激光散射缺陷检测结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例第一方面公开了一种光学元件缺陷检测系统。
参见说明书附图1所示的一种光学元件缺陷检测系统原理图，包括如下模块：
定位夹持模块105用于测试样件的定位夹持和对测试样件的姿态进行自动调节；
缺陷检测模块104，通过激光散射扫描和高倍物镜成像进行测试样件缺陷的检测与记录；
缺陷分析模块103，通过缺陷背景去除算法和缺陷特征识别对比分类流程对缺陷进行分类统计；
扫描运动模块102，用于搭载缺陷检测模块104，对大口径测试样件全表面进行测试及拼接；拼接是指将大口径样件测试过程中多个小区域测试通过拼接算法进行拼接实现大口径全范围的显示；
电气控制模块101，用于控制扫描运动模块102的运动和测试样件的测试。
在一个实施例中，缺陷检测模块104中设置有激光发射检测系统和高倍显微镜。
在一个实施例中，高倍显微镜与激光发射测试系统相邻水平放置。
在一个实施例中，激光发射检测系统包括激光发射器、激光功率调节器件、光束整形模块、光偏振控制模块、光束聚焦模块、激光散射探测模块、激光散射收集模块和反射光控制模块。
在一个实施例中，电器控制模块还用于对传感器信号进行反馈处理等，保证设备按指令正常运行。
在一个实施例中，还包括床身支撑模块107，位于整个系统的底层，用于支撑系统其余模块以及测试样件的放置。
在一个实施例中，还包括隔振模块106，位于床身支撑模块107的上方，隔振模块106上方有电气控制模块101、扫描运动模块102，缺陷分析模块103、缺陷检测模块104和定位夹持模块105，隔振模块106用于测试过程中保持其余模块及测试样件间位置关系的稳定性，尤其是不受环境震动所影响。
在一个实施例中，基于激光辐照的背景噪声屏蔽技术，可实现光学镜面缺陷检测。
在一个实施例中，缺陷检测过程可保持洁净无污染。
本发明实施例第二方面还公开了一种光学元件缺陷检测系统的缺陷检测方法。
参见说明书附图2所示的一种光学元件缺陷检测方法工作流程图，包括如下步骤：
步骤一：样品扫描测试，通过激光束对测试样件的二维扫描，形成缺陷统计表及缺陷分布示意图；
步骤二：检测数据采集，根据步骤一得到的全部缺陷或所选缺陷位置坐标对缺陷进行高倍率显微成像及尺寸判断；
步骤三：缺陷类型分析，通过缺陷背景去除算法和缺陷特征识别对比分类流程对缺陷进行分类统计；
步骤四：缺陷特性评价，根据缺陷判断条件及要求，对通过步骤三分类后的缺陷进行分析和评价。
在一个实施例中，在样品扫描测试之前需要进行样件姿态调整，具体为：根据高倍物镜下自动聚焦清晰度调整样件的俯仰倾斜状态，高倍物镜采用四角位置判断方法和通过四边及中心位置成像判断方法对样件姿态是否与测试光路形成规定的固定夹角进行判断。
在一个实施例中，固定夹角一般范围一般为60°-80°。
在一个实施例中，样品扫描测试采用激光散射与高倍成像结合的复合测试方法。
在一个实施例中，缺陷类型分析具体包括：对通过样品扫描测试收集的缺陷散射信号进行背景信号去除；通过频率变换提取特征峰值；根据特征峰值高低判断缺陷严重程度；根据峰值积分面积判断缺陷形状及大小，根据峰值位置对应确定缺陷位置。
在一个实施例中，样品扫描测试步骤具体为：入射激光束以给定的角度入射到测试样件表面，入射激光束在传输过程中执行二维扫描操作，探测器进行实时响应，获取散射信号，接着高倍物镜对定位后的缺陷进行成像，通过二维扫描操作，形成表面缺陷的二维散射图像，有缺陷处为亮点，没有缺陷处为暗点。
在一个实施例中，缺陷散射信号分为三种：背景信号、背景信号噪声波动和缺陷本质信号；缺陷本质信号在缺陷处会产生峰值，通过设置缺陷信号阈值将缺陷提取出来。
在一个实施例中，背景信号主要由环境光强、探测器暗电流以及样品表面粗糙度产生。
在一个实施例中，背景信号噪声主要由于探测器噪声波动、环境噪声波动和样品表面粗糙度波动产生。
在一个实施例中，对测试元件进行缺陷检测的可测试口径范围包括30mm×30mm-1500mmx500mm且可以测试分辨不小于0.3μm尺度缺陷。
在一个实施例中，还包括：开启设备及软件，系统初始化设置，设置系统参数，放置被测样品，设置测量参数。
在一个实施例中，系统初始化设置具体为：设备自动对激光强度、偏振光传输路径、扫描系统零位设置等进行系统初始化。
在一个实施例中，放置被测样品之前设置的系统参数包括：评价模式和软件输出格式等，针对测试样件种类、所测缺陷类型以及样品形貌等特征，选择相应系统文件参数，如测试色彩分布、对比度设置、激光光强设置以及偏振光角度设置等，确保同一类型样件尤其在需要前后对比的情况下测试环境一致。
在一个实施例中，放置被测样品之后设置的测量参数具体为：检测扫描范围、测试深度和测试类型等，根据实际信息输入样品名称、形状、尺寸以及扫描参数：扫描起点、扫描终点以及扫描行数等。
在一个实施例中，样品扫描测试程序，对整个面进行测试，将光学信号中的缺陷信息转换成可视信息进行采集及储存，通过专用软件识别，提取分类，统计所检测缺陷，根据输入的判断依据，出具判断结果及结论并输出。
下面给出利用本实施例第二方面提供的光学元件缺陷检测方法对400mm×400mm×40mm熔石英样件缺陷进行测试的具体执行步骤：
首先开启设备电源开关，开启设备专用测试软件，设备自动对激光强度、偏振光传输路径、扫描系统零位设置等进行系统初始化；
然后针对测试样件种类、所测缺陷类型以及样品形貌等特征，选择相应系统文件参数，如测试色彩分布R:149，G:200，B:190、对比度设置：55％、激光光强设置：39％，以及偏振光角度设置45°等，确保同一类型样件尤其在需要前后对比的情况下测试环境一致。
接着按要求放置样件到指定位置，定位夹紧，开启样件姿态调整功能，根据高倍物镜下自动聚焦清晰度调整样件的俯仰倾斜状态，该元件采用四角位置判断，再通过四边及中心位置成像判断，样件姿态是否与测试光路成一定固定夹角。(测试夹角一般控制在60-80度范围，角度选取不当可能会影响到一些浅划痕的检测精度)。
然后根据实际信息输入样品名称：大口径熔石英样件，形状：矩形，尺寸：400mm×400mm以及扫描参数：扫描起点(100mm，50mm)、扫描终点(500mm，450mm)，扫描行数46等。
执行样品扫描程序，从扫描起点到扫描终点，并生成缺陷统计表及缺陷分布示意图，根据全部缺陷或所选缺陷位置坐标对缺陷进行高赔率显微成像及尺寸判断，与将形貌信息填写至缺陷统计表中，同时根据缺陷情况进行分类，如对划痕缺陷，根据宽度信息一般设计≤1μm，1μm～3μm，3μm～6μm，6μm～10μm，11μm～20μm，21μm～30μm，31μm～40μm，＞40μm等多个阶梯进行统计，分别获得相应缺陷宽度及面积信息。人机交互界面输入判断条件及要求，设备自动出具详细测试测试报告并判断是否满足要求。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。