大口徑光學(xué)元件表面疵病在位檢測與評(píng)價(jià)研究

王貴林，朱俊輝，李嘉祥，李治斌

(湖南航天環(huán)宇通信科技股份有限公司，湖南 長沙 410205)

引言

隨著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)和系統(tǒng)的發(fā)展，精密光學(xué)元件的應(yīng)用范圍越來越廣，面形誤差、粗糙度、表面疵病是其三大檢驗(yàn)項(xiàng)目。表面疵病是在加工和使用過程中形成的離散局部微觀結(jié)構(gòu)，將會(huì)造成光線雜亂性散射，導(dǎo)致光學(xué)元件甚至整個(gè)系統(tǒng)受到影響[1-2]。

例如在強(qiáng)激光系統(tǒng)中，表面疵病將對(duì)高能入射光形成散射，引起能量吸收不均勻，進(jìn)而造成光學(xué)元件損壞[3]。在美國LLNL實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的國家點(diǎn)火裝置中，大口徑精密光學(xué)元件工作在接近材料激光損傷閾值的條件下，往往一個(gè)或幾個(gè)較大的疵病就嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。對(duì)紅外夜視、微光成像與探測系統(tǒng)而言，表面疵病對(duì)入射的微弱光線造成散射，降低了系統(tǒng)信噪比[4]。

表面疵病主要包括局部表面缺陷、劃痕和破邊，既不同于面形誤差的宏觀分布，也不同于表面粗糙度的均勻微觀分布，而是在整個(gè)光學(xué)表面上隨機(jī)分布、離散的微觀幾何特征[5-6]，橫向尺寸在微米量級(jí)，分布在分米甚至米級(jí)的光學(xué)表面內(nèi)，圖1所示為細(xì)長型劃痕。

圖1 表面疵病中劃痕的表現(xiàn)形式Fig.1 Form of scratch in surface defects

對(duì)于光學(xué)元件表面疵病的檢測，目視法、濾波成像法、全積分散射法、掃描頻譜法等適于小區(qū)域疵病的定性檢測和統(tǒng)計(jì)分析[7]，干涉法的數(shù)據(jù)量大且冗余、處理過程復(fù)雜[8]，采用光學(xué)輪廓儀、掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡進(jìn)行檢測時(shí)不能區(qū)分表面疵病和正常的加工紋理[9-10]。因此，這些方法均無法實(shí)現(xiàn)大型光學(xué)表面的定量和快速檢測。

根據(jù)ISO 10110-7: 2008(E)、GB/T 1185-2006疵病標(biāo)準(zhǔn)和ICF工程標(biāo)準(zhǔn)，最有利于定量評(píng)價(jià)且與工程標(biāo)準(zhǔn)相符的是散射暗場成像法[3,11]。但目前散射暗場成像均采用離線方式檢測光學(xué)元件的表面疵病，不滿足要求時(shí)則裝回機(jī)床修正加工，這將導(dǎo)致二次安裝誤差、降低加工效率。如果采用在位檢測方法，則可以解決離線檢測中非加工時(shí)間長、多次裝夾引起的定位誤差等問題，還能使檢測過程在生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

表面疵病的覆蓋范圍雖然比較小，但對(duì)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的性能影響卻很大，破壞力非常強(qiáng)。本文以數(shù)控光學(xué)加工機(jī)床作為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，采用散射暗場成像的方法，設(shè)計(jì)多光束均勻照明系統(tǒng)，研究表面疵病微細(xì)特征的識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)大口徑光學(xué)表面疵病的在位檢測與評(píng)價(jià)。

1 在位檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

表面疵病檢測基于暗場散射成像原理，如圖2所示。準(zhǔn)直平行光斜入射到光學(xué)元件的疵病區(qū)域時(shí)，由于特殊的局部微觀結(jié)構(gòu)，入射光將在一個(gè)相對(duì)較寬的角度范圍內(nèi)散射，成為二次光源；成像透鏡收集一定孔徑范圍內(nèi)的散射光，而將光滑表面的反射光排除在孔徑角范圍外，就能夠在CCD感光面上得到暗背景下的疵病亮像。

圖2 表面疵病暗場散射成像Fig.2 Scattering imaging of surface defects in dark field

根據(jù)疵病檢測原理，要求照明系統(tǒng)的出射光束準(zhǔn)直性很好、光學(xué)表面上照明光斑具有合適的照度，并且滿足均勻性指標(biāo)。系統(tǒng)所選鏡頭的放大倍數(shù)為0.52×～6.5×，成像視場的直徑應(yīng)在Φ11 mm以上，此時(shí)能夠完全覆蓋CCD感光面。

光學(xué)元件表面疵病在位檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由照明系統(tǒng)、散射成像系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和圖像處理系統(tǒng)等4個(gè)單元組成。照明系統(tǒng)需保證出射光束的準(zhǔn)直度、光斑的照度和均勻性達(dá)到指標(biāo)要求；散射成像系統(tǒng)檢測疵病所成的圖像，并且保證光滑區(qū)域的反射光線不會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)需要滿足大口徑光學(xué)元件表面疵病在位檢測的精度；圖像處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)疵病圖像的正確識(shí)別。

采用模塊化設(shè)計(jì)方法，將表面疵病在位檢測系統(tǒng)作為獨(dú)立模塊安裝在光學(xué)加工機(jī)床上。對(duì)光學(xué)表面進(jìn)行分區(qū)域檢測，散射成像系統(tǒng)獲取子孔徑圖像后，通過機(jī)床的逐次掃描運(yùn)動(dòng)完成整個(gè)表面的快速在位檢測，并將分區(qū)圖像拼接、識(shí)別和評(píng)價(jià)后得到光學(xué)元件表面疵病的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖3 表面疵病在位檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of on-machine detection system for surface defects

2 均勻照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于表面疵病在光學(xué)元件上隨機(jī)分布，為保證所有疵病檢測的成像對(duì)比度相同，采用環(huán)形排布的LED光源，通過對(duì)13束平行光進(jìn)行光照均勻性設(shè)計(jì)，保證被測區(qū)域內(nèi)的亮度盡量一致。

2.1 柯拉照明光源設(shè)計(jì)

采用柯拉照明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出射光束，優(yōu)化聚光鏡和前置透鏡的曲率半徑、厚度、通光孔徑、物距、像距等參數(shù)[12]，圖4為柯拉光源設(shè)計(jì)的鏡筒結(jié)構(gòu)，圖5為單光束在Zemax非序列照明中的三維追跡仿真圖。

圖4 柯拉光源的鏡筒結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of lens column for Cora light source

圖5 單光束Zemax非序列照明三維追跡圖Fig.5 3D tracing map of single-beam Zemax non-sequential illumination

圖6為接收面上成像光斑的照度，單束光照射時(shí)光斑在直徑Φ6 mm范圍內(nèi)的均勻性超過70%；在Φ6 mm之外光強(qiáng)不均勻，沒有達(dá)到成像視場的范圍要求。聚光鏡孔徑為12 mm，光束發(fā)散角約為0.01 rad，滿足準(zhǔn)直性要求。

圖6 單光束成像的光斑照度Fig.6 Spot illumination of single-beam imaging

2.2 多光束光照均勻性設(shè)計(jì)

均勻照明系統(tǒng)采用多光束設(shè)計(jì)，以保證對(duì)任意方向分布的疵病都能夠近直角入射，滿足被測表面光照均衡、全方位成像等要求。單束柯拉光源難以實(shí)現(xiàn)，因此通過對(duì)多束光源進(jìn)行分布設(shè)計(jì)以達(dá)到更均勻的照明效果。

圖7所示為13束柯拉光源經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后在照明面上的光照分布，照明光斑在Φ12 mm范圍內(nèi)均勻性達(dá)到70%以上，超過成像視場的直徑Φ11 mm，并且滿足照度要求。

圖7 采用13束柯拉光源得到的光照分布Fig.7 Illumination distribution of Cora light sources with 13 beams

3 疵病圖像的處理與評(píng)價(jià)

散射成像系統(tǒng)采集的圖像中，表面疵病表現(xiàn)為灰度的異常，由于受到干擾而含有噪聲，主要原因包括光照不均勻的影響、傳輸中的信道誤差以及數(shù)字化過程的量化噪聲等，這給圖像處理和識(shí)別帶來了困難[13]，需要進(jìn)行去光照、增強(qiáng)對(duì)比度、去噪和閾值分割等預(yù)處理。針對(duì)處理后的二值化圖像進(jìn)行特征提取，根據(jù)評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行疵病分類，最后完成疵病的識(shí)別與統(tǒng)計(jì)。

為了同時(shí)保證疵病圖像的高保真度和動(dòng)態(tài)壓縮范圍，采用MSR(多尺度Retinex)算法對(duì)疵病圖像進(jìn)行對(duì)比度增強(qiáng)[14]：

log[Gn(x,y)*Si(x,y)]}

(1)

式中：RMi為MSR在第i個(gè)圖像空間的輸出；N為尺度個(gè)數(shù)；wn為對(duì)應(yīng)于某尺度的權(quán)值；Si為對(duì)應(yīng)第i個(gè)圖像空間的分布；Gn為對(duì)應(yīng)權(quán)值的高斯卷積函數(shù)。

在預(yù)處理算法中，平滑濾波是去除不屬于疵病的噪聲?；叶染€性變換是將疵病特征與背景分離開，通過增強(qiáng)對(duì)比度來有效提取目標(biāo)特征圖像。圖像分解/二值化采用最優(yōu)閾值搜尋法，當(dāng)背景與疵病目標(biāo)的概率密度分別為ρb、ρc時(shí)，計(jì)算出分解誤差概率最小的最優(yōu)閾值T：

(2)

式中：μb、μc為背景和目標(biāo)的平均光照度；σ為噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

通過設(shè)定閾值T將灰度圖像分成目標(biāo)和背景兩個(gè)領(lǐng)域，目標(biāo)區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)的灰度值為1，背景區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)的灰度值為0，圖8為某受損光學(xué)表面進(jìn)行閾值分割后的二值化圖像。

圖8 某表面閾值分割后的圖像Fig.8 Segmented image with a surface threshold

相對(duì)于整個(gè)光學(xué)表面，疵病的分布區(qū)域比較小，麻點(diǎn)、劃痕和灰塵之間的特征差異不大，根據(jù)疵病的形狀因子和區(qū)域填充度進(jìn)行分類評(píng)定。其中，區(qū)域填充度是單個(gè)疵病所占面積與外接矩形面積的比值；如果單個(gè)疵病的面積為S、周長為P，則其形狀因子M為

(3)

根據(jù)表1所示的疵病類別評(píng)定值[15]，可以看出劃痕和麻點(diǎn)的區(qū)域填充度區(qū)別不明顯，但麻點(diǎn)的形狀因子更大、外形較為飽和，見圖8所示。

表1 疵病類別評(píng)定表Table 1 Categories evaluation of surface defects

為了對(duì)疵病尺寸進(jìn)行標(biāo)定，取精密光學(xué)元件作為基底，在表面上加工一系列特定長度、寬度和深度的刻線來模擬劃痕類疵病，通過準(zhǔn)確測試其幾何參數(shù)作為已知形貌特征的標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)板。圖9為原子力顯微鏡測量已知?jiǎng)澓鄣恼掌?，圖10為所測5條劃痕的形貌特征，圖中上方為所測劃痕的三維形貌，下方為對(duì)應(yīng)截線的幾何形狀，橫坐標(biāo)表示劃痕寬度，縱坐標(biāo)表示劃痕深度。根據(jù)測試結(jié)果，劃痕寬度在3.1 μm～11.8 μm之間，深度在40 nm～4 000 nm之間。采用表面疵病在位檢測系統(tǒng)對(duì)已知形貌的劃痕進(jìn)行測試，精確擬合實(shí)際尺寸與成像尺寸，得到疵病的特征值。

對(duì)圖11所示的劃痕，表面疵病在位檢測系統(tǒng)測得微觀圖像后在CCD上存儲(chǔ)，通過分析軟件進(jìn)行識(shí)別，得出劃痕的長度為6.01 mm，寬度為3.49 μm。真實(shí)長度為5.87 mm，原子力顯微鏡檢測的真實(shí)寬度為3.42 μm，對(duì)應(yīng)的長度偏差為2.39%、寬度偏差為2.05%，均在可接受的范圍之內(nèi)，滿足疵病評(píng)價(jià)要求。

圖9 原子力顯微鏡檢測表面疵病Fig.9 Detection of surface defects by AFM

圖10 原子力顯微鏡檢測的5條劃痕特征Fig.10 Five scratches detected by AFM

圖11 在位檢測系統(tǒng)測得的某條劃痕Fig.11 Scratch detected by on-machine detection system

4 平面硅鏡疵病檢測實(shí)驗(yàn)

測試對(duì)象為直徑Φ280 mm、經(jīng)過精密拋光的平面硅鏡，表面疵病在位檢測系統(tǒng)安裝在光學(xué)加工機(jī)床上，機(jī)床平面度滿足硅鏡的檢測要求，不需要通過傾斜臺(tái)進(jìn)行水平調(diào)整。

測試過程中，調(diào)節(jié)顯微鏡的焦距找到合適的成像位置，并且滿足光照均勻性要求；通過數(shù)控運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行分區(qū)域檢測，獲得各個(gè)區(qū)域內(nèi)的疵病圖像，然后對(duì)圖像進(jìn)行拼合、預(yù)處理，采用分析軟件實(shí)現(xiàn)疵病特征信息的識(shí)別與評(píng)價(jià)。

圖12(a)為表面疵病在位檢測系統(tǒng)對(duì)平面硅鏡進(jìn)行測試的照片，圖12(b)為檢測后的拼接圖像，拼接后的整體尺寸為288 mm×294.8 mm，完全包含于Φ280 mm的硅鏡表面。

圖12 在位檢測系統(tǒng)測試硅鏡表面疵病Fig.12 Surface defects in silicon mirror detected by on-machine detection system

表2所示為Φ280 mm平面硅鏡光學(xué)加工表面的疵病識(shí)別結(jié)果，給出了劃痕、麻點(diǎn)、灰塵的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，滿足準(zhǔn)確辨識(shí)要求。

表2 硅鏡疵病圖像的識(shí)別結(jié)果Table 2 Recognition result of defect images in silicon mirror

5 結(jié)論

現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)對(duì)精密光學(xué)元件加工質(zhì)量的要求越來越嚴(yán)格，表面疵病是在加工和使用過程中產(chǎn)生的離散局部微觀結(jié)構(gòu)，它對(duì)光學(xué)元件的影響集中并且破壞力強(qiáng)。目前的表面疵病檢測儀基本上針對(duì)平面或球面光學(xué)元件進(jìn)行離線檢測，如果不滿足要求則裝回機(jī)床修正加工，這將導(dǎo)致二次安裝誤差、降低加工效率。

本文基于散射暗場成像方法，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將表面疵病在位檢測系統(tǒng)作為獨(dú)立模塊安裝在光學(xué)加工機(jī)床上，對(duì)大口徑光學(xué)元件進(jìn)行分區(qū)域檢測，然后對(duì)各分區(qū)圖像進(jìn)行拼接、識(shí)別和評(píng)價(jià)，標(biāo)定結(jié)果表明疵病的寬度偏差為2.05%、長度偏差為2.39%，滿足指標(biāo)要求；并在生產(chǎn)現(xiàn)場對(duì)Φ280 mm平面硅鏡進(jìn)行了快速在位檢測，解決了離線檢測中非加工時(shí)間長與多次裝夾引起定位誤差等問題。