光學(xué)元件表面疵病定量檢測方法

ICSXX.XXX.XXXXX團(tuán) 體 標(biāo) 準(zhǔn)T/COEMAXXXXX-2020光學(xué)元件表面疵病定量檢測方法QuantitativeInspectionMethodforSurfaceImperfectionsofOpticalElements202X-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實(shí)施發(fā)布中關(guān)村材料試驗(yàn)技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布T/COEMAXXXXX—2020IT/CSTMXXXXX—20181T/COEMAXXXXX-2020光學(xué)元件表面疵病定量檢測方法范圍本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了光學(xué)元件表面疵病定量檢測的一般要求、檢測原理與方法。本標(biāo)準(zhǔn)適用于平面類雙面拋光和鍍膜的光學(xué)元件表面疵病的檢測。規(guī)范性引用文件下列文件對于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T1185-2006光學(xué)零件表面疵病ISO10110-7Opticsandphotonics—Preparationofdrawingsforopticalelementsandsystems—Part7:SurfaceimperfectiontolerancesMIL-PRF-13830BOpticalcomponentsforfirecontrolinstruments;Generalspecificationgoverningthemanufacture,assembly,andinspectionof術(shù)語和定義GB/T1185-2006、ISO10110-7、MIL-PRF-13830B確立的術(shù)語與定義適用于本標(biāo)準(zhǔn)。表面疵病surfaceimperfections表面疵病是指光學(xué)元件表面的劃痕、麻點(diǎn)、破邊和斑點(diǎn)等瑕疵。劃痕scratch劃痕是指光學(xué)元件表面呈現(xiàn)的微細(xì)的長條形凹痕。麻點(diǎn)pitpitting麻點(diǎn)是指光學(xué)元件表面呈現(xiàn)的微小的點(diǎn)狀凹坑。破邊edgechips破邊是指光學(xué)元件有效孔徑外的邊緣破損。斑點(diǎn)stain斑點(diǎn)是指光學(xué)元件表面經(jīng)侵蝕或鍍膜后形成的在反射光中呈干涉色突變的局部腐蝕或覆蓋。一般要求環(huán)境要求環(huán)境要求如下：環(huán)境溫度：20℃±5℃；相對濕度：小于70%；潔凈度：環(huán)境潔凈，設(shè)備所在測試區(qū)域環(huán)境潔凈度達(dá)到千級；滿足待測光學(xué)元件檢測的其他環(huán)境要求。設(shè)備要求設(shè)備要求如下：設(shè)備內(nèi)部樣品測試區(qū)域環(huán)境潔凈度：百級；橫向分辨率：優(yōu)于1μm；設(shè)備檢測相對重復(fù)性：優(yōu)于5%；照明光源功率穩(wěn)定性優(yōu)于3%；設(shè)備移動(dòng)定位系統(tǒng)的定位精度優(yōu)于3μm。光學(xué)元件要求待檢光學(xué)元件要求如下：待檢光學(xué)元件表面潔凈，無水漬和污跡；待檢光學(xué)元件厚度：不小于10mm；待檢光學(xué)元件為平板類雙面拋光元件和鍍膜元件，表面粗糙度Rq≤1.5nm；待檢光學(xué)元件對照明光源不產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。詳細(xì)要求檢測原理光學(xué)元件表面疵病采用激光散射原理檢測，如圖1所示，準(zhǔn)直激光經(jīng)過透鏡聚焦后以一定角度斜入射到待測樣品表面。若被照明區(qū)域沒有疵病，則激光以相同角度從另一側(cè)反射，幾乎無散射光被光電探測器收集，光電探測器采集的信號為暗背景信號；若被照明區(qū)域存在疵病，入射激光被散射，散射光被收集到光電探測器里，形成疵病信號。對樣品表面進(jìn)行二維掃描，將光電探測器輸出的信號轉(zhuǎn)換為圖像灰度，形成表面疵病的灰度分布圖像。圖1激光散射測量原理。左圖：無疵??；右圖：疵病檢測方法基于激光散射原理的光學(xué)元件表面疵病檢測方法如圖2所示。激光器發(fā)出光束經(jīng)過功率調(diào)節(jié)器后，根據(jù)待測樣品表面反射率，輸出合適的功率。激光經(jīng)過分束器后被分成兩束，分束比≥9:1，其中，弱激光束被功率計(jì)接收，用于實(shí)時(shí)檢測監(jiān)測入射激光功率穩(wěn)定性。另一束強(qiáng)激光束經(jīng)兩個(gè)反射鏡依次反射后，通過擴(kuò)束器，其光束直徑被調(diào)整，以滿足f-θ鏡的最佳入瞳直徑。擴(kuò)束后的激光束通過轉(zhuǎn)鏡快速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)高速一維掃描，再通過f-θ鏡和反射鏡后斜入射到待測樣品表面，實(shí)現(xiàn)一維聚焦線掃描，即在待測樣品表面形成一條沿X方向的激光掃描線。若被激光照射區(qū)域存在表面疵病，則表面疵病產(chǎn)生的散射光被會聚透鏡收集到光電探測器中，形成散射光強(qiáng)度較大的疵病信號，無疵病區(qū)域?yàn)榘当尘?。反射光被光陷阱接收。Z向位移臺用于待測樣品對焦。為完成待測樣品整個(gè)表面測量，圖2中除待測樣品和一維位移平臺外剩余的探測光路均被固定在一個(gè)X-Y移動(dòng)定位系統(tǒng)（圖中未顯示）上。X-Y定位系統(tǒng)帶動(dòng)探測光路的按圖3所示路徑對待測樣品表面進(jìn)行二維掃描。對于矩形樣品，掃描起點(diǎn)為樣品左上角頂點(diǎn)。對于圓形樣品，掃描起點(diǎn)為圓的外接矩形的左上角頂點(diǎn)。沿X方向每一行掃描圖像為一子區(qū)域圖像，其沿Y方向的長度為激光掃描線的長度L。將對待測樣品整個(gè)表面掃描獲得的光電信號分布圖轉(zhuǎn)換為灰度圖像，對灰度圖像進(jìn)行圖像處理，提取表面疵病的位置和劃痕長度。根據(jù)表面疵病的位置，圖2所示的暗場成像系統(tǒng)（虛線框內(nèi)）移動(dòng)到表面疵病處對其進(jìn)行高倍成像。在暗場成像系統(tǒng)中，環(huán)形照明光源斜入射到表面疵病所在區(qū)域，其產(chǎn)生的散射光被高倍顯微鏡頭接收，在相機(jī)上成像。高倍圖像經(jīng)過圖像處理后，提取劃痕的寬度和麻點(diǎn)等疵病的等效直徑。為避免環(huán)境中的雜散光的影響，圖2所示的測量光路均處于暗箱中。1——激光器；2——光功率調(diào)節(jié)器；3——分束器；4——功率計(jì)；5、6、10——反射鏡；7——擴(kuò)束器；8——轉(zhuǎn)鏡；9——f-θ鏡；11——待測樣品；12——Z向位移臺；13——激光掃描線；14——光陷阱；15——會聚透鏡；16——光電探測器；17——環(huán)形照明光源；18——高倍顯微鏡頭；19——相機(jī)圖2典型的表面疵病定量測量裝置圖3矩形和圓形樣品掃描路徑檢測步驟對待檢樣品表面進(jìn)行潔凈處理，達(dá)到4.3中被檢光學(xué)元件要求；將待檢樣品放入樣品夾具中，并固定在Z向位移臺上；打開設(shè)備各部分控制開關(guān)及軟件，使設(shè)備處于正常工作狀態(tài)；通過俯仰偏擺電動(dòng)機(jī)構(gòu)（位于樣品和Z向位移臺之間，圖中未顯示）調(diào)節(jié)待檢樣品姿態(tài)，使待檢樣品的表面垂直于探測系統(tǒng)的光軸；通過移動(dòng)Z向位移臺，調(diào)節(jié)待檢樣品的表面到散射光收集系統(tǒng)的距離，使待檢樣品的表面位于探測系統(tǒng)的焦面上；根據(jù)待檢樣品的尺寸，探測系統(tǒng)由檢測起點(diǎn)開始按圖3所示的掃描路徑對待檢樣品進(jìn)行全口徑測量，探測系統(tǒng)沿X方向移動(dòng)的步進(jìn)量為入射激光經(jīng)過f-θ鏡后聚焦的光斑的束腰直徑；圖像處理軟件對全口徑圖像進(jìn)行處理，得到表面疵病的位置和劃痕等疵病的長度；調(diào)節(jié)暗場成像系統(tǒng)到樣品表面的距離，使表面疵病能清晰成像；根據(jù)表面疵病的位置坐標(biāo)，暗場成像系統(tǒng)依次移動(dòng)到每一個(gè)表面疵病處，獲取表面疵病的高倍圖像；對表面疵病的高倍圖像進(jìn)行圖像處理，得到劃痕等疵病的寬度和麻點(diǎn)等疵病的等效直徑；輸出并保存表面疵病的測量結(jié)果。數(shù)據(jù)處理光學(xué)元件表面疵病的位置坐標(biāo)和尺寸計(jì)算流程圖4所示。圖4表面疵病位置坐標(biāo)和尺寸計(jì)算流程檢測報(bào)告測量結(jié)束后，填寫光學(xué)元件表面疵病檢測報(bào)告，報(bào)告格式見附錄A。檢測報(bào)告應(yīng)當(dāng)包括下列內(nèi)容：識別樣品名稱和來源、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，以及檢測日期所需的全部資料；引用標(biāo)準(zhǔn)；結(jié)果及表達(dá)形式；測量過程中觀察到的異?，F(xiàn)象；任何本標(biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定的操作，或任何可能影響測量結(jié)果的操作。

附錄AA.1檢測報(bào)告格式光學(xué)元件表面疵病檢測報(bào)告如表A.1所示。表A.1光學(xué)元件表面疵病檢測報(bào)告送檢單位送檢日期材料類型元件編號元件幾何尺寸（mm）環(huán)境溫度（℃）相對濕度檢測設(shè)備設(shè)備狀態(tài)檢測依據(jù)序號疵病類型疵病尺寸疵病坐標(biāo)（mm）備注123綜合檢測結(jié)果疵病位置分布示意圖：檢測人：檢測日期：復(fù)核人：復(fù)核日期：前??言本標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T1.1-2020給出的規(guī)則起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。本標(biāo)準(zhǔn)由中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所和合肥知常光電科技有限公司提出。本標(biāo)準(zhǔn)由中關(guān)村材料試驗(yàn)技術(shù)聯(lián)盟歸口。本標(biāo)準(zhǔn)起草單位：中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、合肥知常光電科技有限公司、中國工程物理研究院激光聚變研究中心和上海理工大學(xué)。本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人：倪開灶、邵建達(dá)、吳周令、劉世杰、柴立群、張大偉、陳堅(jiān)、黃明、王微微、趙建華、徐天柱、唐春香。前??言本標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T1.1-2020給出的規(guī)則起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件