GB/T 41805-2022 光學(xué)元件表面疵病定量檢測(cè)方法 顯微散射暗場(chǎng)成像法（正式版）

ICS81.040.01GB/T41805—2022光學(xué)元件表面疵病定量檢測(cè)方法顯微散射暗場(chǎng)成像法國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)IGB/T41805—2022本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請(qǐng)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(shí)別專利的責(zé)任。本文件由中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)提出。本文件由全國(guó)光學(xué)和光子學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC103)歸口。工程物理研究院激光聚變研究中心、中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、中國(guó)兵器工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究黃木旺。ⅡGB/T41805—2022GB/T1185—2006是光學(xué)元件表面疵病目視法檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，其主要采用在強(qiáng)光或一定的光照條件下，利用比較標(biāo)板人眼目視觀察確定疵病尺度的方法。目視法的主觀性強(qiáng)且重復(fù)性差，落后的檢測(cè)方法已經(jīng)嚴(yán)重制約現(xiàn)代科學(xué)研究及工業(yè)化在線檢測(cè)的發(fā)展。本文件保留GB/T1185—2006對(duì)光學(xué)元件表面疵病的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，提出顯微散射暗場(chǎng)光學(xué)成像系統(tǒng)及數(shù)字化處理的定量評(píng)價(jià)方法，該標(biāo)準(zhǔn)的建立將為我國(guó)對(duì)各類精密光學(xué)元件在加工工藝、光學(xué)鍍膜、工業(yè)化在線檢測(cè)等各個(gè)環(huán)節(jié)提供有效的數(shù)字化定量檢測(cè)方法。本文件介紹了光學(xué)元件顯微散射暗場(chǎng)成像中的術(shù)語(yǔ)及定義，描述了環(huán)形照明光源及顯微散射暗場(chǎng)所有光學(xué)元件表面疵病的定量化檢測(cè)。針對(duì)數(shù)字化的定量檢測(cè)方法，在附錄A中介紹了檢測(cè)重復(fù)性與相對(duì)誤差測(cè)量方法。針對(duì)大口徑平面光學(xué)元件的檢測(cè)，在附錄B中介紹了利用顯微散射暗場(chǎng)成像的子孔徑的掃描拼接方法。在附錄C中介紹了用于疵病尺度評(píng)價(jià)的比較標(biāo)板的制作方法。為避免技術(shù)壁壘，本文件中只推薦并介紹平面光學(xué)元件表面疵病定量檢測(cè)裝置的布局，對(duì)檢測(cè)裝置如顯微散射暗場(chǎng)光學(xué)成像系統(tǒng)、子孔徑掃描所需的機(jī)械移導(dǎo)裝置等具體結(jié)構(gòu)類型不做限制，只要能滿足顯微散射暗場(chǎng)成像環(huán)境即可。1GB/T41805—2022光學(xué)元件表面疵病定量檢測(cè)方法顯微散射暗場(chǎng)成像法1范圍本文件描述了采用顯微散射暗場(chǎng)成像法對(duì)光學(xué)元件表面疵病進(jìn)行定量檢測(cè)的檢測(cè)2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文本文件。GB/T1185—2006光學(xué)零件表面疵病3術(shù)語(yǔ)和定義GB/T1185—2006界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。由環(huán)狀分布的高亮度LED或其他高亮度光源構(gòu)成的照明系統(tǒng)，以提供均勻的暗場(chǎng)照明。顯微散射暗場(chǎng)成像microscopicscatteringd圖像單個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的物面幾何尺寸。使用可精確溯源及可量化缺陷尺寸的表面疵病比較標(biāo)板，建立物面實(shí)際尺寸與成像系統(tǒng)的像素之3.5疵病像素面積pixelarea圖像中疵病連通域的像素個(gè)數(shù)表征的面積。2GB/T41805—20223.6疵病像素周長(zhǎng)pixelperimeter圖像中疵病連通域外輪廓相鄰像素質(zhì)心距離之和的表征長(zhǎng)度?；陲@微散射暗場(chǎng)成像的光學(xué)元件表面疵病定量檢測(cè)原理示意圖見(jiàn)圖1。被檢樣品或比較標(biāo)板水統(tǒng)僅接收到表面疵病誘發(fā)的散射光使得疵病會(huì)在暗背景下呈現(xiàn)高亮區(qū)域。在定量測(cè)量被檢樣品之前，首先使用比較標(biāo)板進(jìn)行定標(biāo)，測(cè)量比較標(biāo)板的疵病標(biāo)樣以建立圖像像素尺寸和疵病標(biāo)樣實(shí)際尺寸或級(jí)數(shù)之間的映射關(guān)系，按照附錄A描述的方法計(jì)算比較標(biāo)板的檢測(cè)重復(fù)性與計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差，如圖1光學(xué)元件表面疵病定量檢測(cè)原理示意圖5試驗(yàn)條件b)相對(duì)濕度：不大于60%;3GB/T41805—20226儀器設(shè)備根據(jù)圖1的光學(xué)元件表面疵病定量檢測(cè)原理示意圖搭建顯微散射暗場(chǎng)成像檢測(cè)裝置。試驗(yàn)所需最低成像分辨率按GB/T1185—2006中4.2.1.3和4.2.2.2規(guī)定的不予計(jì)算的疵病級(jí)數(shù)。例如一般疵病級(jí)數(shù)小于一般疵病公差級(jí)數(shù)的0.16倍可忽略不計(jì)，對(duì)于一般疵病公差B/1×0.63,成像分辨率應(yīng)優(yōu)于待檢疵病級(jí)數(shù)屬于GB/T1185—2006中表C.1的1號(hào)標(biāo)板、2號(hào)標(biāo)板和3號(hào)標(biāo)板時(shí)，試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)符合表1的要求。比較標(biāo)板型號(hào)成像分辨率環(huán)形光源照明角度a樣品表面照度光源照度穩(wěn)定性1號(hào)標(biāo)板2號(hào)或3號(hào)標(biāo)板試驗(yàn)中應(yīng)避免光源反射光直接進(jìn)入視場(chǎng)。在滿足檢測(cè)所需成像分辨率的前提下，如果相機(jī)視場(chǎng)不程按附錄B描述的子孔徑掃描和拼接過(guò)程。7樣品a)樣品表面清潔度應(yīng)不影響測(cè)量；b)樣品厚度大于光學(xué)成像系統(tǒng)的景深；c)樣品表面對(duì)可見(jiàn)光不會(huì)產(chǎn)生衍射。8檢測(cè)步驟場(chǎng)內(nèi)，調(diào)節(jié)相機(jī)與樣品表面的距離，使成像系統(tǒng)對(duì)焦于物體表面。對(duì)于被檢樣品口徑超出視場(chǎng)的區(qū)在暗場(chǎng)環(huán)境下采集待測(cè)光學(xué)元件的圖像。圖像去噪與圖像對(duì)比度增強(qiáng)等步驟。4GB/T41805—2022選取合適閾值對(duì)圖像做二值化分割，獲得暗背景與亮疵病分明的二值化圖像。圖像預(yù)處理和圖像閾值分割會(huì)影響到8.7中的定標(biāo)精度，當(dāng)圖像質(zhì)量較差，定標(biāo)直線的線性度不佳、測(cè)量誤差與檢測(cè)重復(fù)8.5圖像形態(tài)學(xué)處理對(duì)二值化圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理，以形態(tài)學(xué)處理后的二值化圖像中的連通域來(lái)表征疵病。如圖2所計(jì)算白色區(qū)域的像素個(gè)數(shù)可以得到疵病像素面積N,計(jì)算白色區(qū)域外輪廓相鄰像素質(zhì)心距離之和可以得到疵病像素周長(zhǎng)C,疵病像素面積N與疵病像素周長(zhǎng)C的獲得將為后續(xù)的疵病分類及疵病尺寸計(jì)算像素面積N:24像素面積N:7像素周長(zhǎng)C:6.83按照GB/T1185—2006規(guī)定，表面疵病包括麻點(diǎn)、擦痕等瑕疵。麻點(diǎn)是光學(xué)零件表面呈現(xiàn)的微小的點(diǎn)狀凹穴，而擦痕為微細(xì)的長(zhǎng)條形凹痕。長(zhǎng)寬比大于160:1的擦痕稱長(zhǎng)擦痕，基本級(jí)數(shù)是長(zhǎng)擦痕的最大寬度。長(zhǎng)寬比小于160:1的擦痕又稱短擦痕。短擦痕和麻點(diǎn)都?xì)w為一般表面疵病，級(jí)數(shù)值是疵病病或長(zhǎng)擦痕，然后分別計(jì)算尺寸和相應(yīng)的級(jí)數(shù)。根據(jù)8.5直接獲得的疵病像素周長(zhǎng)C和疵病像素面積N,可以間接地獲取疵病的長(zhǎng)寬比t。具體如公式(1)所示。設(shè)擦痕長(zhǎng)寬比為t,寬度由u個(gè)像素表征，長(zhǎng)度由t·u(t>1)個(gè)像素表征，則擦痕的像素周長(zhǎng)C可以表示為2u(t+1),擦痕的像素面積N可以表示為tu2,當(dāng)t=160時(shí)，R=648.03,因此當(dāng)疵病像素周長(zhǎng)的平方與疵病像素面積的比值R>649R=C2/N (1)式中：R——疵病像素周長(zhǎng)的平方與疵病像素面積的比值；5擦痕實(shí)際寬度/mmGB/T41805—2022擦痕實(shí)際寬度/mmN——疵病像素面積，單位為像素(Pixel);8.7定標(biāo)定標(biāo)時(shí)需要使用已知疵病實(shí)際尺寸的比較標(biāo)板作為待測(cè)光學(xué)元件，該比較標(biāo)板的加工制作可參照附錄C的方法，定標(biāo)過(guò)程是保證最終測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確的關(guān)鍵步驟，該過(guò)程要求：a)待測(cè)光學(xué)元件和比較標(biāo)板在相同的光照環(huán)境條件下進(jìn)行圖像采集；b)待測(cè)光學(xué)元件表面垂直于成像系統(tǒng)光軸，并與相機(jī)像面平行；c)若使用二維移動(dòng)導(dǎo)軌移動(dòng)光學(xué)元件，移動(dòng)過(guò)程中要保持光學(xué)元件表面與相機(jī)像面平行。在采集比較標(biāo)板上的擦痕圖像后，根據(jù)8.3～8.5的步驟，對(duì)擦痕圖像進(jìn)行處理，如圖3a)所示，得到一系列相機(jī)成像后的擦痕像素寬度數(shù)據(jù)u?,u?,…,u;,…,u,,這些擦痕實(shí)際寬度已知，分別為w?,a)定標(biāo)擦痕圖像采樣示意圖b)定標(biāo)擦痕像素寬度和實(shí)際寬度線性擬合示意圖圖3比較標(biāo)板定標(biāo)示意圖使用最小二乘法對(duì)比較標(biāo)板上的擦痕像素寬度與其實(shí)際寬度進(jìn)行線性擬合，如圖3b)所示，得到擦痕像素寬度與實(shí)際寬度的擬合直線，擬合直線的斜率為所需要的定標(biāo)系數(shù)kc。擬合直線表達(dá)式見(jiàn)公式(2)所示： (2)式中：Wa——比較標(biāo)板擦痕實(shí)際寬度，單位為毫米(mm);k。——擬合直線斜率，記為定標(biāo)系數(shù)；Up——比較標(biāo)板擦痕像素寬度，單位為像素(Pixel)。定標(biāo)完成后，隨機(jī)選取比較標(biāo)板上的疵病樣本，按照附錄A的方法，計(jì)算檢測(cè)重復(fù)性與測(cè)量的相對(duì)誤差，如果滿足檢測(cè)要求，實(shí)際檢測(cè)時(shí)，應(yīng)按照與定標(biāo)相同的條件做圖像采集與圖像處理，否則，應(yīng)調(diào)整圖像預(yù)處理與圖像分割的算法，重新定標(biāo)。9試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理9.1一般疵病面積計(jì)算將一般疵病的像素面積經(jīng)過(guò)公式(3)計(jì)算后得到以mm2為單位的實(shí)際面積，見(jiàn)公式(3)所示：6GB/T41805—2022S=Nk2……(3)式中：S——疵病面積，單位為平方毫米(mm2);N——疵病像素面積，單位為像素(Pixel);k?！獢M合直線斜率，記為定標(biāo)系數(shù)。9.2長(zhǎng)擦痕尺寸計(jì)算長(zhǎng)擦痕的尺寸主要包括長(zhǎng)度和寬度，由于GB/T1185—2006規(guī)定長(zhǎng)寬比大于160:1的擦痕為長(zhǎng)擦痕，因此長(zhǎng)擦痕的長(zhǎng)度L可近似用擦痕周長(zhǎng)的一半來(lái)表示，具體見(jiàn)公式(4):L=k.C/2 (4)式中：k?！獢M合直線斜率，記為定標(biāo)系數(shù)；C———疵病像素周長(zhǎng)，單位為像素(Pixel)。長(zhǎng)擦痕寬度w可按公式(5)計(jì)算：w=2Nk./C……(5)式中：w——長(zhǎng)擦痕寬度，單位為毫米(mm);N——疵病像素面積，單位為像素(Pixel);k?！獢M合直線斜率，記為定標(biāo)系數(shù)；C——疵病像素周長(zhǎng)，單位為像素(Pixel)。9.3麻點(diǎn)尺寸計(jì)算麻點(diǎn)尺寸主要包括麻點(diǎn)直徑d,可按公式(6)計(jì)算：式中：d——麻點(diǎn)直徑，單位為毫米(mm);N——疵病像素面積，單位為像素(Pixel)。10檢測(cè)報(bào)告報(bào)告應(yīng)至少包括以下內(nèi)容：a)采用標(biāo)準(zhǔn)；b)試驗(yàn)時(shí)間、報(bào)告時(shí)間；c)樣品信息(產(chǎn)品類型、樣品編號(hào)、送檢單位);d)比較標(biāo)板有關(guān)信息；e)測(cè)試儀器；g)檢測(cè)環(huán)境條件；h)檢測(cè)單位和檢測(cè)人員。7GB/T41805—2022(規(guī)范性)檢測(cè)重復(fù)性與相對(duì)誤差測(cè)量方法A.1檢測(cè)的重復(fù)性測(cè)量方法利用試驗(yàn)設(shè)備對(duì)某平板玻璃進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，每次測(cè)量結(jié)束后重新調(diào)整，并按原掃描路徑重新測(cè)量，測(cè)量10次，檢測(cè)重復(fù)性為10次測(cè)量中，平板玻璃表面的疵病總面積與10次測(cè)量總面積平均值的相對(duì)偏差的最大值，見(jiàn)公式(A.1)?！?A.1)式中：max——取最大值函數(shù)；i——測(cè)量序號(hào)；S;———第i次測(cè)量的元件表面疵病總面積，單位為像素(Pixel);S——10次測(cè)量得到的元件表面疵病總面積平均值，單位為像素(Pixel)。A.2檢測(cè)的相對(duì)誤差測(cè)量方法檢測(cè)的相對(duì)誤差為對(duì)某一已知尺寸參數(shù)的疵病，重復(fù)10次測(cè)量中，尺寸測(cè)量值與已知真實(shí)值相對(duì)偏差的最大值，見(jiàn)公式(A.2)?！?A.2)式中：max——取最大值函數(shù)；j——測(cè)量序號(hào)；w;——同一疵病第j次測(cè)量得到的尺寸，單位為毫米(mm);Wreal——疵病的真實(shí)尺寸，單位為毫米(mm)。8GB/T41805—2022(規(guī)范性)B.1概述法通過(guò)一次成像實(shí)現(xiàn)元件表面的全覆蓋檢測(cè)。所以在進(jìn)行大口徑元件檢測(cè)的時(shí)候，需引入子孔徑掃描B.2起始點(diǎn)定位圖B.1a)和b)所示分別為方形和圓形元件的子孔徑掃描過(guò)程二維圖，取元件外接矩形的左上角頂9GB/T41805—2022B.3子孔徑掃描首先顯微鏡在低倍率下，控制X、Y兩軸位移平臺(tái)帶動(dòng)元件執(zhí)行“S”形軌跡掃描，首先在表面的最左側(cè)區(qū)域沿著X軸正方向按照A?.,A?,2,…,A?.,的順序采集圖像，接著沿Y軸正向移動(dòng)一步，采集A?,,然后沿X軸負(fù)方向依次采集A?.n-1,A?.m-2,…,A?,1,接著再沿著Y軸正向移動(dòng)一步，繼續(xù)按照相同的方式采集圖像，直至采集至Am,子孔徑，即以最短的導(dǎo)軌運(yùn)行距離完成對(duì)元件全表面的子孔徑掃描和圖像采集。掃描過(guò)程中，保存各子孔徑圖像。沿X方向和Y方向的行進(jìn)步距分別為顯微鏡物方視場(chǎng)沿X方向和Y方向長(zhǎng)度的n(0<n<1)倍，并且保證子孔徑之間有一定的重疊區(qū)域，以及移導(dǎo)系統(tǒng)掃描的步距固定，絕對(duì)定位精度精確至微米量級(jí)。掃描和拼接的布局三維示意如圖B.1c)所示。B.4子孔徑拼接首先檢測(cè)A?.1和A1,2之間的重疊區(qū)域，如果有連續(xù)疵病特征存在，則對(duì)這兩塊子孔徑圖像通過(guò)特征幅圖像按重疊像素?cái)?shù)進(jìn)行拼接。然后再檢測(cè)A?.2與A?.3之間的重疊區(qū)域，以此類推，將所有子孔徑圖像拼接成覆蓋元件全表面的顯微圖像。GB/T41805—2022(資料性)比較標(biāo)板常用的疵病標(biāo)樣參數(shù)見(jiàn)GB/T1185—2006中C.4。比較標(biāo)板使用透明光學(xué)材質(zhì)，制作透明的疵病