光學元件表面疵病定量檢測方法

ICSXX.XXX.XXXXX團 體 標 準T/COEMAXXXXX-2020光學元件表面疵病定量檢測方法QuantitativeInspectionMethodforSurfaceImperfectionsofOpticalElements202X-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實施發(fā)布中關村材料試驗技術聯(lián)盟發(fā)布T/COEMAXXXXX—2020IT/CSTMXXXXX—20181T/COEMAXXXXX-2020光學元件表面疵病定量檢測方法范圍本標準規(guī)定了光學元件表面疵病定量檢測的一般要求、檢測原理與方法。本標準適用于平面類雙面拋光和鍍膜的光學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光學零件表面疵病ISO10110-7Opticsandphotonics—Preparationofdrawingsforopticalelementsandsystems—Part7:SurfaceimperfectiontolerancesMIL-PRF-13830BOpticalcomponentsforfirecontrolinstruments;Generalspecificationgoverningthemanufacture,assembly,andinspectionof術語和定義GB/T1185-2006、ISO10110-7、MIL-PRF-13830B確立的術語與定義適用于本標準。表面疵病surfaceimperfections表面疵病是指光學元件表面的劃痕、麻點、破邊和斑點等瑕疵。劃痕scratch劃痕是指光學元件表面呈現(xiàn)的微細的長條形凹痕。麻點pitpitting麻點是指光學元件表面呈現(xiàn)的微小的點狀凹坑。破邊edgechips破邊是指光學元件有效孔徑外的邊緣破損。斑點stain斑點是指光學元件表面經(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，設備所在測試區(qū)域環(huán)境潔凈度達到千級；滿足待測光學元件檢測的其他環(huán)境要求。設備要求設備要求如下：設備內部樣品測試區(qū)域環(huán)境潔凈度：百級；橫向分辨率：優(yōu)于1μm；設備檢測相對重復性：優(yōu)于5%；照明光源功率穩(wěn)定性優(yōu)于3%；設備移動定位系統(tǒng)的定位精度優(yōu)于3μm。光學元件要求待檢光學元件要求如下：待檢光學元件表面潔凈，無水漬和污跡；待檢光學元件厚度：不小于10mm；待檢光學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；待檢光學元件對照明光源不產生衍射現(xiàn)象。詳細要求檢測原理光學元件表面疵病采用激光散射原理檢測，如圖1所示，準直激光經(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。對樣品表面進行二維掃描，將光電探測器輸出的信號轉換為圖像灰度，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，弱激光束被功率計接收，用于實時檢測監(jiān)測入射激光功率穩(wěn)定性。另一束強激光束經(jīng)兩個反射鏡依次反射后，通過擴束器，其光束直徑被調整，以滿足f-θ鏡的最佳入瞳直徑。擴束后的激光束通過轉鏡快速旋轉實現(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，形成散射光強度較大的疵病信號，無疵病區(qū)域為暗背景。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X-Y移動定位系統(tǒng)（圖中未顯示）上。X-Y定位系統(tǒng)帶動探測光路的按圖3所示路徑對待測樣品表面進行二維掃描。對于矩形樣品，掃描起點為樣品左上角頂點。對于圓形樣品，掃描起點為圓的外接矩形的左上角頂點。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。將對待測樣品整個表面掃描獲得的光電信號分布圖轉換為灰度圖像，對灰度圖像進行圖像處理，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）移動到表面疵病處對其進行高倍成像。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，其產生的散射光被高倍顯微鏡頭接收，在相機上成像。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——光功率調節(jié)器；3——分束器；4——功率計；5、6、10——反射鏡；7——擴束器；8——轉鏡；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行潔凈處理，達到4.3中被檢光學元件要求；將待檢樣品放入樣品夾具中，并固定在Z向位移臺上；打開設備各部分控制開關及軟件，使設備處于正常工作狀態(tài)；通過俯仰偏擺電動機構（位于樣品和Z向位移臺之間，圖中未顯示）調節(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Z向位移臺，調節(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)由檢測起點開始按圖3所示的掃描路徑對待檢樣品進行全口徑測量，探測系統(tǒng)沿X方向移動的步進量為入射激光經(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行處理，得到表面疵病的位置和劃痕等疵病的長度；調節(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，暗場成像系統(tǒng)依次移動到每一個表面疵病處，獲取表面疵病的高倍圖像；對表面疵病的高倍圖像進行圖像處理，得到劃痕等疵病的寬度和麻點等疵病的等效直徑；輸出并保存表面疵病的測量結果。數(shù)據(jù)處理光學元件表面疵病的位置坐標和尺寸計算流程圖4所示。圖4表面疵病位置坐標和尺寸計算流程檢測報告測量結束后，填寫光學元件表面疵病檢測報告，報告格式見附錄A。檢測報告應當包括下列內容：識別樣品名稱和來源、實驗室環(huán)境，以及檢測日期所需的全部資料；引用標準；結果及表達形式；測量過程中觀察到的異?，F(xiàn)象；任何本標準中未規(guī)定的操作，或任何可能影響測量結果的操作。

附錄AA.1檢測報告格式光學元件表面疵病檢測報告如表A.1所示。表A.1光學元件表面疵病檢測報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（℃）相對濕度檢測設備設備狀態(tài)檢測依據(jù)序號疵病類型疵病尺寸疵病坐標（mm）備注123綜合檢測結果疵病位置分布示意圖：檢測人：檢測日期：復核人：復核日期：前??言本標準按照GB/T1.1-2020給出的規(guī)則起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。本標準由中國科學院上海光學精密機械研究所和合肥知常光電科技有限公司提出。本標準由中關村材料試驗技術聯(lián)盟歸口。本標準起草單位：中國科學院上海光學精密機械研究所、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。本標準主要起草人：倪開灶、邵建達、吳周令、劉世杰、柴立群、張大偉、陳堅、黃明、王微微、趙建華、徐天柱、唐春香。前??言本標準按照GB/T1.1-2020給出的規(guī)則起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件