專利名稱：大口徑光學(xué)元件損傷在線檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光學(xué)元件檢測，特別是一種大口徑光學(xué)元件損傷在線檢測裝置，主要用于大型激光或光學(xué)裝置中大口徑光學(xué)元件損傷的在線檢測。
背景技術(shù)：
在先技術(shù)中，對(duì)大口徑光學(xué)元件損傷進(jìn)行在線檢測的方法，一般采用探照燈從一端照明被檢光學(xué)系統(tǒng)，然后在另一端用肉眼觀測，結(jié)構(gòu)如圖1所示。探照燈1發(fā)出的光線經(jīng)過被檢光學(xué)系統(tǒng)2到達(dá)人眼3，如果被檢光學(xué)系統(tǒng)2中的光學(xué)元件沒有損傷，則觀測者看到的是一均勻亮視場。如果被檢光學(xué)系統(tǒng)2中的光學(xué)元件有損傷，則會(huì)看到均勻亮視場中存在由損傷造成的暗點(diǎn)或亮點(diǎn)。
上述在先技術(shù)的缺點(diǎn)是1、操作困難，檢測效率低。人在光路中活動(dòng)不方便，而且至少需要兩個(gè)人同時(shí)操作。檢測時(shí)間長，長時(shí)間對(duì)著探照燈觀測眼睛易疲勞。
2、具有很大的不確定性。所能觀測到的最小損傷點(diǎn)的尺寸和觀測者的視力和經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，存在著一定的主觀性，且不能確定受損傷的光學(xué)元件在被檢光學(xué)系統(tǒng)的準(zhǔn)確位置。
3、功能單一。圖像不能存儲(chǔ)，無法進(jìn)行圖像分析，不能確定損傷點(diǎn)尺寸的具體數(shù)值。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服上述在先技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種新的采用暗場成像技術(shù)的大口徑光學(xué)元件損傷在線檢測裝置，以提高檢測效率、準(zhǔn)確性和后繼的圖像處理能力。
所謂暗場成像技術(shù)，就是用主動(dòng)式光源照明被檢光學(xué)系統(tǒng)中的光學(xué)元件，如光學(xué)元件存在損傷，則損傷點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生散射光，利用成像光學(xué)系統(tǒng)接收損傷點(diǎn)產(chǎn)生的后向散射光，則可在暗背景下觀察到明亮的損傷圖像。如被檢測光學(xué)元件無損傷，則視場總是暗場。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下一種大口徑光學(xué)元件損傷在線檢測裝置，其特點(diǎn)是包含有激光照明光路、損傷信號(hào)接收光路、掃描系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)，1、所述的激光照明光路包括激光光源、照明平行光管和分光鏡。
2、所述的損傷信號(hào)接收光路包括分光鏡、接收平行光管，在接收平行光管之后同時(shí)可接觀察目鏡和CCD攝像機(jī)。觀察目鏡供操作者目視觀察光學(xué)元件的損傷情況。CCD攝像機(jī)輸出的損傷圖像被存入計(jì)算機(jī)，供分析與處理。
3、所述的激光照明光路的光軸與損傷信號(hào)接收光路的光軸相互垂直，且均與分光鏡的表面成45°，通過分光鏡使激光照明光路和損傷信號(hào)接收光路共光軸。
4、所述的接收平行光管采用內(nèi)調(diào)焦形式，可以對(duì)被檢光學(xué)系統(tǒng)中不同距離處的被檢光學(xué)元件逐個(gè)調(diào)焦成像。接收平行光管具有中間像面，在中間像面處放置有中心攔光光闌，可以消除由被檢光學(xué)元件表面直接反射回來的雜光。
5、所說的掃描系統(tǒng)由第一掃描反射鏡和第二掃描反射鏡組成，可以對(duì)被檢光學(xué)元件在垂直于光軸的平面內(nèi)進(jìn)行二維掃描，以實(shí)現(xiàn)對(duì)大尺寸被檢光學(xué)元件整個(gè)面積的檢測。
6、所說的圖像處理系統(tǒng)由和CCD攝像機(jī)相連接的計(jì)算機(jī)和處理軟件組成，主要用于接收CCD攝像機(jī)輸出的損傷圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行分析與處理。
本實(shí)用新型與在先技術(shù)相比具有下列技術(shù)效果1、操作簡單，檢測效率高。采用該裝置進(jìn)行檢測，人不必進(jìn)入光路中，減少了人為因素對(duì)被檢光學(xué)系統(tǒng)的影響。采用一體化的整體結(jié)構(gòu)，調(diào)整簡單。
2、檢測的可靠性高。接收平行光管采用內(nèi)調(diào)焦的形式，在保證較高分辨率的情況下，可以對(duì)被檢光學(xué)元件逐個(gè)調(diào)焦成像，根據(jù)調(diào)焦量可以判斷出被檢光學(xué)系統(tǒng)中各個(gè)被檢光學(xué)元件的位置。
3、功能多。既可用目鏡進(jìn)行目視觀測，也可用CCD攝像機(jī)采集圖像。計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行分析之后，可以準(zhǔn)確地得出損傷點(diǎn)的尺寸和位置。


圖1是在先技術(shù)采用探照燈照明的大口徑光學(xué)元件損傷在線檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實(shí)用新型大口徑光學(xué)元件損傷在線檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖2，圖2是本實(shí)用新型大口徑光學(xué)元件損傷在線檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可以看出，本實(shí)用新型大口徑光學(xué)元件損傷在線檢測裝置包括激光照明光路、損傷信號(hào)接收光路、掃描系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)，分別用于照明被檢光學(xué)系統(tǒng)2、接收來自被檢光學(xué)系統(tǒng)2中光學(xué)元件損傷產(chǎn)生的散射光、對(duì)被檢光學(xué)系統(tǒng)2進(jìn)行掃描檢測以及對(duì)CCD攝像機(jī)所接收到的圖像進(jìn)行分析與處理。
在激光照明光路上，沿著激光光源4發(fā)出的光束前進(jìn)方向上，依次設(shè)置有照明平行光管5、分光鏡6，然后進(jìn)入掃描系統(tǒng)。在損傷信號(hào)接收光路上依此設(shè)置有分光鏡6、接收平行光管9，在接收平行光管9之后同時(shí)接觀察目鏡10和CCD攝像機(jī)11。激光照明光路的光軸與損傷信號(hào)接收光路的光軸相互垂直，且均與分光鏡6的表面成45°，通過分光鏡6將激光照明光路和損傷信號(hào)接收光路的光軸合二為一。掃描系統(tǒng)由第一掃描反射鏡7、第二掃描反射鏡8組成，它將照明激光導(dǎo)入被檢光學(xué)系統(tǒng)2。典型的被檢光學(xué)系統(tǒng)2包括前窗口玻璃201、多個(gè)大口徑光學(xué)元件202和后窗口玻璃203。來自激光照明光路的照明激光束透過分光鏡6后，通過掃描系統(tǒng)而進(jìn)入被檢光學(xué)系統(tǒng)2；由被檢光學(xué)系統(tǒng)2中的光學(xué)元件損傷產(chǎn)生的后向散射光經(jīng)掃描系統(tǒng)并由分光鏡6反射而進(jìn)入損傷信號(hào)接收光路。
所說的接收平行光管9采用內(nèi)調(diào)焦形式，而不是外調(diào)焦形式。接收平行光管9由固定鏡組901、調(diào)焦鏡組902、中心攔光光闌903和轉(zhuǎn)像鏡組904組成。通過移動(dòng)調(diào)焦鏡組902改變接收平行光管9的總焦距，使不同距離的目標(biāo)始終成像于中心攔光光闌903處，再經(jīng)過轉(zhuǎn)像鏡組904使目標(biāo)成像在觀察目鏡10的焦平面以及CCD攝像機(jī)11的靶面上。接收平行光管9內(nèi)的中心攔光光闌903用于消除由被檢光學(xué)元件表面直接反射回來的雜光，以提高損傷圖像的對(duì)比度。與外調(diào)焦系統(tǒng)相比，內(nèi)調(diào)焦系統(tǒng)具有密封性好、筒長恒定、結(jié)構(gòu)緊湊、像質(zhì)保持良好的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于來自前窗口玻璃201、大口徑光學(xué)元件202和后窗口玻璃203上的損傷產(chǎn)生的散射光，可以通過移動(dòng)調(diào)焦鏡組902，使不同距離處的被檢光學(xué)元件清晰成像，并且根據(jù)調(diào)焦量的大小，可以計(jì)算出損傷點(diǎn)的具體位置。
掃描系統(tǒng)由第一掃描反射鏡7和第二掃描反射鏡8組成，第二掃描反射鏡8沿y軸上下移動(dòng)以及第一掃描反射鏡7和第二掃描反射鏡8同時(shí)沿x軸前后移動(dòng)，可以對(duì)被檢光學(xué)系統(tǒng)2中大尺寸光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)二維掃描檢測。圖像處理系統(tǒng)由和CCD攝像機(jī)相連接的計(jì)算機(jī)12和其中的處理軟件組成，主要用于接收CCD攝像機(jī)11輸出的圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行分析與處理，從而給出損傷點(diǎn)的尺寸及受損光學(xué)元件在被檢光學(xué)系統(tǒng)2中位置。
與在先技術(shù)相比較，本實(shí)用新型的特點(diǎn)在于照明光源采用半導(dǎo)體激光器4；利用第一掃描反射鏡7和第二掃描反射鏡8的平移，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大尺寸光學(xué)元件的掃描檢測；接收平行光管9采用內(nèi)調(diào)焦形式，可對(duì)不同距離的被檢光學(xué)元件清晰成像，并可根據(jù)調(diào)焦量的大小確定被檢光學(xué)元件的位置；在接收平行光管9內(nèi)設(shè)置有中心攔光光闌903；接收平行光管9有觀測目鏡10和CCD攝像機(jī)11兩套接收系統(tǒng)，既可供操作者目視觀察，又可由計(jì)算機(jī)12對(duì)CCD攝像機(jī)11所輸出的圖像進(jìn)行處理。
與其他光源相比，所說的光源采用半導(dǎo)體激光器4具有體積小、功率高、壽命長、方向性好以及單色性好的特點(diǎn)。半導(dǎo)體激光器4的波長應(yīng)該和被檢光學(xué)系統(tǒng)2的工作波長相同或相近，以提高照明激光束的傳輸效率。
接收平行光管9中的中心攔光光闌903的作用是消除反射雜光，提高損傷圖像對(duì)比度。在對(duì)被檢光學(xué)系統(tǒng)2進(jìn)行檢測的時(shí)候，由于前窗口玻璃201和后窗口玻璃203垂直于照明激光放置，所以由它們前后表面直接反射回來的雜光很強(qiáng)，有可能將較弱的散射光湮沒。在接收平行光管9的焦平面上放置中心攔光光闌903后，就可將信號(hào)中的低頻成分?jǐn)r掉，只讓高頻部分通過。被攔掉的低頻成分主要是前窗口玻璃201和后窗口玻璃203直接反射回來的雜光，而通過的高頻成分則主要包含了損傷的信息。這樣可以提高系統(tǒng)的分辨能力。
接收平行光管9是內(nèi)調(diào)焦結(jié)構(gòu)，通過調(diào)焦量可以計(jì)算出被檢光學(xué)元件在被檢光學(xué)系統(tǒng)2中的位置，便于操作者及時(shí)找到受損的光學(xué)元件并予以更換。
所說的掃描系統(tǒng)由第一掃描反射鏡7和第二掃描反射鏡8組成。第一掃描反射鏡7的表面與被檢光學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)2的光軸(z軸)平行，且與x軸和y軸均成45°角，第二掃描反射鏡8的表面與x軸平行，且與y軸和z軸均成45°角。第一掃描反射鏡7和第二掃描反射鏡8同時(shí)沿x軸移動(dòng)，以及第二掃描反射鏡8沿y軸移動(dòng)，可以對(duì)被檢光學(xué)系統(tǒng)2進(jìn)行二維掃描，以實(shí)現(xiàn)對(duì)大尺寸被檢光學(xué)元件的全口徑檢測。利用掃描系統(tǒng)，可以用較小口徑的照明平行光管和較小視場的接收平行光管對(duì)較大口徑的光學(xué)元件進(jìn)行檢測，節(jié)省了制造成本，提高了檢測效率。
本實(shí)用新型中有觀測目鏡10和CCD攝像機(jī)11兩套接收系統(tǒng)，既可供操作者直接目視觀測，又可由計(jì)算機(jī)12對(duì)CCD攝像機(jī)11輸出的圖像進(jìn)行處理。通過圖像分析可以得出存在損傷的被檢光學(xué)元件在被檢光學(xué)系統(tǒng)2中的位置及損傷點(diǎn)的形狀和大小，以便決定是否將有損傷的被檢光學(xué)元件更換掉。
本實(shí)用新型大口徑光學(xué)元件損傷在線檢測裝置的工作過程分為兩步第一、調(diào)焦檢測由半導(dǎo)體激光器4發(fā)出的激光束經(jīng)照明平行光管5準(zhǔn)直擴(kuò)束后透過分光鏡6，再由第一掃描反射鏡7和第二掃描反射鏡8導(dǎo)入被檢光學(xué)系統(tǒng)2，依次穿過前窗口玻璃201、大口徑光學(xué)元件202和后窗口玻璃203。移動(dòng)調(diào)焦鏡組902，依次對(duì)被檢光學(xué)系統(tǒng)2中的各個(gè)光學(xué)元件清晰成像。如果被檢光學(xué)系統(tǒng)2中的光學(xué)元件表面或內(nèi)部有損傷，則損傷點(diǎn)的后向散射光經(jīng)第二掃描反射鏡8、第一掃描反射鏡7和分光鏡6反射后進(jìn)入接收平行光管9，經(jīng)中心攔光光闌903濾除低頻反射雜光后，再通過轉(zhuǎn)像鏡組904將損傷點(diǎn)成像在觀測目鏡10的焦平面和CCD攝像機(jī)11的靶面上，圖像供操作者觀察并輸入計(jì)算機(jī)12。計(jì)算機(jī)12通過軟件對(duì)圖像進(jìn)行分析和處理后，給出存在損傷的光學(xué)元件在被檢光學(xué)系統(tǒng)2中的位置和損傷點(diǎn)的尺寸。第二、掃描檢測將第二掃描反射鏡8沿y軸移動(dòng)，對(duì)被檢光學(xué)系統(tǒng)2在y軸方向進(jìn)行掃描檢測，然后將第一掃描反射鏡7和第二掃描反射鏡8同時(shí)沿x軸移動(dòng)，對(duì)被檢光學(xué)系統(tǒng)2在x軸方向進(jìn)行掃描檢測。掃描可以采用步進(jìn)的方式進(jìn)行，每掃描一步，重復(fù)第一步的內(nèi)容。如此反復(fù)，直到將整個(gè)被檢光學(xué)系統(tǒng)2全部檢測完畢。
圖2是本實(shí)用新型的最佳實(shí)施例，其具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)敘述如下半導(dǎo)體激光器4的中心波長為1064nm，功率可調(diào)，最大輸出功率為200mW。照明平行光管5的口徑為Φ65mm。分光鏡6的透射面對(duì)1064nm波長鍍?cè)鐾改?，半反半透面?duì)1064nm波長鍍半反半透膜。第一掃描反射鏡7和第二掃描反射鏡8的工作面鍍1064nm介質(zhì)全反膜，反射率≥98％，掃描系統(tǒng)的掃描范圍為400mm×400mm。接收平行光管9的通光口徑為Φ142mm，焦距為1072mm，視場角為0.4°，理論分辨率為1″，調(diào)焦范圍1.5m→∞，轉(zhuǎn)像鏡組904的放大倍率為-1×。觀察目鏡10的放大倍率為15×。CCD攝像機(jī)11為1/3″黑白CCD攝像機(jī)，像素尺寸為6.51μm×6.36μm。
采用本實(shí)用新型的大口徑光學(xué)元件損傷在線檢測裝置對(duì)通光口徑為400mm×400mm、總長度為5m的光學(xué)系統(tǒng)組件進(jìn)行檢測，檢測到了窗口玻璃表面的膜層損傷、平面光學(xué)元件內(nèi)部的自聚焦絲和表面裂紋。接收平行光管9對(duì)被檢光學(xué)元件的定位精度為±0.5mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被檢光學(xué)元件的厚度和被檢光學(xué)元件之間的間隔。
權(quán)利要求1.一種大口徑光學(xué)元件損傷在線檢測裝置，包括照明光路、損傷信號(hào)接收光路、掃描系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)，其特征在于所述的照明光路是激光照明光路，包括激光光源(4)，沿激光光源(4)發(fā)出的光束前進(jìn)方向上，依次設(shè)置有照明平行光管(5)、分光鏡(6)，然后進(jìn)入掃描系統(tǒng)所述的損傷信號(hào)接收光路上依此設(shè)置有分光鏡(6)、接收平行光管(9)，在接收平行光管(9)之后同時(shí)接設(shè)有觀察目鏡(10)和CCD攝像機(jī)(11)；所述的激光照明光路的光軸與損傷信號(hào)接收光路的光軸相互垂直，且均與分光鏡(6)的表面成45°，通過分光鏡(6)后激光照明光路和損傷信號(hào)接收光路共光軸；掃描系統(tǒng)由第一掃描反射鏡(7)和第二掃描反射鏡(8)組成；所述的CCD攝像機(jī)(11)和計(jì)算機(jī)(12)組成圖像處理系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑光學(xué)元件損傷在線檢測裝置，其特征在于所說的接收平行光管(9)采用內(nèi)調(diào)焦形式，該接收平行光管(9)依次由固定鏡組(901)、調(diào)焦鏡組(902)、中心攔光光闌(903)和轉(zhuǎn)像鏡組(904)組成，該中心攔光光闌(903)位于接收平行光管(9)的中間像面處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑光學(xué)元件損傷在線檢測裝置，其特征在于所說的光源采用半導(dǎo)體激光器(4)，該半導(dǎo)體激光器的波長應(yīng)該和被檢光學(xué)系統(tǒng)(2)的工作波長相同或相近。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑光學(xué)元件損傷在線檢測裝置，其特征在于所說的掃描系統(tǒng)的第一掃描反射鏡(7)的表面與被檢光學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)2的光軸(z軸)平行，且與x軸和y軸均成45°角，第二掃描反射鏡(8)的表面與x軸平行，且與y軸和z軸均成45°角。
專利摘要一種大口徑光學(xué)元件損傷在線檢測裝置，包括照明光路、損傷信號(hào)接收光路、掃描系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)，其特點(diǎn)是采用激光照明光路，由激光光源、照明平行光管和分光鏡構(gòu)成；所述的損傷信號(hào)接收光路上依此設(shè)置有分光鏡、接收平行光管，在接收平行光管之后同時(shí)接設(shè)有觀察目鏡和CCD攝像機(jī)；激光照明光路的光軸與損傷信號(hào)接收光路的光軸相互垂直，且均與分光鏡的表面成45°，通過分光鏡后激光照明光路和損傷信號(hào)接收光路共光軸；掃描系統(tǒng)由第一掃描反射鏡和第二掃描反射鏡組成；所述的CCD攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)組成圖像處理系統(tǒng)。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、檢測效率高、檢測可靠性高，既可目視觀測，又可用CCD攝像機(jī)采集圖像，可以準(zhǔn)確地得出損傷點(diǎn)的尺寸和位置。
文檔編號(hào)G01N21/88GK2639880SQ0323228
公開日2004年9月8日 申請(qǐng)日期2003年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月18日
發(fā)明者任冰強(qiáng), 黃惠杰, 張維新, 趙永凱, 劉丹, 韓廣禮, 杜龍龍, 王樹森, 路敦武 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所