一种基于反射式点衍射干涉仪的位相缺陷检测系统与方法与流程

本发明属于光干涉测量仪器技术领域，特别是一种基于反射式点衍射干涉仪的位相缺陷检测系统与方法。

背景技术：

材料的缺陷从视觉上来说可分为两大类,，即肉眼可以看到的和肉眼不能发现的(如透明材料的折射率不均匀性和厚度不一致)。肉眼可以看到的缺陷，称为振幅型缺陷；肉眼不能发现的缺陷称为位相缺陷，位相缺陷材料在加工成光学元件时，无论怎样按图准确加工，都不能成为合格产品。

大功率光学系统装置中包含很多大口径光学元件，位相型缺陷与振幅型缺陷都是系统中常见的缺陷。其中，位相型缺陷振幅透过率均匀，会对光的相位进行调制，无法被传统光学元件探测到。位相型缺陷与振幅型缺陷在传统光学检测系统中表现出的差异很小，很难区别开来。而位相缺陷就像一个透镜一样，它的存在更有可能会造成光线会聚，在大功率激光系统中造成激光损伤。激光损伤一旦形成不仅会影响光束质量，而且所引入的光场调制可能会造成后续光学元件的损伤。同时激光损伤区域在强激光辐照下会发生损伤增长，降低了光学元件的使用寿命，甚至导致整个光学系统的瘫痪，带来巨大经济损失。因此，光学元件位相缺陷的相关技术研究至关重要。

现有的检测位相缺陷的装置都只能检测纳米量级的缺陷，而能够导致激光损伤的缺陷大小尺寸则在0.05mm到5mm之间。近些年，位相缺陷的研究已经取得了很多进展。Ravizza等人构建了一种基于线扫描相位差分成像的缺陷检测系统，这种系统通过大面积暗场成像技术可以快速扫描得到缺陷的具体位置，但缺点在于分辨率较低，无法获得缺陷的具体信息；Machael Johnson等人则发明了一种基于双光纤相移点衍射干涉仪的检测方法，可以获得较高的分辨率，得到缺陷的具体信息，但缺点在于对双光纤之间的距离很难把握，操作复杂。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种操作简单、精度高、易实现的基于反射式点衍射干涉仪的位相缺陷检测系统与方法，使测量结果能够清晰反映缺陷的大小与位置信息。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于反射式点衍射干涉仪的位相缺陷检测系统，该系统包括点光源、相位采集组件和成像组件，首先由点光源发出的球面波经相位采集组件，获取被测件的缺陷相位信息，然后经成像透镜进入主干涉仪，最后在CCD上获取高密度线性载频干涉图，其中：

所述点光源，用于产生标准球面波；

所述相位采集组件，用于将球面波变为平面波，并在提取被测件上缺陷的相位信息之后会聚；

所述成像组件，用于接收会聚光线，经主干涉仪后在CCD靶面上成像，获取高密度线性载频干涉图。

进一步地，所述相位采集组件包括顺次共光轴放置的准直物镜、被测件和成像透镜；光线经过准直物镜后得到平行光，该平行光穿过被测件后携带有被测件的相位信息，在被测件后方放置成像透镜；成像透镜与被测件相距为l，成像透镜焦距为f’。

进一步地，所述成像组件包括主干涉仪与CCD；主干涉仪为反射式点衍射干涉仪，由点衍射板产生参考波和标准波，并在CCD靶面上叠加产生干涉图；点衍射板表面狭缝与CCD靶面距离为x’。

进一步地，所述CCD靶面上成像关系为：

l′＝f′+F_#×y′ (1)

其中，l为成像透镜与被测件的距离，f’为成像透镜的焦距，x’为主干涉仪中点衍射板表面狭缝与CCD靶面距离，F_#为由点衍射板确定的常量，y′为像方视场，l′为像距。

一种基于反射式点衍射干涉仪的位相缺陷检测方法，包括以下步骤：

步骤1、调节点衍射板位置得到背景干涉图，获取空腔测量结果用于系统误差标定；

步骤2、将被测件放在准直物镜与成像透镜之间，使得被测件前表面与CCD靶面共轭，用傅里叶算法恢复此时采集到的CCD靶面处的波前，记为U；

步骤3、使用无镜成像方法对缺陷的相位与振幅数据在空域上的变化进行分析，判定相位类型；

步骤4、对符合判定要求的缺陷进行处理，使用傅里叶算法进行波面恢复。

进一步地，步骤3所述的使用无镜成像方法对缺陷的相位与振幅数据在空域上的变化进行分析，判定相位类型，具体如下：

在CCD前放置一个焦距为小孔到CCD靶面距离的虚拟透镜，经过角频谱过程模拟传播成像位置，获得缺陷的精确信息；传播后得到的波前U′(x,y)为：

U′(x,y)＝FFT^-1{FFT[U(x,y)·U_f(x,y)]H(ξ,η)} (3)

其中：

上式中，U′(x,y)为经过虚拟透镜传播距离d后的波前复振幅，U(x,y)为CCD靶面处的波前复振幅，FFT^-1为反傅里叶变换，FFT为傅里叶变换，U_f(x,y)为虚拟透镜的透射函数，H(ξ,η)为光学系统的传递函数，j为虚数单位，λ为波长，k为波数且等于2π/λ，d为虚拟透镜与像面之间的距离，ξ与η为系数，其中-M/2≤ξ≤M/2，-N/2≤η≤N/2，M*N为CCD的像素数，δ为像素尺寸，z为虚拟透镜的焦距。

进一步地，步骤3所述的判定相位类型是指：判定缺陷的相位与振幅在成像位置的变化，其中位相型缺陷的振幅会在清晰成像位置左右分别向正负两个不同方向增大，形成波峰后随无镜成像传播距离而逐渐变小；相位则在清晰成像位置的邻域内呈高斯分布。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)可实现位相缺陷大小与位置的精确测量；(2)结构简单、成本较低，测试过程简单且调整方便；(3)采用共光路设计，抗震抗干扰性能好。

附图说明

图1是本发明中点衍射板的结构示意图，其中(a)为衍射板入射面的主视图，(b)为图(a)中沿A-A’的剖视图，(c)为小孔局部放大图。

图2是本发明基于反射式点衍射干涉仪的位相缺陷检测系统的结构示意图。

图3为使用无镜成像方法求取缺陷相位与振幅数据的示意图。

具体实施方式

结合图1，为本发明中所用点衍射板，该点衍射板的基底采用折射率均匀的光学玻璃，且该光学玻璃为厚度为h的平行平板结构，其中h如下式所示：

其中，N为探测器横向像素数，λ为入射光的中心波长，F为会聚光束的F数，n为点衍射板基底的折射率，θ为点衍射板的工作角度，即会聚光束的光轴与点衍射板入射面法线的夹角。

如图1(a)、(b)所示，基底的入射面上部、下部镀有遮光膜，中间狭缝镀有增透膜,基底的反射面上部镀有高反膜、下部镀有增透膜，其中t₁的大小取决于点衍射板上小孔的短轴长，目的在于使经前表面反射的参考光与经小孔衍射的参考光能量接近，以形成对比度较好的干涉图。

如图1(c)所示，所述入射面下半部分的介质膜内设有一个椭圆孔，其长轴与短轴之比为且椭圆孔的短轴长b满足下式：

b＜1.22λF (7)

该椭圆孔的中心到入射面上半部分增透膜的距离d满足下式：

结合图1(b)，基底反射面上部的高反膜在入射面上的投影与入射面下部的介质膜部分重叠，目的在于使反射面上半部分的高反膜只将入射光反射一次，与小孔中心平齐处是一个可选择的位置。

结合图2，本发明基于反射式点衍射干涉仪的位相缺陷检测系统，该系统包括点光源、相位采集组件和成像组件，首先由点光源发出的球面波经相位采集组件，获取被测件的缺陷相位信息，然后经成像透镜进入主干涉仪，最后在CCD上获取高密度线性载频干涉图，其中：

所述点光源，用于产生标准球面波；

所述相位采集组件，用于将球面波变为平面波，并在提取被测件上缺陷的相位信息之后会聚；

所述成像组件，用于接收会聚光线，经主干涉仪后在CCD靶面上成像，获取高密度线性载频干涉图。

进一步地，所述相位采集组件包括顺次共光轴放置的准直物镜、被测件和成像透镜；光线经过准直物镜后得到平行光，该平行光穿过被测件后携带有被测件的相位信息，在被测件后方放置成像透镜；成像透镜与被测件相距为l，成像透镜焦距为f’。

进一步地，所述成像组件包括主干涉仪与CCD；主干涉仪为反射式点衍射干涉仪，由点衍射板产生参考波和标准波，并在CCD靶面上叠加产生干涉图；点衍射板表面狭缝与CCD靶面距离为x’。所述CCD靶面上成像关系为：

l′＝f′+F_#×y′

其中，l为成像透镜与被测件的距离，f’为成像透镜的焦距，x’为主干涉仪中点衍射板表面狭缝与CCD靶面距离，F_#为由点衍射板确定的常量，y′为像方视场，l′为像距。

本发明基于反射式点衍射干涉仪的位相缺陷检测方法，包括以下步骤：

步骤1、调节点衍射板位置得到背景干涉图，获取空腔测量结果用于系统误差标定；

步骤2、将被测件放在准直物镜与成像透镜之间，使得被测件前表面与CCD靶面共轭，用傅里叶算法恢复此时采集到的CCD靶面处的波前，记为U。

步骤3、使用无镜成像方法对缺陷的相位与振幅数据在空域上的变化进行分析，判定相位类型，具体如下：

在CCD前放置一个焦距为小孔到CCD靶面距离的虚拟透镜，经过角频谱过程模拟传播成像位置，获得缺陷的精确信息；传播后得到的波前U′(x,y)为：

U′(x,y)＝FFT^-1{FFT[U(x,y)·U_f(x,y)]H(ξ,η)}

其中：

上式中，U′(x,y)为经过虚拟透镜传播距离d后的波前复振幅，U(x,y)为CCD靶面处的波前复振幅，FFT^-1为反傅里叶变换，FFT为傅里叶变换，U_f(x,y)为虚拟透镜的透射函数，H(ξ,η)为光学系统的传递函数，j为虚数单位，λ为波长，k为波数且等于2π/λ，d为虚拟透镜与像面之间的距离，ξ与η为系数，其中-M/2≤ξ≤M/2，-N/2≤η≤N/2，M*N为CCD的像素数，δ为像素尺寸，z为虚拟透镜的焦距。

进一步地，所述的判定相位类型是指：判定基于缺陷的相位与振幅在成像位置的变化，其中位相型缺陷的振幅会在清晰成像位置左右分别向正负两个不同方向增大，形成波峰后随无镜成像传播距离而逐渐变小；相位则在清晰成像位置的邻域内呈高斯分布。如图3所示，被测物位于U₀时，成像于U₀′处。被测物移动到U₁或U₂时，像面则传播到U₁′或U₂′。随后对缺陷的相位与振幅数据在空域上的变化进行分析，判定相位类型，位相型缺陷的振幅会在清晰成像位置左右分别向正负两个不同方向增大，形成波峰后随无镜成像传播距离而逐渐变小，相位则在清晰成像位置的邻域内呈高斯分布。

步骤4、对符合判定要求的缺陷进行处理，使用傅里叶算法进行波面恢复。

实施例1

本发明基于反射式点衍射干涉仪的位相缺陷检测系统，光路结构如图2所示，包括点光源、相位采集组件和成像组件，首先由点光源发出的球面波经相位采集组件，获得被测件的缺陷相位信息，然后经成像透镜进入主干涉仪，最后在CCD上获取高密度线性载频干涉图，其中：

所述点光源用于产生标准球面波；

所述相位采集组件用于将球面波变为平面波，并在提取被测件上缺陷的相位信息之后会聚；

所述成像组件用于接收会聚光线，经主干涉仪后产生干涉并在CCD靶面上成像，获取高密度线性载频干涉图。

进一步地，所述相位采集组件包括顺次共光轴放置的准直物镜、被测件与成像透镜。光线经过准直透镜后得到平行光，平行光穿过待测物体后携带有待测物的相位信息，在待测物后方放置成像透镜。结合图2，准直透镜焦距为F，y′为像方视场，x’为主干涉仪中点衍射板表面狭缝与CCD靶面距离，成像透镜与进一步待测物相距为l，成像透镜焦距为f’。

进一步地，所述成像组件包括主干涉仪与CCD。主干涉仪为反射式点衍射干涉仪，由点衍射板产生参考波与标准波，并在CCD靶面上叠加产生干涉图。点衍射板表面狭缝与CCD靶面距离为x’。以上步骤满足成像关系：

l′＝f′+F_#×y′

其中F_#为由点衍射板确定的常量。

所述的反射式点衍射干涉仪的位相缺陷测量方法的步骤为：

1)调节点衍射板位置，获取对比度较好的背景干涉图，获取空腔测量结果用于系统误差标定；

2)将被测件放在准直物镜与成像透镜中间，使得其前表面与CCD靶面共轭，用傅里叶算法恢复此时采集到的CCD靶面处的波前，记为U；

3)使用无镜成像方法求取缺陷的相位与振幅数据。如图3所示，被测物位于U₀时，成像于U₀′处。被测物移动到U₁或U₂时，像面则传播到U₁′或U₂′。随后对缺陷的相位与振幅数据在空域上的变化进行分析，判定相位类型，位相型缺陷的振幅会在清晰成像位置左右分别向正负两个不同方向增大，形成波峰后随无镜成像传播距离而逐渐变小，相位则在清晰成像位置的邻域内呈高斯分布；

4)对符合判定要求的缺陷进行深入处理，使用傅里叶算法进行波面恢复。

综上，本发明可以实现缺陷的高精度快速扫描检测和缺陷类型的判断。