一种多通道的光学元件表面颗粒散射测量系统及方法
【专利摘要】本发明公开一种多通道的光学元件表面颗粒散射测量系统，包括置放待测元件的光学平台、光电检测模块、驱动模块、激光器阵列、计算机，所述激光器阵列包括若干路激光器，所述激光器阵列倾斜聚焦照射到放置在光学平台的光学元件的表面上，所述光电检测模块与计算机连接，所述计算机与驱动模块连接，所述驱动模块与激光器阵列连接，所述光电检测模块接收光学元件产生的散射光信号并将之转化为电信号后输入计算机，计算机接收光电检测模块发送的电信号，控制驱动模块带动激光器阵列移动，进行扫描检测，最终在计算机生成一张由检测的散射光信号得到的散射强度分布图，以实现对光学元件表面颗粒的定位，光学元件表面的污染程度分级。
【专利说明】
一种多通道的光学元件表面颗粒散射测量系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及光学元件表面颗粒测量领域，具体涉及一种多通道的光学元件表面颗粒散射测量系统及方法。
【背景技术】
[0002]光学元件广泛用于各种精密仪器，亚微米级甚至纳米级的颗粒均会对整个光学系统造成严重影响，造成光学表面存在缺陷，对于光学表面颗粒检测，目前较为有效的是激光散斑法，该方法具体如下:激光器发出的激光通过透镜转化成平行光，照射在光学元件表面上，产生的散射光信号通过电荷藕合器件图像传感器传人计算机，再进行图像处理的方法得到激光散斑图，由激光散斑图得到光学元件表面颗粒检测结果，其缺点是只能对某已固定区域进行快速检测，对于较大范围的区域无法快速有效的检测，而由于工作距离较远以及光学系统对焦距较为苛刻，其颗粒测量的分辨率较低，只有5μπι。
[0003]另外一种较常采用的方法是:采用复杂的光学系统拍摄光学表面的形貌图，通过图像处理的方法进一步得到光学表面的粗糙度等信息，复杂的光学系统导致整个系统较为庞大，对光学表面缺陷的分辨率为Ιμπι，且其检测的光学元件的口径较小。
[0004]综上，现有的光学表面颗粒检测方法存在无法快速有效检测较大范围的区域、颗粒测量分辨率低、系统庞大、检测的光学元件口径较小等问题。为了解决这些问题，申请号为200710045800.5，名称为光学平面表面疵病的激光散射检测系统公开一种光学平面表面疵病的激光散射检测系统，包括置放待测光学元件的X-Y精密步进平台，采用两束激光分别从垂直与倾斜两个方向聚焦照射待测光学元件的平面表面，产生的散射光通过多个光电检测模块在不同方位角收集，转化为电信号后输入计算机，计算机通过步进电机驱动所述的X-Y精密步进平台带动待测光学元件，进行扫描测量，将测量的散射光信号与计算机数据库中已知的光学平面表面标准疵病的散射光信号进行比对，以实现光学平面表面疵病的定位、分类与分级。该技术方案在一定程度上解决了无法快速有效检测较大范围的区域、颗粒测量分辨率低、检测的光学元件口径较小等问题，但仍存在检测效率低、分辨率低等问题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是解决现有技术的缺陷，提供一种多通道的光学元件表面颗粒散射测量系统，采用的技术方案如下:
一种多通道的光学元件表面颗粒散射测量系统，包括置放待测元件的光学平台、光电检测模块、驱动模块、激光器阵列、计算机，所述激光器阵列包括若干路激光器，所述激光器阵列倾斜聚焦照射到放置在光学平台的光学元件的表面上，所述光电检测模块与计算机连接，所述计算机与驱动模块连接，所述驱动模块与激光器阵列连接，所述光电检测模块接收光学元件产生的散射光信号并将之转化为电信号后输入计算机，计算机接收光电检测模块发送的电信号，控制驱动模块带动激光器阵列移动，进行扫描检测，最终在计算机生成一张由检测的散射光信号得到的散射强度分布图，以实现对光学元件表面颗粒的定位，光学元件表面的污染程度分级。
[0006]作为优选，所述激光器阵列包括10路激光器，所述激光器使用650nm的半导体激光器，相邻激光器间距为10mm。
[0007]作为优选，所述激光器阵列两端设置有调节旋钮，所述调节旋钮用于调节激光器阵列的倾斜角度。
[0008]作为优选，所述驱动模块包括第一电机驱动模块、第二电机驱动模块、控制激光器阵列在X轴上进行左右移动的第一伺服电机、控制激光器阵列在Y轴上进行上下移动的第二伺服电机、控制激光器阵列在Z轴上进行前后移动的第三伺服电机，第一伺服电机、第二伺服电机和第三伺服电机通过丝杆与激光器阵列连接，在X轴两端、Y轴两端以及Z轴两端都装有限位开关，当限位开关被激活时，其所在轴的伺服电机将停止转动，实现制动功能，使得对应的激光器阵列在即将与仪器内壁相碰时紧急停止。
[0009]作为优选，本发明还包括准直透镜和聚焦透镜，所述准直透镜和聚焦透镜与激光器光束同轴，沿激光器发出的光束的方向依次设置在激光器前方。
[0010]作为优选，本发明还包括激光调制电路，所述激光调制电路与激光器连接，用于调节激光器的功率。
[0011]作为优选，本发明还包括锁相放大器和多路模电转换电路，所述光电检测模块通过锁相放大器和多路模电转换电路与计算机连接。
[0012]光电检测模块将接收到的多路散射光信号转化为多路电信号，经过锁相放大器将微弱的散射光信号提取出来，以提高仪器分辨率，再经过多路模电转换电路输入到计算机中。
[0013]作为优选，所述光电检测模块与光学平台间依次设置有镜头、滤光片和光阑。
[0014]光电检测模块前放置光阑过滤背景返回的杂散信号光，加装光学窄带滤光片过滤非信号波长的干扰光，接收镜头使用小视场镜头，以减少非监测区域对探测器的影响。
[0015]作为优选，本发明还包括导轨，所述光电检测模块在导轨上运行，伺服电机I力矩为0.2kNm，丝杠振幅小于0.1_，精度为Iym?50μηι。
[0016]增加导轨供光电检测模块在其之上运行，防止运行过程中产生的振动对整个系统造成影响，使得整套系统运行更加稳定，定位更加精确。
[0017]采用本发明的多通道的光学元件表面颗粒散射测量系统进行光学元件表面颗粒散射测量的方法如下:
控制驱动激光器的电流以调节发出激光的光功率；
转动激光器阵列两端的调节旋钮来调节激光器阵列倾斜的角度，使得激光器发出的激光照射在待测光学元件上的亮斑对准光电检测模块；
调节激光器阵列的倾角，使激光器阵列所在的平面与水平面的夹角范围在45?60的范围，通过计算机控制第三伺服电机转动来调节激光器阵列与待测光学元件表面之间的距离，使它们之间的距离在35mm?42mm范围内，使得激光器发出的光束在待测光学元件表面上呈直径为ΙΟΟμπι的焦斑，这样针对不同粒径分布的散射角，都可以有效检测，如此可确保光电检测模块接收到大部分散射光信号提高仪器对接收到的散射光信号的响应灵敏度，提高了该系统的分辨率；
依次点亮10路激光器，采集散射光信号，采集完一个位置的散射光信号后，控制驱动激光器阵列移动至下一个位置，再次采集散射光信号，如此往复，直至检测完整个待测光学元件的表面，在移动的过程中，采用“弓”字形路线扫描，即由计算机发出指令控制伺服电机驱动激光器阵列水平向右移动，当检测完待测光学元件表面的一整行后，再竖直向下移动一步，再以一定步长水平向左移动，如此往复直至检测完整个待测光学元件表面。由于是阵列式扫描，减少了在水平方向上移动的步数，大大减少了扫描行程，提高了检测效率。同时，光学表面垂直于水平方向，有效地减少了环境中的污染物对检测造成的影响。
[0018]与现有技术相比，本发明的有益效果:
1、本发明分辨率高，可检测到光学元件表面上直径为0.4μπι的颗粒。
[0019]2、本发明能检测最小5mmx5mm 口径的光学元件，最大能检测400mmx400mm 口径的光学元件。
[0020]3、本发明采用阵列式激光散射测量法，大大缩短扫描行程，检测快速有效，对不同尺寸的光学元件表面颗粒的测量均能在I小时之内完成。
[0021]4、本发明采集的散射光信号经光电转换后，再经过锁相放大器，有效滤掉了干扰信号，消除了非调制光的影响。
[0022]5、本发明采用可调制激光器，可对不同材质的光学元件，不同粒径的颗粒都能有效检测，对粒径的响应范围可达0.4μπι~1 OOym。
[0023]6、本发明检测最终得到的结果为散射强度分布图，直观清晰。
【附图说明】
[0024I图1是本发明的系统结构示意图原理示意图；
图2是本发明激光发射及散射光接收示意图；
图3是本发明激光发射及散射光接收原理示意图；
图4是本发明锁相放大电路结构示意图；
图5是本发明系统框架结构图；
图6是本发明多通道扫描检测小尺寸光学元件的扫描示意图；
图7是本发明多通道扫描检测大尺寸光学元件的扫描示意图；
图8是本发明最终得到的散射强度分布图即测量结果；
图9是在测试时拍摄的显微镜图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
[0026]实施例:
如图1至5所示，一种多通道的光学元件表面颗粒散射测量系统，包括置放待测元件的光学平台11、光电检测模块2、驱动模块、激光器阵列5、计算机8，所述激光器阵列5包括若干路激光器，所述激光器阵列5倾斜聚焦照射到放置在光学平台11的光学元件6的表面上，光电检测模块2与计算机8连接，计算机8与驱动模块连接，所述驱动模块与激光器阵列5连接，光电检测模块2接收光学元件6产生的散射光信号并将之转化为电信号后输入计算机8，计算机8接收光电检测模块2发送的电信号，控制驱动模块带动激光器阵列5移动，进行扫描检测，最终在计算机8生成一张由检测的散射光信号得到的散射强度分布图，以实现对光学元件6表面颗粒的定位，光学元件6表面的污染程度分级。
[0027]所述激光器阵列5包括10路激光器，所述激光器使用650nm的半导体激光器，相邻激光器间距为10mm。
[0028]所述激光器阵列两端设置有调节旋钮，所述调节旋钮用于调节激光器阵列的倾斜角度。
[0029]所述驱动模块包括第一电机驱动模块1、第二电机驱动模块12、控制激光器阵列在X轴上进行左右移动的第一伺服电机41、控制激光器阵列在Y轴上进行上下移动的第二伺服电机42、控制激光器阵列在Z轴上进行前后移动的第三伺服电机43，第一伺服电机41、第二伺服电机42和第三伺服电机43通过丝杆10与激光器阵列5连接，在X轴两端、Y轴两端以及Z轴两端都装有限位开关3，当限位开关3被激活时，其所在轴的伺服电机将停止转动，实现制动功能，使得对应的激光器阵列在即将与仪器内壁相碰时紧急停止。
[0030]本实施例还包括准直透镜53和聚焦透镜54，准直透镜53和聚焦透镜54与激光器52同轴，沿激光器52发出的光束的方向依次设置在激光器52前方。
[0031]本实施例还包括激光调制电路51，激光调制电路51与激光器52连接，用于调节激光器52的功率。
[0032]光电检测模块2通过锁相放大器7和多路模电转换电路与计算机8连接。
[0033]锁相放大器的结构如图4所示，用于处理由光电检测模块2转化来的电信号，当输入信号与参考信号的频率及相位完全一致时，乘法器才输出直流偏量，其他信号通过乘法器时，输出的是交流信号。当信号中具有有用信号和其他信号时，在乘法器输出端链接低通滤波器后，只有有用信号的直流偏量才能通过低通滤器，从而把其他信号滤除，消除了非调制光的影响。
[0034]光电检测模块2将接收到的多路散射光信号转化为多路电信号，经过锁相放大器7将微弱的散射光信号提取出来，以提高仪器分辨率，再经过多路模电转换电路输入到计算机8中。
[0035]光电检测模块2与光学平台间依次设置有镜头24、滤光片22和光阑23。
[0036]光电检测模块2前放置光阑23过滤背景返回的杂散信号光，加装光学窄带滤光片22过滤非信号波长的干扰光，镜头24使用小视场镜头，以减少非监测区域对探测器的影响。
[0037]本发明还包括导轨9，光电检测模块2在导轨9上运行，伺服电机I力矩为0.2kNm，丝杠10振幅小于0.1_，精度为Ιμπι?50μηι。
[0038]增加导轨9供光电检测模块2在其之上运行，防止运行过程中产生的振动对整个系统造成影响，使得整套系统运行更加稳定，定位更加精确。
[0039]采用本实施例的多通道的光学元件表面颗粒散射测量系统进行光学元件表面颗粒散射测量的方法如下:
控制激光器52的电流以调节发出激光的光功率；
转动激光器阵列5两端的调节旋钮来调节激光器阵列5倾斜的角度，使得激光器52发出的激光照射在待测光学元件6上的亮斑对准光电检测模块2;
调节激光器阵列5的倾角，使激光器52阵列所在的平面与水平面的夹角范围在45?60°的范围，通过计算机8控制第三伺服电机43转动来调节激光器阵列5与待测光学元件6表面之间的距离，使它们之间的距离在35mm?42mm范围内，使得激光器52发出的光束在待测光学元件6表面上呈直径为ΙΟΟμπι的焦斑，这样针对不同粒径分布的散射角，都可以有效检测，如此可确保光电检测模块2接收到大部分散射光信号提高仪器对接收到的散射光信号的响应灵敏度，提高了系统的分辨率；
依次点亮10路激光器，采集散射光信号，采集完一个位置的散射光信号后，控制驱动激光器阵列5移动至下一个位置，再次采集散射光信号，如此往复，直至检测完整个待测光学元件6的表面，在移动的过程中，采用“弓”字形路线扫描，如图6和图7所示，即由计算机8发出指令控制伺服电机驱动激光器阵列5水平向右移动，当检测完待测光学元件表面的一整行后，再竖直向下移动一步，再以一定步长水平向左移动，如此往复直至检测完整个待测光学元件表面。由于是阵列式扫描，减少了在水平方向上移动的步数，大大减少了扫描行程，提高了检测效率。同时，光学表面垂直于水平方向，有效地减少了环境中的污染物对检测造成的影响。
[0040]实际测试中，得到如图8所示的散射强度分布图，用显微镜拍摄在该光学元件表面上采集到较强散射光信号的位置，可得到如图9所示的光学表面显微镜拍摄图，由图可知，本发明可以检测光学元件表面上的颗粒，且可分辨0.4μπι的颗粒，由于使用到了多通道检测手段，大大缩短了检测扫描行程，大大提高了效率。
【主权项】
1.一种多通道的光学元件表面颗粒散射测量系统，其特征在于，包括置放待测元件的光学平台、光电检测模块、驱动模块、激光器阵列、计算机，所述激光器阵列包括若干路激光器，所述激光器连接了激光调制电路，所述激光器阵列倾斜聚焦照射到放置在光学平台的光学元件的表面上，所述光电检测模块与计算机连接，所述计算机与驱动模块连接，所述驱动模块与激光器阵列连接，所述光电检测模块接收光学元件产生的散射光信号并将之转化为电信号后输入计算机，计算机接收光电检测模块发送的电信号，控制驱动模块带动激光器阵列移动，进行扫描检测，最终在计算机生成一张由检测的散射光信号得到的散射强度分布图，以实现对光学元件表面颗粒的定位，光学元件表面的污染程度分级。2.根据权利要求1所述的一种多通道的光学元件表面颗粒散射测量系统，其特征在于，所述激光器阵列包括10路激光器，所述激光器使用650nm的半导体激光器，相邻激光器间距为10mm。3.根据权利要求1所述的一种多通道的光学元件表面颗粒散射测量系统，其特征在于，所述激光器阵列两端设置有调节旋钮，所述调节旋钮用于调节激光器阵列的倾斜角度。4.根据权利要求1所述的一种多通道的光学元件表面颗粒散射测量系统，其特征在于，所述驱动模块包括第一电机驱动模块、第二电机驱动模块、控制激光器阵列在X轴上进行左右移动的第一伺服电机、控制激光器阵列在Y轴上进行上下移动的第二伺服电机、控制激光器阵列在Z轴上进行前后移动的第三伺服电机，第一伺服电机、第二伺服电机和第三伺服电机通过丝杆与激光器阵列连接，在X轴两端、Y轴两端以及Z轴两端都装有限位开关，当限位开关被激活时，其所在轴的伺服电机将停止转动，实现制动功能，使得对应的激光器阵列在即将与仪器内壁相碰时紧急停止。5.根据权利要求1所述的一种多通道的光学元件表面颗粒散射测量系统，其特征在于，还包括准直透镜和聚焦透镜，所述准直透镜和聚焦透镜与激光器光束同轴，沿激光器发出的光束的方向依次设置在激光器前方。6.根据权利要求1所述的一种多通道的光学元件表面颗粒散射测量系统，其特征在于，还包括锁相放大器和多路模电转换电路，所述光电检测模块通过锁相放大器和多路模电转换电路与计算机连接。7.根据权利要求1所述的一种多通道的光学元件表面颗粒散射测量系统，其特征在于，所述光电检测模块与光学平台间依次设置有镜头、滤光片和光阑。8.根据权利要求1所述的一种多通道的光学元件表面颗粒散射测量系统，其特征在于，还包括导轨，所述光电检测模块在导轨上运行，伺服电机I力矩为0.2kNm，丝杠振幅小于0.1mm，精度为 Iym?50ym。9.采用权利要求1-8任意一项所述的测量系统进行光学元件表面颗粒散射测量的方法，其特征在于，包括以下步骤: 控制驱动激光器的电流调节发出激光的光功率； 转动激光器阵列两端的调节旋钮来调节激光器阵列倾斜的角度，使得激光器发出的激光照射在待测光学元件上的亮斑对准光电检测模块； 调节激光器阵列的倾角，使激光器阵列所在的平面与水平面的夹角范围在45?60的范围，通过计算机控制第三伺服电机转动来调节激光器阵列与待测光学元件表面之间的距离，使它们之间的距离在35mm?42mm范围内，使得激光器发出的光束在待测光学元件表面上呈直径为ΙΟΟμπι的焦斑； 依次点亮每路激光器，采集散射光信号，采集完一个位置的散射光信号后，控制驱动激光器阵列移动至下一个位置，再次采集散射光信号，如此往复，直至检测完整个待测光学元件的表面，在移动的过程中，采用“弓”字形路线扫描，即由计算机发出指令控制伺服电机驱动激光器阵列水平向右移动，当检测完待测光学元件表面的一整行后，再竖直向下移动一步，再以一定步长水平向左移动，如此往复直至检测完整个待测光学元件表面。
【文档编号】G01N21/958GK105842202SQ201610289485
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】余健辉, 陈哲, 周俊杰, 冯凯, 谢梦圆, 梁富念, 赵晓萌, 罗云瀚
【申请人】暨南大学