光学元件表面颗粒物在线监测装置及其在线监测的方法
【专利摘要】本发明公开了一种光学元件表面颗粒物在线监测装置及其在线监测的方法。其中，该装置包括光学反射镜(3，9)、固定架(4)、暗场成像系统(5)、光学反射镜箱体(6)、二暗场照明光源(7)、明场成像系统(8)、线性位移台(12)；其中，所述光学反射镜(3，9)和所述固定架(4)设置在所述光学反射镜箱体(6)上；所述暗场成像系统(5)、所述明场成像系统(8)和所述线性位移台(12)设置在所述固定架(4)上，所述线性位移台(12)带动所述明场成像系统(8)运动；所述二暗场照明光源(7)分别设置在所述光学反射镜(9)的两侧。由此，本发明实施例解决了如何以不同分辨率监测光学元件表面污染物的技术问题。
【专利说明】
光学元件表面颗粒物在线监测装置及其在线监测的方法
技术领域
[0001]本发明实施例涉及光学元件表面洁净监测技术领域，具体涉及一种光学元件表面颗粒物在线监测装置及其在线监测的方法。
【背景技术】
[0002]在高能量激光运行装置中存在若干块反射镜，激光的运行路线通过镜体的反射而改变。如果反射镜面存在颗粒污染物时，高能量激光将会对反射镜面造成损伤。因此，为了确保高能量激光运行装置的稳定运行，亟需研制一种监测系统，以用于监测镜面的洁净状
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[0003]有鉴于此，特提出本发明。
【发明内容】
[0004]本发明实施例的主要目的在于提供一种光学元件表面颗粒物在线监测装置，其至少部分地解决了如何以不同分辨率监测光学元件表面污染物的技术问题。此外，还提供一种光学元件表面颗粒物在线监测的方法。
[0005]为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了以下技术方案:
[0006]—种光学元件表面颗粒物在线监测装置，所述装置包括:
[0007]光学反射镜(3，9)、固定架(4)、暗场成像系统(5)、光学反射镜箱体(6)、二暗场照明光源(7)、明场成像系统(8)、线性位移台(12);其中，所述光学反射镜(3，9)和所述固定架
(4)设置在所述光学反射镜箱体(6)上;所述暗场成像系统(5)、所述明场成像系统(8)和所述线性位移台(12)设置在所述固定架(4)上，所述线性位移台(12)带动所述明场成像系统
[8]运动;所述二暗场照明光源(7)分别设置在所述光学反射镜(9)的两侧。
[0008]为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，还提供了一种利用上述装置进行光学元件表面颗粒物在线监测的方法，所述方法包括:
[0009]调整所述暗场照明光源的角度和位置，使得所述暗场照明光源的光束均匀的掠过所述光学反射镜上表面；
[0010]控制所述挡板开合电机带动所述镜头挡板转动，当所述镜头挡板运动至所述右光电开关前方时，所述挡板开合电机停止运动，打开所述镜头挡板；
[0011]通过所述变倍电机带动所述变倍小齿轮和所述变倍大齿轮的啮合，并根据图像的清晰程度控制所述聚焦电机及所述聚焦齿轮的运动；
[0012]关闭所述暗场照明光源，将所述变倍镜头调整至最小倍率，控制所述挡板开合电机将所述镜头挡板运动至所述变倍镜头的正前方；
[0013]将光学标准分化板放置在所述明场成像系统的视野内，调整所述线性聚焦轴以对所述光学标准分化板上黑白线对j L进行聚焦；
[0014]通过所述线性位移台将所述反射镜表面的颗粒物调整至所述明场成像系统的视野内，并通过所述线性聚焦轴将所述反射镜表面的颗粒物调至所述显微镜头的景深面内，进行在线监测。
[0015]与现有技术相比，上述技术方案至少具有以下有益效果:
[0016]本发明实施例根据明/暗场成像的原理和特点，在反射镜侧面对称布置两条线性照明光源，并通过变倍镜头的自动调焦和聚焦操作实现以不同分辨率监测反射镜表面颗粒物的目的；然后利用明场成像系统对暗场图像中提取出的颗粒污染物进行采样定标，精确确定颗粒污染物的尺寸。本发明可在线监测光学元件表面的洁净状态，确保高能量激光运行装置的稳定运行，实现了以不同分辨率监测光学元件表面污染物的技术效果。
[0017]当然，实施本发明的任一产品不一定需要同时实现以上所述的所有优点。
[0018]本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其它优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的方法来实现和获得。
【附图说明】
[0019]附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中:
[0020]图1为根据一示例性实施例示出的光学元件表面颗粒物在线监测装置的结构示意图；
[0021]图2为根据另一示例性实施例示出的暗场成像系统的结构示意图；
[0022]图3为根据一示例性实施例示出的明场成像系统的结构示意图；
[0023]图4为根据一示例性实施例示出的进行光学元件表面颗粒物在线监测的方法的流程不意图。
[0024]这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图以及具体实施例对本发明实施例解决的技术问题、所采用的技术方案以及实现的技术效果进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，并不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下，所获的所有其它等同或明显变型的实施例均落在本发明的保护范围内。
[0026]需要说明的是，在下面的描述中，为了方便理解，给出了许多具体细节。但是很明显，本发明的实现可以没有这些具体细节。
[0027]需要说明的是，在没有明确限定或不冲突的情况下，本发明中的各个实施例及其中的技术特征可以相互组合而形成技术方案。
[0028]图1示例性地示出了光学元件表面颗粒物在线监测装置的结构和工作环境。图2示例性地示出了暗场成像系统的结构。图3示例性地示出了明场成像系统的结构。如图1-3所示，本发明实施例提供的光学元件表面颗粒物在线监测装置包括光学反射镜3，9、固定架4、暗场成像系统5、光学反射镜箱体6、二暗场照明光源7、明场成像系统8、线性位移台12。其中，光学反射镜3，9固定在反射镜箱体6上。固定架4设置在光学反射镜箱体6上。暗场成像系统5、明场成像系统8和线性位移台12设置在固定架4上，线性位移台12带动明场成像系统8运动。两个暗场照明光源7设置在光学反射镜9的两侧。
[0029]在上述实施例中，光学反射镜箱体6通过四个地脚螺栓固定在地面上。
[0030]优选地，光学反射镜3，9和水平面的夹角均为45度。
[0031 ]优选地，固定架4固定在反射镜箱体6的桁架上。
[0032]优选地，暗场成像系统5通过安装孔10，11固定在固定架4上。
[0033]优选地，暗场照明光源7对称地布置在光学反射镜9的两侧，照射光学反射镜9表面的颗粒物，由此形成暗场照明系统;暗场照明光源优选为线性照明光源。
[0034]在一个优选的实施例中，反射镜箱体6上可以设有方形孔。入射激光束I沿着光学反射镜箱体6上的方形孔进入，经过光学反射镜9，3的两次反射后，出射激光束2沿着反射镜箱体6上的方形孔射出。
[0035]在上述实施例的基础上，暗场成像系统5可以包括:暗场相机13、左固定杆14、相机固定板15、变倍电机16、左支撑臂17、左光电开关18、左光电开关座19、聚焦大齿轮20、电机固定架21、变倍小齿轮22、变倍大齿轮23、挡片24，26、变倍镜头25、镜头挡板27、锁紧螺母28、挡板旋转轴29、右光电开关30、聚焦电机31、右光电开关座32、聚焦小齿轮33、挡板开合电机34、右支撑臂35、右固定杆36。其中，暗场电机13固定在相机固定板15上。相机固定板15通过左固定杆14和右固定杆36与固定架4相连。电机固定架21与左支撑臂17和右支撑臂35相连。变倍镜头25和暗场电机13相连。变倍电机16固定在电机固定架21上。变倍小齿轮22和变倍电机16相连。变倍大齿轮23固定在变倍镜头25上。通过变倍电机16带动变倍小齿轮22转动，变倍小齿轮22和变倍大齿轮23啮合。聚焦电机31固定在电机固定架21上。聚焦小齿轮33和变倍电机31相连。聚焦大齿轮20固定在变倍镜头25上。聚焦电机31带动聚焦小齿轮33转动。聚焦小齿轮33和聚焦大齿轮20啮合。挡板开合电机34固定在电机固定架21上，挡板开合电机34和挡板旋转轴29相连。镜头挡板27通过锁紧螺母28安装在挡板旋转轴29上。左光电开关18安装在左光电开关座19上，左光电开关座19固定在左支撑臂17上。右光电开关30安装在右光电开关座32上，右光电开关座32固定在右支撑臂35上。挡片24，26固定在变倍大齿轮23上。
[0036]优选地，电机固定架21通过螺钉和左支撑臂17和右支撑臂35相连。
[0037]优选地，变倍镜头25和暗场电机13之间是标准F口连接。
[0038]优选地，镜头挡板27通过锁紧螺母28安装在挡板旋转轴29上。
[0039]其中，暗场成像系统5可以通过暗场相机13、左固定杆14、相机固定板15、变倍电机16、左支撑臂17、左光电开关18、左光电开关座19、聚焦大齿轮20、电机固定架21、变倍小齿轮22、变倍大齿轮23、挡片24，26、变倍镜头25、镜头挡板27、锁紧螺母28、挡板旋转轴29、右光电开关30、聚焦电机31、右光电开关座32、聚焦小齿轮33、挡板开合电机34、右支撑臂35和右固定杆36实现了自动调焦和聚焦，从而实现了以不同分辨率监测反射镜表面颗粒物的目标。
[0040]其中，自动调焦可以通过以下方式来实现:
[0041 ]当变倍大齿轮23转动时，挡片24，26随着变倍大齿轮23转动。当挡片24，26转动至左光电开关18的前方时，会遮挡左光电开关18的信号，使变倍电机16停止，从而完成变倍镜头25的自动调焦。本发明实施例还可以通过改变挡片24，25的位置，控制变倍镜头25进行自动调焦，实现不同分辨率下监测光学反射镜表面的颗粒物的目的。
[0042]其中，自动聚焦可以通过以下方式来实现:
[0043]变倍镜头25完成调焦后，暗场成像系统处于离焦模糊状态。将聚焦大齿轮20固定在变倍镜头25聚焦环上，通过聚焦电机31带动聚焦小齿轮33及聚焦大齿轮20，从而实现离焦图像的自动聚焦。
[0044]本发明实施例在暗场成像系统5的变倍镜头25前方布置镜头挡板27，并通过挡板开合电机34和挡板旋转轴29带动镜头挡片27运动。当暗场成像系统5采集图像时，可以控制镜头挡板27打开，且镜头挡板27运动至右光电开关30正前方时触发挡板开合电机34的停止信号，实现镜头挡板27的打开。当暗场成像系统5完成图像采集后，控制镜头挡板27运动至变倍镜头25的正前方，从而可以避免强激光损坏变倍镜头25和暗场相机13。
[0045]作为示例，暗场成像系统的工作流程可以为:首先，控制挡板开合电机34带动镜头挡板27转动，当镜头挡板27运动至右光电开关30前方时挡板开合电机34停止运动，打开变倍镜头25前端的镜头挡板27。然后，通过变倍电机16带动变倍小齿轮22和变倍大齿轮23的啮合，完成暗场成像系统的调焦，最后根据图像的清晰程度控制聚焦电机31及聚焦大齿轮20和聚焦小齿轮33的运动，实现暗场图像的聚焦。由此，实现不同分辨率下暗场图像的采集和聚焦。最后，关闭暗场成像系统的暗场照明光源7，将暗场成像系统中的变倍镜头25调整至最小倍率，控制挡板开合电机34将镜头挡板27运动至变倍镜头25正前方。
[0046]在上述实施例的基础上，明场成像系统8可以包括:同轴照明光源、安装块37、固定板38、明场相机39、显微镜头40、线性聚焦轴41、镜头固定环42，43和明场照明光源44。其中，同轴照明光源设置在显微镜头上。线性位移台12设有滑块，明场相机39和显微镜头(40)相连。明场照明光源44安装在显微镜头40上。显微镜头40通过镜头固定环42，43固定在线性聚焦轴41上。通过线性聚焦轴41将光学反射镜9上表面调整至显微镜头40的景深面内。线性聚焦轴41安装在固定板38上。固定板38与安装块37相连。安装块37固定在线性位移台12的滑块上。
[0047]在上述实施例中，镜头固定环42，43将显微镜头40固定在线性聚焦轴41上，从而使显微镜头40随着线性聚焦轴41运动。
[0048]优选地，明场相机39和显微镜头40之间通过标准C 口连接。
[0049]优选地，线性聚焦轴41通过螺钉安装在固定板38上，固定板38通过螺钉和安装块37相连。
[0050]在上述实施例中，明场成像系统8中使用同轴照明光源。同轴照明光源发出的光从显微镜头中射出，光照射在光学元件上呈高亮状态，周围都是黑色背景，由此实现明场照明环境。之后，对光学反射镜9表面的颗粒污染物进行采样定标；明场成像系统固定在线性位移台12的滑块上，通过滑块带动明场成像系统运动，实现在明场环境下对光学元件表面颗粒物的采样。线性位移台12带动整个明场成像系统8运动，实现对不同位置的颗粒物进行监测。
[0051]优选地，明场成像系统8固定在线性位移台12的滑块上，通过滑块的运动实现明场成像系统8对反射镜表面的颗粒物进行采样。
[0052]明场成像系统8可以通过线性聚焦轴41的运动，将光学反射镜9上表面的颗粒物调整至显微镜头40的景深面内，实现对颗粒物的定标。完成采样定标后，线性位移台12的滑块将明场成像系统8运动至线性位移台12的零位，从而可以避免明场成像系统8遮挡激光光路。
[0053]明场成像系统可通过对颗粒物尺寸的采集，从而实现对暗场成像系统中提取的颗粒物进行采样定标。具体地，暗场成像系统5中提取出的颗粒物尺寸以像素为单位，需通过明场成像系统对颗粒物的物理尺寸进行定标。如图3所示，具体方法为:明场成像系统8固定在线性位移台12的滑块上，通过滑块的运动带动明场成像系统8对光学反射镜9表面不同位置的颗粒物进行采样定标。显微镜头40前端和光学反射镜9上表面之间的距离通过线性聚焦轴41进行调整，以控制光学反射镜9的上表面在显微镜头40的景深面内。
[0054]此外，本发明实施例还提供一种利用上述装置实施例进行光学元件表面颗粒物在线监测的方法。如图4所示，该方法包括:
[0055]S400:调整暗场照明光源的角度和位置，使得暗场照明光源的光束均匀的掠过光学反射镜上表面。
[0056]S401:控制挡板开合电机带动镜头挡板转动，当镜头挡板运动至右光电开关前方时，挡板开合电机停止运动，打开镜头挡板。
[0057]S402:通过变倍电机带动变倍小齿轮和变倍大齿轮的啮合，并根据图像的清晰程度控制聚焦电机及聚焦齿轮的运动。
[0058]S403:关闭暗场照明光源，将变倍镜头调整至最小倍率，控制挡板开合电机将镜头挡板运动至变倍镜头的正前方。
[0059]S404:将光学标准分化板放置在明场成像系统的视野内，调整线性聚焦轴以对光学标准分化板上黑白线对」L进行聚焦。
[0060]S405:通过线性位移台将反射镜表面的颗粒物调整至明场成像系统的视野内，并通过线性聚焦轴将反射镜表面的颗粒物调至显微镜头的景深面内，进行在线监测。
[0061 ]在步骤S405执行完后，本发明实施例还可以包括步骤S406。
[0062]S406:使用线性位移台将明场成像系统移动至一侧。
[0063]本实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。
[0064]上述装置实施例可以用于执行上述方法实施例，其技术原理、所解决的技术问题及产生的技术效果相似，所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程，可以参考前述装置实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0065]应指出的是，上面分别对本发明的装置实施例和方法实施例进行了描述，但是对一个实施例描述的细节也可应用于另一个实施例。
[0066]以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细的介绍。虽然本文应用了具体的个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，但是，上述实施例的说明仅适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域技术人员来说，依据本发明实施例，在【具体实施方式】以及应用范围之内均会做出改变。
[0067]需要说明的是:附图中的标记和文字只是为了更清楚地说明本发明，不视为对本发明保护范围的不当限定。
[0068]术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
[0069]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种光学元件表面颗粒物在线监测装置，其特征在于，所述装置包括:光学反射镜(3，9)、固定架(4)、暗场成像系统(5)、光学反射镜箱体(6)、二暗场照明光源(7)、明场成像系统(8)、线性位移台(12);其中，所述光学反射镜(3，9)和所述固定架(4)设置在所述光学反射镜箱体(6)上;所述暗场成像系统(5)、所述明场成像系统(8)和所述线性位移台(12)设置在所述固定架(4)上，所述线性位移台(12)带动所述明场成像系统(8)运动;所述二暗场照明光源(7)分别设置在所述光学反射镜(9)的两侧。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述暗场成像系统(5)包括:暗场相机(13)、左固定杆(14)、相机固定板(15)、变倍电机(16)、左支撑臂(17)、左光电开关(18)、左光电开关座(19)、聚焦大齿轮(20)、电机固定架(21)、变倍小齿轮(22)、变倍大齿轮(23)、挡片(24，26)、变倍镜头(25)、镜头挡板(27),锁紧螺母(28)、挡板旋转轴(29)、右光电开关(30)、聚焦电机(31)、右光电开关座(32)、聚焦小齿轮(33)、挡板开合电机(34)、右支撑臂(35)、右固定杆(36);其中，所述暗场电机(13)固定在所述相机固定板(15)上，所述相机固定板(15)通过所述左固定杆(14)和所述右固定杆(36)与所述固定架(4)相连，所述电机固定架(21)与所述左支撑臂(17)和所述右支撑臂(35)相连;所述变倍镜头(25)和所述暗场电机(13)相连;所述变倍电机(16)固定在所述电机固定架(21)上，所述变倍小齿轮(22)和所述变倍电机(16)相连，所述变倍大齿轮(23)固定在所述变倍镜头(25)上，通过所述变倍电机(16)带动所述变倍小齿轮(22)转动，所述变倍小齿轮(22)和所述变倍大齿轮(23)啮合；所述聚焦电机(31)固定在所述电机固定架(21)上，所述聚焦小齿轮(33)和所述变倍电机(31)相连，所述聚焦大齿轮(20)固定在所述变倍镜头(25)上，所述聚焦电机(31)带动所述聚焦小齿轮(33)转动，所述聚焦小齿轮(33)和所述聚焦大齿轮(20)啮合;所述挡板开合电机(34)固定在所述电机固定架(21)上，所述挡板开合电机(34)和所述挡板旋转轴(29)相连，所述镜头挡板(27)通过所述锁紧螺母(28)安装在所述挡板旋转轴(29)上;所述左光电开关(18)安装在所述左光电开关座(19)上，所述左光电开关座(19)固定在所述左支撑臂(17)上;所述右光电开关(30)安装在所述右光电开关座(32)上，所述右光电开关座(32)固定在所述右支撑臂(35)上;所述挡片(24，26)固定在所述变倍大齿轮(23)上。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述明场成像系统(8)包括:同轴照明光源、安装块(37)、固定板(38)、明场相机(39)、显微镜头(40)、线性聚焦轴(41)、镜头固定环(42，43)和明场照明光源(44);其中，所述同轴照明光源设置在所述显微镜头上，所述线性位移台(12)设有滑块，所述明场相机(39)和所述显微镜头(40)相连，所述明场照明光源(44)安装在所述显微镜头(40)上，所述显微镜头(40)通过所述镜头固定环(42，43)固定在所述线性聚焦轴(41)上，通过所述线性聚焦轴(41)将所述光学反射镜(9)上表面调整至所述显微镜头(40)的景深面内，所述线性聚焦轴(41)安装在所述固定板(38)上，所述固定板(38)与安装块(37)相连，所述安装块(37)固定在所述线性位移台(12)的滑块上。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述变倍镜头(25)设有调焦环，所述变倍大齿轮(23)固定在所述调焦环上。5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述镜头挡板(27)设置在变倍镜头(25)的前方，并通过挡板开合电机(34)和挡板旋转轴(29)带动镜头挡片(27)运动；暗场成像系统(5)采集图像时控制镜头挡板(27)打开，且镜头挡板(27)运动至右光电开关(30)正前方时触发挡板开合电机(34)停止，实现镜头挡板(27)的打开;当暗场成像系统(5)完成图像采集后，控制镜头挡板(27)运动至变倍镜头(25)的正前方。6.—种利用上述权利要求3-5中任一所述的装置进行光学元件表面颗粒物在线监测的方法，其特征在于，所述方法包括: 调整所述暗场照明光源的角度和位置，使得所述暗场照明光源的光束均匀的掠过所述光学反射镜上表面； 控制所述挡板开合电机带动所述镜头挡板转动，当所述镜头挡板运动至所述右光电开关前方时，所述挡板开合电机停止运动，打开所述镜头挡板； 通过所述变倍电机带动所述变倍小齿轮和所述变倍大齿轮的啮合，并根据图像的清晰程度控制所述聚焦电机及所述聚焦齿轮的运动； 关闭所述暗场照明光源，将所述变倍镜头调整至最小倍率，控制所述挡板开合电机将所述镜头挡板运动至所述变倍镜头的正前方； 将光学标准分化板放置在所述明场成像系统的视野内，调整所述线性聚焦轴以对所述光学标准分化板上黑白线对j L进行聚焦； 通过所述线性位移台将所述反射镜表面的颗粒物调整至所述明场成像系统的视野内，并通过所述线性聚焦轴将所述反射镜表面的颗粒物调至所述显微镜头的景深面内，进行在线监测。
【文档编号】G01N21/94GK105928949SQ201610238030
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】张大朋, 张正涛, 丁文东, 徐德
【申请人】中国科学院自动化研究所