一种基于偏振成像的光学元件损伤检测装置及方法与流程

本发明涉及光学元件损伤检测领域，具体涉及一种基于偏振成像的光学元件损伤检测装置及方法。

背景技术：

高功率激光器的研究及其应用技术是激光及激光应用技术领域重要研究内容之一，是当今世界激光光学领域研究前沿之一，有重要的应用背景和深远的科学意义。因此，世界各先进国家竟相投入大量的人力、物力、财力进行强激光技术的研究。其中，高功率激光的传输及光束质量的控制是各国激光领域专家和学者们极为感兴趣和主要研究内容之一。高功率激光经过光学元件时功率密度较高，不可避免会对光学元件产生影响，使激光远场光束质量产生变化。高功率激光传输通道内光学元件耐强光性能决定了激光近场相位分布和远场光斑能量分布这两项衡量高功率激光束质量的重要参数。因此，对高能激光光学元件的损伤进行测试分析，提高光学元件的耐强光性能具有重要的意义。

目前，高能激光光学元件损伤测试方法主要可以分为能量散射法和成像法两大类。能量法比成像法能更好地描述损伤的内部特征，但检测结果不直观，因此成像法是目前国内工程上应用最广泛的检测方法。其中，最简单的检测光学元件损伤的方法是通过人工肉眼观测元件损伤、判断损伤等级，但是由于肉眼可分辨尺寸只能到达百微米量级，且具有很大的随机性和不确定性，结果易受人为因素制约。同时，很多高能激光装置中的很多光学元件不易拆卸，不利于肉眼直接观察，因此通常将待测光学元件成像到CCD相机上进行测试。基于CCD成像检测主要使用暗场成像技术，应用较多的是背光相干照明损伤暗场成像、全内反射照明损伤暗场成像等方法。背光相干照明光学元件损伤暗场成像检测是指照明光场和成像系统分别处于一端，对光学元件成像时照明光透过损伤光学元件在CCD相机上形成携带损伤信息的图像，照明光为相干光，并通过技术手段将光场的低频信息剔除，在CCD上只留下被检测光学元件的损伤亮点。全内反射照明损伤暗场成像检测是基于平板光学元件的全内反射原理将照明光耦合进大口径光学元件，当满足全反射条件时，照明光在光学元件内表面产生全反射，到达光学元件边缘的照明光经过元件边缘的漫反射返回到光学元件中，最终形成均匀的照明光场。当光学元件表面有瑕疵点，全内反射条件被破坏，光线从瑕疵出射，利用成像系统记录疵点的散光，就可以对损伤进行检测。

目前检测主要使用暗场成像技术，但是暗场成像技术也有局限性，存在边缘定位精度不高和对大尺寸损伤信息丢失的不足和缺陷，另外，如全内反射照明法只能是应用于平板光学元件的检测。

鉴于此，本发明提出了一种基于偏振成像的光学元件损伤检测装置和方法，通过线偏振光照明光学元件，由CCD成像系统分别获取相互正交的线偏振图像，利用损伤点的散射光与直接透射光的光偏振特性差异来滤除直接透射光，得到光学元件损伤点的增强图像。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术中存在的上述缺陷，提供了一种基于偏振成像的光学元件损伤检测装置及方法。

为解决上述问题，本发明提出的基于偏振成像的光学元件损伤检测装置，包括：光源以及沿所述光源依次设置的光束扩束系统、线偏振起偏器、被测光学元件、成像系统、CCD探测器、处理计算机，所述被测光学元件和所述CCD探测器分别位于所述成像系统的物平面和像平面上，所述CCD探测器输出端与所述处理计算机输入端相连。

上述技术方案中，所述光束扩束系统的光束放大率根据被测光学元件的口径进行调节，既要保证被测光学元件被完全照明，又要减少杂散光的影响。

上述技术方案中，所述成像系统为焦距可调系统。

上述技术方案中，所述CCD探测器为探测面带有微线起偏器的偏振CCD探测器。

上述技术方案中，所述CCD探测器为普通CCD探测器且在成像系统前面设置有检偏器，这两个部件共同作用可以起到与偏振CCD探测器相同的功效。

一种基于偏振成像的光学元件损伤检测方法，包括以下步骤：

步骤一：打开光源的电源，根据被测光学元件的口径大小，选择合适的放大倍率，调整光束扩束系统放大倍率，既要保证被测光学元件被完全照明，又要减少杂散光的影响；

步骤二：调整线偏振起偏器使其垂直照明被测光学元件，并记录线偏振起偏器的偏振方向；

步骤三：利用所述成像系统将线偏振光照明的光学元件清晰成像在所述CCD探测器上，则CCD探测器记录的平行和垂直方向的光强信号分别为

I_ll(i)＝I_i-sin2α·Q_i+cos2α·U_i

I_⊥(i)＝I_i+sin2α·Q_i-cos2α·U_i

公式中，I，Q，U分别为斯托克斯矢量的相关分量，符号i分别表示直接透射光T或损伤点散射光S，两者的形式相同，根据偏振光学原理，如图2所示时，直接透射光T的斯托克斯矢量可以表示为

T＝[I_T Q_T U_T]^T＝I_T[1 cos2α sin2α]^T

损伤点散射光S的斯托克斯矢量可以表示为

S＝[I_S Q_S U_S]^T＝I_S[1 cos2β sin2β]^T

步骤四：对步骤三中得到直接透射光T和损伤点散射光S在平行和垂直方向的光强信号进行相减运算，可以得到偏振相减图像的结果为

I_m(T)＝I_ll(T)-I_⊥(T)＝0

I_m(S)＝I_ll(S)-I_⊥(S)

＝2(cos2α·sin2β-sin2α·cos2β)

＝2sin(2β-2α)

可见在偏振成像的数据处理过程中，直接透射光被滤除而损伤点散射光得以保留，即损伤点图像得到增强。

步骤五：改变线偏振起偏器的偏振方向，重复步骤三和四，得到不同偏振光照明条件下被测光学元件的损伤点图像。

本发明与现有技术方案相比具有以下有益效果和优点：

本发明提出的一种基于偏振成像的光学元件损伤检测装置及方法，采用线偏振光照明光学元件，由CCD探测器接收光学元件损伤点的散射光S与直接透射光T，获取相互正交的线偏振图像，并利用正交偏振图像的差异来滤除直接透射光，实现对光学元件损伤点图像的增强，解决了光学元件成像检测方法存在的图像分辨率与边缘定位精度、大尺寸损伤信息等难以兼顾的测量难题。

附图说明

图1为本发明提出的基于偏振成像的光学元件损伤检测装置的结构示意图。

图2为本发明提出的基于偏振成像的光学元件损伤检测方法的原理图。

图1中编号说明：1、光源；2、光束扩束系统；3、线偏振起偏器；4、被测光学元件；5、成像系统；6、CCD探测器；7、处理计算机。

图2说明：I为入射线偏振光；S为损伤点散射光；T为直接透射光；P1为起偏器垂直偏振方向；P2为起偏器平行偏振方向；α为直接透射光偏振方向与x轴的夹角；β为损伤点散射光偏振方向与x轴的夹角；直接透射光偏振方向与起偏器垂直偏振方向的夹角为45°。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

实施例一：

本发明提出的一种基于偏振成像的光学元件损伤检测装置，包括光源1以及沿光源1依次设置的光束扩束系统2、线偏振起偏器3、被测光学元件4、成像系统5、CCD探测器6、处理计算机7，被测光学元件4和CCD探测器6分别位于成像系统5的物平面和像平面上，CCD探测器6输出端与处理计算机7输入端相连。

其中光束扩束系统2的光束放大率为5×～25×，最大通光口径为300mm。

线偏振起偏器3采用石英片堆结构设计，由20片石英平板玻璃构成，出射光偏振度优于99％。

成像系统5采用变焦设计，焦距范围为100mm～200mm，视场角为3.07°～6.12°，系统F数为4。

CCD探测器6为偏振CCD探测器，其像元数为2048×2048，像元大小为7.4um×7.4um，光谱范围为400nm～1100nm，微线偏振片消光比≥50∶1，微线偏振片透过率优于80％。

一种基于偏振成像的光学元件损伤检测方法如图2所示，包括以下步骤：

步骤一：打开光源1的电源，根据被测光学元件的口径大小，选择放大倍率为10x，调整光束扩束系统2放大倍率为10x，既保证被测光学元件4被完全照明，又使杂散光最少；

步骤二：调整线偏振起偏器3使其垂直照明被测光学元件4，并记录线偏振起偏器3的偏振方向；

步骤三：利用成像系统5将线偏振光照明的被测光学元件4清晰成像在所述的CCD探测器6上，则CCD探测器6记录的平行和垂直方向的光强信号分别为

I_ll(i)＝I_i-sin2α·Q_i+cos2α·U_i

I_⊥(i)＝I_i+sin2α·Q_i-cos2α·U_i

公式中，I，Q，U分别为斯托克斯矢量的相关分量，符号i分别表示直接透射光T或损伤点散射光S，两者的形式相同，根据偏振光学原理，如图2所示时，直接透射光T的斯托克斯矢量可以表示为

T＝[I_T Q_T U_T]^T＝I_T[1 cos2α sin2α]^T

损伤点散射光S的斯托克斯矢量可以表示为

S＝[I_S Q_S U_S]^T＝I_S[1 cos2β sin2β]^T

步骤四：对步骤三中得到的直接透射光T和损伤点散射光S在平行和垂直方向的光强信号进行相减运算，可以得到偏振相减图像的结果为

I_m(T)＝I_ll(T)-I_⊥(T)＝0

I_m(S)＝I_ll(S)-I_⊥(S)

＝2(cos2α·sin2β-sin2α·cos2β)

＝2sin(2β-2α)

可见在偏振成像的数据处理过程中，直接透射光被滤除而损伤点散射光得以保留，即损伤点图像得到增强。

步骤五：改变线偏振起偏器3的偏振方向，重复步骤三和四，得到不同偏振光照明条件下被测光学元件4的损伤点图像。

实施例二：

本发明提出的一种基于偏振成像的光学元件损伤检测装置，包括光源1以及沿光源1依次设置的光束扩束系统2、线偏振起偏器3、被测光学元件4、成像系统5、CCD探测器6、处理计算机7，被测光学元件4和CCD探测器6分别位于成像系统5的物平面和像平面上，CCD探测器6输出端与处理计算机7输入端相连。

其中光束扩束系统2的光束放大率为10×～40×，最大通光口径为500mm。

线偏振起偏器3采用石英片堆结构设计，由25片石英平板玻璃构成，出射光偏振度优于99％。

成像系统5采用变焦设计，焦距范围为200mm～400mm，视场角为2.07°～8.12°，系统F数为4。

CCD探测器6采用普通CCD探测器且在成像系统前面设置有检偏器。

一种基于偏振成像的光学元件损伤检测方法如图2所示，包括以下步骤：

步骤一：打开光源1的电源，根据被测光学元件4的口径大小，选择放大倍率为20x，调整光束扩束系统2放大倍率为20x，既保证被测光学元件4被完全照明，又使杂散光最少；

步骤二：调整线偏振起偏器3使其垂直照明被测光学元件4，并记录线偏振起偏器3的偏振方向；

步骤三：利用成像系统5将被线偏振光照明的被测光学元件4清晰成像在CCD探测器6上，则CCD探测器6记录的平行和垂直方向的光强信号分别为

I_ll(i)＝I_i-sin2α·Q_i+cos2α·U_i

I_⊥(i)＝I_i+sin2α·Q_i-cos2α·U_i

公式中，I，Q，U分别为斯托克斯矢量的相关分量，符号i分别表示直接透射光T或损伤点散射光S，两者的形式相同，根据偏振光学原理，如图2所示时，直接透射光T的斯托克斯矢量可以表示为

T＝[I_T Q_T U_T]^T＝I_T[1 cos2α sin2α]^T

损伤点散射光S的斯托克斯矢量可以表示为

S＝[I_S Q_S U_S]^T＝I_S[1 cos2β sin2β]^T

步骤四：对步骤三中得到直接透射光T和损伤点散射光S在平行和垂直方向的光强信号进行相减运算，可以得到偏振相减图像的结果为

I_m(T)＝I_ll(T)-I_⊥(T)＝0

I_m(S)＝I_ll(S)-I_⊥(S)

＝2(cos2α·sin2β-sin2α·cos2β)

＝2sin(2β-2α)

可见在偏振成像的数据处理过程中，直接透射光被滤除而损伤点散射光得以保留，即损伤点图像得到增强。

步骤五：改变线偏振起偏器3的偏振方向，重复步骤三和四，得到不同偏振光照明条件下被测光学元件4的损伤点图像。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。