红外光学材料杂质测试方法与流程

本发明涉及光学材料杂质测试技术领域，具体涉及红外光学材料杂质测试方法。

背景技术

光学材料中的杂质是光学材料制造后留下的气泡、结石等非均匀性物质缺陷，这些非均匀性物质缺陷将会严重地影响光学系统的成像质量。测试光学材料中的杂质是评价光学材料是否能满足使用的必要环节。对于可见波段的光学材料，材料中的杂质是通过漫反射光源照射，用放大镜进行人眼直接观察来记录杂质的数量和大小，然后带入公式中计算后评价光学材料杂质缺陷的等级。

对于不能透过可见光(波长为0.4μm～0.78μm)的红外光学材料(波长为0.8μm～14μm)，如红外硫系光学玻璃、红外晶体、红外陶瓷等，无法像可见波段的光学材料一样用眼睛去直接观察材料中的杂质，因此，需要建立红外测试系统来测试。

现有一种测试红外光学材料均匀性的显微成像的分层扫瞄测试方法。该方法的主要原理是将红外光源辐射通过与光源系统光轴成45°的半透反射镜反射到与其成90°显微物镜系统，显微物镜将光辐射投到被测光学材料上，显微物镜对其照射的光学材料进行物点成像，将像成到红外探测器上。整个红外光学材料中的杂质需要对放在精密二维移动台的测试样品进行逐行横向全平面扫描和纵向逐层步进进行另一平面的扫描，直到测试样品所有分层扫描完毕，其原理和方法如图1和图2所示。

红外光学材料均匀性显微成像的分层扫瞄测试方法存在五大问题：一是这种测试方法由于采用显微原理，受显微物镜物距较短的限制，只能测试厚度很薄的样品，通常不超过5mm，因此，没有实用价值(红外光学零件的测试最大厚度会达到20mm)；二是测试过程和测试结果的拼接关系太复杂，先要在二维平面按毫米尺度范围进行逐点扫描成像测试，然后再按近微米级逐层步进，整个测试是一个巨大的扫描测试工作量过程，而且二维扫描像的拼接和纵向层的拼接也是极其复杂的，如图2所示的状况；三是测试结果难以准确还原实际结果，因为测试的圆与圆和层与层之间拼接的显微图像存在显微物镜视场不同位置像质差异的变形和景深成像的延伸性等因素，会使横向和纵向拼接重叠区的杂质图像重复计数，难以将重复部分严格区分出来，必会导致材料杂质图像与实际情况的偏离；四是测试装置组成复杂、精度要求高和成本高，需要多装置组成的t形光路、高精密度测试样品的二维自动移动台和高精度的显微物镜纵向(一维)自动移动台；五是测试时间长，由于测试的复杂性导致了测试过程时间长。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何设计一种红外光学材料杂质的测试原理和方法，以解决光学材料杂质的实际可测试问题，并降低测试装置组成和测试过程的复杂度，获得符合材料杂质实际情况的结果，降低测试成本，缩短测试时间。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了红外光学材料杂质测试方法，包括以下步骤：

s1、建立一个红外光学材料景深照相杂质测试系统，在光路方向依次包括红外漫射光源系统1、被测红外光学材料样品2、红外照相物镜3和红外探测器4；其中，被测红外光学材料样品2放置在样品放置台6上；所述红外漫射光源系统1由红外光源和透红外光谱的漫射屏101组成，所述红外光源为全谱红外光源102或者是单色红外光源103；

s2、确定测试系统中所述被测红外光学材料样品2的最大厚度，以作为红外照相物镜3的物方景深设计依据；

s3、根据所述被测红外光学材料样品2需要统计的最小杂质尺寸，确定红外照相物镜3的物方分辨力；

s4、根据预定被测红外光学材料样品2的透明波段，选择红外探测器的波段响应类型，即确定红外探测器4的类型；

s5、建立所述红外探测器4的最大边长尺寸与被测红外光学材料样品2的最大口径的最大测试范围的匹配关系；

s6、根据步骤s3确定的红外照相物镜3的物方分辨力，确定其像方分辨力间隔σ；

s7、根据步骤s6确定的红外照相物镜3的像方分辨力间隔σ，计算红外照相物镜3允许的最大f数；

s8、选择所述红外探测器4的探测元601的尺寸d，d≦σ，使红外探测器4能满足对红外照相物镜3的像方分辨力间隔σ的分辨；

s9、用步骤s7得到的红外照相物镜3的f数确定红外照相物镜3像点的衍射斑，即像点弥散斑602的尺寸；

s10、设置所述红外照相物镜3备选的系列焦距值；

s11、根据s5计算的红外照相物镜3的放大倍数、步骤s10设置的系列焦距值，计算红外照相物镜3的系列物距；再根据步骤s7确定的允许的f数、步骤s10设置的系列焦距值、系列焦距对应的系列物距、允许的离焦弥散圆直径δ，计算红外照相物镜3的系列焦距及物距对应的系列物方前景深及物方后景深；然后根据测试系统允许的体积尺寸，按照红外照相物镜3对期望测试的样品厚度范围的红外光学材料杂质能成像到红外探测器4上的要求，选择计算达到预设要求的系列焦距值f’的红外照相物镜3的物方景深δl、成像的物距l和像距l’，所述物方景深δl为物方前景深与物方后景深之和；

步骤s12、按照如下原则布置测试系统：不让被测红外光学材料样品2的厚度中间面801与物面802重合，而使被测红外光学材料样品2的厚度中间面801在物面802左侧，形成物方前景深804和物方后景深805有效占用样品厚度，所述物面802为景深分界面，也即红外探测器4的像感光平面803对应的物平面；

步骤s13、对红外探测器4接收的被测红外光学材料样品2内的杂质图像，用图像处理和计算软件进行尺寸测量、数量计数，并给出杂质规范评定的测试结果。

优选地，步骤s1中，若所述红外光源为单色红外光源103，且为激光红外光源，则在激光红外光源与透红外光谱的漫反射屏之间还设置有激光扩束光学系统104，且激光红外光源的波长在红外光学材料的透过波段内，还在红外探测器4的辐射响应工作波段内。

优选地，步骤s2中，对于测试口径大到100mm直径的样品，用近红外或短波红外光源测试，确定被测红外光学材料样品2的最大厚度不超过25mm，用中波和长波红外光源测试的最大厚度可以更厚，可达到短波红外的2倍及以上。

优选地，步骤s3中，对于工作在短波红外波段的红外光学材料，用短波红外光源进行红外光学材料的杂质测试，需要分辨的红外光学材料杂质的最小尺寸为0.1mm；对于工作在中波红外波段或长波红外波段的红外光学材料，用相应波段的辐射源测试时，需要分辨的红外光学材料杂质的最小尺寸随波长的加长而增大。

优选地，步骤s4中，若不考虑测试锗晶体红外光学材料，则选择近红外或短波红外探测器，若考虑测试各类红外光学材料的杂质，则选择中波红外探测器或长波红外探测器。

优选地，步骤s5中，所述匹配关系通过用被测红外光学材料样品2的最大测试尺寸502除以红外探测器4的最大有效尺寸501作为红外照相物镜3的放大倍数β得到。

优选地，步骤s6中，像方分辨力间隔σ为红外照相物镜3的物方分辨力除以红外照相物镜3的放大倍数β。

优选地，设测试波长为λ，f＝σ/(1.22λ)。

优选地，步骤s8中，所述红外照相物镜3的像方分辨力间隔σ为两相邻像元的间距。

优选地，步骤s9中，如果红外照相物镜3的f数减一半影响红外照相物镜3期望的景深长度，则确定红外照相物镜3像点的衍射斑直径为2σ，像点的衍射斑直径603为二个探测元尺寸，即2d；如果红外照相物镜3的f数减一半不影响红外照相物镜3期望的景深长度，则确定红外照相物镜3的像点的衍射斑直径603的尺寸等于红外探测器4的探测元601的尺寸。

(三)有益效果

本发明利用红外照相系统的景深特性和场景成像原理，对可见光不透明的红外材料中存在的杂质情况进行红外照相系统景深范围的一次成像获取红外光学材料内部全部杂质状况，该方法对可见光不透明的红外材料内部的杂质进行测试的设备要求简单，不需要承载样品的二维自动移动的精密平台和承载显微物镜的精密一维自动移动平台，降低了测试设备的成本；本测试方法是一次照相真实成像，无重叠成像结果的处理，反映的测试结果真实；本测试方法一次拍照就完成，测试快捷、时间短。

附图说明

图1是现有技术中显微扫描测试法原理图；

图2是现有技术中显微扫描测试法的测试区扫描拼接图；

图3是本发明中红外光学材料景深照相杂质测试系统原理图；

图4是本发明中红外漫射光源系统组成图；

图5是本发明中红外光学材料测试样品与红外探测器尺寸的匹配关系示意图；

图6是本发明中红外探测元与像弥散斑的匹配关系示意图；

图7是本发明中红外光学材料杂质成像在探测器上的关系示意图；

图8是本发明中物方景深对样品厚度的匹配关系示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明的发明人发现，应用红外照相系统的景深可对红外光学材料内的杂质进行一次成像，可获取全面的光学材料内杂质的实际拥有情况，使红外光学材料的杂质测试简单化和真实化。这一发明的提出基于两个基本点，一是对光学系统成像的特点和性能关系有深入的认识(光学系统的性能关系主要是分辨力、景深、f数等之间的关系)，二是对红外光学材料的实际应用情况、杂质的允许程度、杂质的计算方法有深入的了解。第一个基本点是解决能设计出测试红外光学材料杂质的红外照相光学系统，第二个基本点是解决合理设计的照相系统的景深长度已能覆盖绝大部分红外光学零件的厚度要求(大部分红外光学零件的厚度不超过20mm，本发明对于红外照相物镜3的放大倍数β＝10、材料折射率为2.5左右时的近红外和短波红外的景深能设计到25mm，中波红外的景深能设计到短波的2倍及以上，长波红外的景深能设计得更长；当减小红外照相物镜3的放大倍数β和增大材料折射率时，能设计出按变化比例关系增加的更长景深；红外照相物镜3的放大倍数β＝10时对应的样品测试最大尺寸为100mm；红外照相物镜3的放大倍数β与其景深δl的变化关系相反，放大倍数增大时，景深减小，反之亦然)，合理设计的照相系统的物方分辨力能满足对红外光学材料需要统计的杂质最小尺寸的分辨和成像。尽管应用断层扫描法对测试样品的厚度可以没有限制(但用显微扫描限制更严重，因显微镜头物距短)，但除特殊情况外，实际测试的样品厚度一般都不会或没有必要超过25mm(用近红外或短波红外测试，几乎能满足绝大部分红外光学零件厚度的测试需要)。红外光学零件一般不用很厚材料的原因主要是红外光学材料价格昂贵，并且要考虑光学系统的减重，因此，红外光学系统中的反射功能一般是采用反射镜，而不用厚重、昂贵的棱镜。用显微分层扫描测试特厚红外光学材料杂质的情况在红外光学的测试中很少有实际需求。

基于以上对红外光学系统及光学材料杂质实际情况的深入掌握，本发明应用红外照相系统景深一次成像测试原理创建了红外光学材料杂质的测试方法，该测试方法包括以下步骤：

步骤s1、建立一个由红外漫射光源系统1、被测红外光学材料样品2、样品放置台6、红外照相物镜3(景深成像系统)、红外探测器4、红外图像采集、处理、显示系统5等组成的红外光学材料景深照相杂质测试系统，如图3所示。

其中，如图4所示，所述红外漫射光源系统1由红外光源和透红外光谱的漫射屏101组成，为图4a所示的宽谱红外漫射光源系统或图4b所示的单色红外漫射光源系统。所述红外光源既可以是图4a中的全谱红外光源102，即能发射0.78μm～14μm波长范围的光辐射；也可以是图4b中的单色红外光源103，如激光红外光源，应用激光红外光源时，还应采用激光扩束光学系统104。采用单色红外光源103时，单色红外光源的波长应在红外光学材料的透过波段内，还应在红外探测器4的辐射响应工作波段内。红外漫射光源系统1发出的漫射光应尽量均匀，避免光源不均匀对测试成像的干扰。

步骤s2、确定所述红外光学材料景深照相杂质测试系统中被测红外光学材料样品2的最大厚度，这个参数将作为红外照相物镜3的物方景深设计依据。根据红外光学零件的设计情况，其厚度一般小于20mm，因此，对于测试口径大到100mm直径的样品，用近红外或短波红外光源测试，确定被测红外光学材料样品2的最大厚度不超过25mm(必要时，通过减小被测红外光学材料样品2的测试口径，按口径减小的比例增加红外照相物镜3的f数，可增加红外照相物镜3的景深)，在中波和长波红外波段确定被测红外光学材料样品(2)的最大厚度达到短波的2倍以上。

步骤s3、根据被测红外光学材料样品2需要统计的最小杂质尺寸，确定红外照相物镜3的物方分辨力。对于工作在短波红外波段(1μm～3μm)的红外光学材料，用短波红外光源进行红外光学材料的杂质测试，需要分辨的红外光学材料杂质的最小尺寸为0.1mm。对于工作在中波红外波段(3μm～5μm)或长波红外波段的(8μm～14μm)的红外光学材料，用相应波段的辐射源测试时，需要分辨的红外光学材料杂质的最小尺寸将随波长的加长而增大。除了锗晶体材料在红外短波波段不透明外，几乎所有的红外光学材料从红外短波到红外长波波段都是透明的，因此，选择中波波段可测试所有的红外光学材料，选择短波波段测试可测试绝大部分红外光学材料。

步骤s4、根据预定被测红外光学材料样品2的透明波段，选择红外探测器的波段响应类型，即确定红外探测器4的类型。如果不考虑测试锗晶体红外光学材料，可选择近红外或短波红外探测器，其好处是探测器的面阵像元数量大，像方分辨力高，且价格便宜(探测波段覆盖0.78μm～1μm)。如要考虑测试各类红外光学材料的杂质，可选择中波红外探测器或长波红外探测器。

步骤s5、建立红外探测器4的最大边长尺寸(为图5中的最大有效尺寸501)和被测红外光学材料样品2的最大口径(为图5中的最大测试尺寸502)的最大测试范围的匹配关系。如图5所示，即用被测红外光学材料样品2的最大测试尺寸502除以红外探测器4的最大有效尺寸501作为红外照相物镜3的放大倍数β。将这个匹配关系用于计算测试的像方分辨力，可使测试系统对红外光学材料样品2小口径尺寸测试满足要求的分辨力时，对红外光学材料样品2的最大允许尺寸测试也能同样满足测试的分辨力要求。

步骤s6、根据s3确定的红外照相物镜3的物方分辨力，确定其像方分辨力间隔σ。像方分辨力间隔σ为红外照相物镜3的物方分辨力除以红外照相物镜3的放大倍数β。

步骤s7、根据步骤s6确定的红外照相物镜3的像方分辨力间隔σ，计算红外照相物镜3允许的最大f数。设测试波长为λ，f＝σ/(1.22λ)，这个f数使红外照相物镜3具有对被测红外光学材料样品2中需测试的最小杂质尺寸的分辨力。

步骤s8、选择红外探测器4的探测元601的尺寸(边长)d，d≦σ，使红外探测器4能满足对红外照相物镜3的像方分辨力间隔σ(最小分辨间隔)的分辨，如图6所示。红外探测器4的最小分辨力为两相邻像元的间距，占空比大的红外探测器4的两相邻像元的间距可近似等于探测元的边长。

步骤s9、用步骤s7得到的红外照相物镜3的f数确定红外照相物镜3像点的衍射斑(即像点弥散斑602)尺寸。方法为：使得红外照相物镜3像点的衍射斑直径为2σ，像点的衍射斑(即像点弥散斑)直径603为二个探测元尺寸，即2d，衍射斑直径603与四个探测元的匹配关系如图6所示，但更优选的方案是：如果红外照相物镜3的f数减一半不影响红外照相物镜3期望的景深长度，则使红外照相物镜3的像点的衍射斑直径603的尺寸等于或略大于红外探测器4的探测元601的尺寸，以保证有足够的辐射能量作用于探测元601，满足探测元601对物点像有良好的响应信号。

步骤s10、设置红外照相物镜3备选的系列焦距值(如焦距为10mm、20mm、30mm、……、80mm等)，以便设计多种光学系统总尺寸方案和光学系统口径方案(根据步骤s7确定的红外照相物镜3允许的f数和焦距计算)，为权衡测试系统总尺寸和探测器曝光量时筛选使用。

步骤s11、根据s5计算的红外照相物镜3的放大倍数、步骤s10设置的系列焦距值，计算红外照相物镜3的系列物距；根据步骤s7确定的允许的f数、步骤s10设置的系列焦距值、系列焦距对应的系列物距、允许的离焦弥散圆直径δ，计算红外照相物镜3的系列焦距及物距对应的系列物方前景深及物方后景深；根据测试设备允许的体积尺寸，按照红外照相物镜3对期望测试的样品厚度范围的红外光学材料杂质能成像到红外探测器4上的要求，权衡选择以上计算满意的系列焦距值f’的红外照相物镜3的物方景深δl(物方前景深与物方后景深之和)、成像的物距l和像距l’等光学成像参数，如图7所示，xi、xi+1分别是被测红外光学材料样品2中的第i个、i+1个杂质，xi’、xi+1’分别是被测红外光学材料样品2中第i个、i+1个杂质的像。

步骤s12、为了保证红外光学系统景深长度的有效利用，在图3所示光学材料杂质测试系统的布置上，不要让被测红外光学材料样品2的厚度中间面801与物面802(景深分界面，也即红外探测器4的像感光平面803对应的物平面)重合，而使被测红外光学材料样品2的厚度中间面801在物面802左向附近，即物面802在靠近被测红外光学材料样品2的厚度中间面801的右边，形成物方前景深804和物方后景深805有效占用样品厚度(对允许的最大厚度样品)，如图8所示。这种位置对应关系通过被测红外光学材料样品2布置的轨道定位设置或轨道刻度进行标定。

步骤s13、对红外探测器4接收的被测红外光学材料样品2内的杂质图像，输入图像采集、处理及显示系统5，通过图像采集、处理及显示系统5进行样品杂质尺寸大小测量、数量计数、计算，输出杂质规范评定的测试结果。

本发明的方法不仅可以用于对可见光不透明的各红外波段(近红外、短波红外、中波红外、长波红外)的光学材料杂质的测试，也可用于其他辐射透明材料杂质的测试，只需要将红外辐射源、红外光学成像系统和红外探测器更换为相应波段的辐射源、成像系统和探测器即可，如可见光波段、紫外波段、太赫兹波段等。尽管在可见光波段，光学材料的杂质用人眼能直接进行测试(或检验)，但是，应用本发明的方法进行可见光光学材料杂质的测试时，可使其测试(或检验)自动化，不需要使用人工进行测试(或检验)，大大提高可见光光学材料杂质测试(或检验)的操作效率和缺陷评定的计算效率，还能大大提高可见光光学材料杂质测试(或检验)的客观性，这三项优点是人眼测试(或检验)所不能达到的，可见光光学材料杂质测试(或检验)的操作效率问题、评定计算效率和客观性问题正是可见光光学材料杂质测试(或检验)的主要问题。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。