一种基于深紫外光谱分析和图像识别的光学分析仪器的制作方法

1.本发明涉及一种材料性能测试技术领域，具体的，涉及一种基于深紫外光谱分析和图像识别的光学分析仪器。


背景技术：

2.光学材料的品控标准经过漫长的发展历史已经到了相当成熟的阶段，对于普通光学应用来说，这套检测体系足以满足各方面的要求，包括材料的筛选以及光学元器件的质量评价。随着光电产业的爆发性增长，光电功能器件在种类和功能上得到不断的拓展，这套检测体系在特殊波段及高性能光学领域中暴露出一些缺憾，难以在产品进入应用前筛选出不合格品。
3.高品质光学材料及光学器件的高标准要求，一方面体现在光学器件的精密加工上，另一方面需要依托光学材料的内部高品质。以往检测中使用激光干涉仪之类的设备，可以获取光学器件的加工精度、光学材料的内部均匀性等信息，这些参数在普通光学应用领域是足够了，但是对于应用于强光学、紫外波段、红外波段等方面的光学器件，仅依靠上述信息是无法可靠判断产品的合格与否。以强光学领域使用的光学器件为例，光学器件需要承受极高的光能量密度，能否在苛刻条件下正常工作，不单单需要光学材料内部均匀、器件加工精密，还要光学材料有低的光吸收系数、低缺陷密度、杂质浓度低等，这些信息的获取需要依靠专门的仪器进行测量，难以实现无损高速同步测量。
4.因此，如何实现在强光学应用领域对于光学材料内部的分析和判断，成为现有技术亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提出一种基于深紫外光谱分析和图像识别的光学分析仪器，以深紫外激光作为激发光源，结合辅助光源照射样品，通过分析样品在深紫外激光激发下产生的光学变化，进行光学材料和光学器件的质量分析。
6.为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种基于深紫外光谱分析和图像识别的光学分析仪器，其特征在于，包括：光源模块、样品台、第一光学成像模块和光谱分析探测器；所述光源模块包括深紫外激光光源和辅助光源，深紫外激光光源，发射波长在200~360nm之间的用于光谱分析的深紫外激光，所述深紫外激光经过第二45
°
反射镜照射在样品上；辅助光源，用于发射用于光学成像分析的辅助光，所述辅助光经过第一45
°
反射镜照射在样品上，并且与深紫外激光同轴方向传播，即从同轴的两个方向分别照射在样品上；样品台，用于承载样品，并且能够在三维方向上移动，以选择分析测试区域；第一45
°
分光镜，位于深紫外激光和辅助光的光束方向上，将通过样品的光信号按照一定的分光比进行分光，其中一部分进入第一光学成像模块，另一部分进入光谱分析探
测器；所述第一光学成像模块，用于采集激光照射区域的图像信息，并传输至信息处理系统，进行光学图像分析；所述光谱分析探测器，用于采集深紫外激光照射样品后产生的光谱变化信息，包括谱线分布和强度。
7.可选的，还具有信息处理系统用于控制光源模块、样品台、第一光学成像模块和光谱分析探测器，并采集它们获取的信息与数据库内部信息进行同步处理、对比分析。
8.可选的，在样品的侧面设置有第二光学成像模块，所述第二光学成像模块40，用于探测深紫外激光在样品中的传输信息，其光谱响应范围从深紫外激光频率到可见光区域。
9.可选的，所述深紫外激光的平均功率大于1mw。
10.可选的，所述深紫外激光光源还包括光开关、光学滤光器件、光学整形透镜组和可调光阑中的一个或多个，其中，光开光用于控制深紫外激光的输出，光学滤光器件用于过滤深紫外激光之外的光并调节深紫外激光强度，光学整形透镜组用于深紫外激光整形，控制激光光束的传输质量并得到满意的激光光束分布，或控制激光焦点位置，可调光阑用于抑制杂散光、控制传输的激光的光束形状；所述的辅助光源为钨丝灯、气体放电灯、半导体发光光源或激光，所述的辅助光源还包含光开关、光学滤光器件、光学整形透镜组和可调光阑中的一个或多个，其中，光开光用于控制辅助光的输出，光学滤光器件用于调节光源强度及控制光源的频率范围，光学整形透镜组用于控制照明光源的传输使其能够均匀会聚于测量区域，或控制辅助光的焦点位置，可调光阑用于抑制杂散光、控制照明光束的光斑大小及强度。
11.可选的，第一45
°
反射镜在45
°
放置时具有带通滤光，对深紫外激光的反射率》80%、对长波的透过率大于90%；辅助光源发射的照明光束经由第二45
°
反射镜进行全反射，使其与深紫外激光光束重合，第二45
°
反射镜在45
°
放置时对辅助光的反射率大于90%。
12.可选的，所述样品台用于承载测量使用的光学样品，能够根据测试需要以不同速率在不同方向上移动，以控制样品的测试部位和样品的测试效率。
13.可选的，所述第一光学成像模块用于进行光学图像分析，包括不同放大倍率的光学镜头及成像探测器，并通过位移精确控制成像区域；所述第一光学成像模块使用辅助光学器件来满足采集激光照射区域图像信息的要求，所述辅助光学器件包括光学衰减片、滤光片、光学偏振器件。
14.可选的，所述光谱分析探测器为单个探测器或多个探测器，所述探测器包括光学成像ccd探测器、硅光光电探测器和光电倍增管；所述的光谱分析探测器的每个探测窗口前设置有辅助光学器件，所述辅助光学器件包括光学衰减片、滤光片、光学偏振器件。
15.可选的，所述信息处理系统包括控制部分、信息处理部分和数据库部分，所述信息处理系统能够同步控制光源模块、样品台、第一和第二光学成像模块和光谱分析探测器，并同步采集它们获取的信息进行综合分析处理；所述数据库包括标准光谱及图像信息、标准样品分析测试结果信息，所述信息处理系统能够借助数据库信息进行光谱和图像的比对，分析测量过程中的信号差异。
16.本发明具有如下优点：1）以深紫外激光作为激发光源，结合辅助光源照射样品，通过分析样品在深紫外激光激发下的光学吸收系数变化、折射率变化、双光子吸收等现象，可以自动快速检测光学材料及光学器件的质量；2）通过光谱检测和图像分析结合，能够通过扫描检测精确定位光学材料及光学器件的缺陷存在区域，对光学材料的缺陷类型进行判定，分析光学材料的成分均匀性；3）通过深紫外激光和辅助光源的协同检测，能够更为精细地检测光学器件的加工质量；4）智能化比对技术结合数据库可以高效自动完成光学材料和光学器件的品质分析。
附图说明
17.图1是根据本发明具体实施例的基于深紫外光谱分析和图像识别的光学分析仪器的示意图。
18.图中的附图标记所分别指代的技术特征为：4、光谱分析探测仪；10、辅助光源；11、深紫外光源；20、样品；30、第一45
°
反射镜；31；第二45
°
反射镜；32、第一45
°
分光镜；33第二分光镜；40、第二光学成像模块；41、第一光学成像模块；42、深紫外探测器；43、光学滤光器。
具体实施方式
19.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
20.本发明在于：以深紫外激光作为激发光源，结合辅助光源照射样品，以光谱分析结合高清图像分析，体现出光学材料和光学器件在深紫外激光照射下的光学信号变化，智能化比对技术结合数据库高效自动完成光学材料和光学器件的品质分析。
21.具体的，参见图1，示出了根据本发明具体实施例的基于深紫外光谱分析和图像识别的光学分析仪器的示意图，包括如下部件：光源模块、样品台、第一光学成像模块41和光谱分析探测器4；所述光源模块包括深紫外激光光源11和辅助光源10，深紫外激光光源11，发射波长在200~360nm之间的用于光谱分析的深紫外激光，所述深紫外激光经过第二45
°
反射镜31照射在样品20上；辅助光源10，用于发射用于光学成像分析的辅助光，所述辅助光经过第一45
°
反射镜30照射在样品20上，并且与深紫外激光同轴方向传播，即从同轴的两个方向分别照射在样品20上；样品台，用于承载样品20，并且能够在三维方向上移动，以选择分析测试区域；第一45
°
分光镜31，位于深紫外激光和辅助光的光束方向上，将通过样品的光信号按照一定的分光比进行分光，其中一部分进入第一光学成像模块41，另一部分进入光谱分析探测器4；
所述第一光学成像模块41，用于采集激光照射区域的图像信息，并传输至信息处理系统，进行光学图像分析；所述光谱分析探测器4，用于采集深紫外激光照射样品后产生的光谱变化信息，包括谱线分布和强度；信息处理系统用于控制光源模块、样品台、第一光学成像模块41和光谱分析探测器4，并采集它们获取的信息与数据库内部信息进行同步处理、对比分析。
22.样品在深紫外激光或者辅助光照射下，相应的光信号将依次通过第二45
°
反射镜31、第一45
°
分光镜32，所述第一分光镜32在45
°
放置时能够根据设计要求将光信号按照一定的分光比进行分光，其中一部分进入第一光学成像模块41，另一部分进入光谱分析探测器4。
23.因此，紫外激光和辅助光源照射待分析的光学样品，根据得到的光谱变化信息并结合同步采集的光学影像，评价光学样品的光学性能，以此作为光学样品在高强光学及深紫外光学应用的评判参考。
24.在一个可选的实施例中，所述深紫外激光的平均功率大于1mw,示例性的，紫外激光在1平方毫米的光斑具有1mw的平均功率，其能量密度比通常的紫外灯照射高出好几个数量级，且聚焦后的集中度也较高。
25.因此，采用深紫外强光照射的方式对光学材料或者光学器件进行分析，能够检测光学器件在高能量密度下，能否正常工作，或者以高能量密度检测光学器件的细小缺陷和杂质。
26.所述深紫外激光光源11还包括光开关、光学滤光器件、光学整形透镜组和可调光阑中的一个或多个，其中，光开光用于控制深紫外激光的输出，光学滤光器件用于过滤深紫外激光之外的光并调节深紫外激光强度，光学整形透镜组用于深紫外激光整形，控制激光光束的传输质量并得到满意的激光光束分布，或控制激光焦点位置，可调光阑用于抑制杂散光、控制传输的激光的光束形状。
27.所述的辅助光源10为钨丝灯、气体放电灯、半导体发光光源或激光，所述的辅助光源10还包含光开关、光学滤光器件、光学整形透镜组和可调光阑中的一个或多个，其中，光开光用于控制辅助光的输出，光学滤光器件用于调节光源强度及控制光源的频率范围，光学整形透镜组用于控制照明光源的传输使其能够均匀会聚于测量区域，或控制辅助光的焦点位置，可调光阑用于抑制杂散光、控制照明光束的光斑大小及强度。
28.其中所述辅助光源的波长可以为400-800nm，可以是可以为单一波长的连续激光，也可以为普通光源，如气体放电灯等。
29.第一45
°
反射镜31在45
°
放置时具有带通滤光，对深紫外激光的反射率》80%、对长波（》360nm）的透过率大于90%。
30.辅助光源10发射的照明光束经由第二45
°
反射镜30进行全反射，使其与深紫外激光光束重合，第二45
°
反射镜30在45
°
放置时对辅助光的反射率大于90%。
31.待测量的样品为光学材料或者光学器件，样品20直接置于样品台上，样品台具备三维高速平移能力及高精度重复定位能力，其位移分辨率优于10μm，位移重复定位精度优于10μm，测量过程中通过样品台的移动对样品20进行扫描式测量，并根据工作情况调整扫描速率及进行重点区域扫描；样品台具备标记功能，能够将采集到的图像及光谱信息精确
对应到样品上的相应区域，或者直接在样品上标记缺陷区域。
32.调整样品台，选定样品20的待测量区域，即深紫外激光的照射点，这时可选择深紫外激光单独照射、辅助光源单独照射或者深紫外激光和辅助光源同时照射，测试过程中能够调整深紫外激光光源11辅助光源10的强度，也可以控制深紫外激光光源11、辅助光源10的焦点位置。
33.所述第一光学成像模块41用于进行光学图像分析，包括不同放大倍率的光学镜头及成像探测器，其中光学镜头根据测量要求可以工作在紫外光谱区域、可见光谱区域及近红外光谱区域，光学镜头前可放置可调光阑和/或可更换的滤光器件，所述可调光阑用以控制入射光信号强度、抑制杂散光及调整成像景深，所述滤光器件用于控制进入光学成像模块的信号光的频谱范围和信号强度，包括但不限于窄带滤波片、带通滤光片、偏振光学器件和光衰减片；成像探测器具备高分辨率光学成像能力，为黑白成像探测器或彩色成像探测器，采集到的图像信息及相关光学器件参数将综合传送至信息处理系统。
34.所述光谱分析探测器用于进行光谱分析，包括但不限于信号光光谱分布分析、特征光谱强度分析、特征光谱成像分析，光谱分析探测器4可以是单个探测器42或者多个探测器42的组合，当是多个探测器的组合，光信号由第二分光镜33分配到相应的探测器42，所述第二分光镜可根据光谱分析的要求进行更换，可以为固定分光比的分光镜，或者带通滤光片，或者窄带滤波片；探测器42根据光信号的需要可以选用但不限于光学成像ccd探测器、硅光光电探测器和光电倍增管，在探测器前设置有但不限于光学滤光器43和可调光阑，光学滤光器43用于控制进入探测器42的信号光的频谱范围和信号强度，包括但不限于窄带滤波片、带通滤光片、偏振光学器件和光衰减片，可调光阑用以控制入射光信号强度、抑制杂散光及调整成像景深。
35.光谱分析探测器4采集的光谱信息及使用的光学元件参数信息将与第一光学成像模块41产生的数据同步传输至信号处理系统。
36.所述信息处理系统包括控制部分、信息处理部分和数据库部分，所述信息处理系统能够同步控制光源模块、样品台、第一和第二光学成像模块和光谱分析探测器，并同步采集它们获取的信息进行综合分析处理。
37.所述的信息处理系统包含有相关数据库，数据库信息包括仪器相关参数及操作规程、标准光谱及图像信息、标准样品分析测试结果信息、样品分析测试信息及综合分析结果信息。
38.信息处理系统还具有数据库，能够借助数据库信息进行光谱和图像的比对，分析测量过程中的信号差异。
39.进一步的，在样品20的侧面设置有第二光学成像模块40，所述第二光学成像模块40包括不同放大倍率的光学镜头及成像探测器，用于探测深紫外激光和可见光在样品中的传输信息，其光谱响应范围从深紫外激光频率到可见光区域。
40.具体而言，第二光学成像模块40相当于侧视光路，能够监测光在材料中的传输，如果光路上有区域产生散射或激发光谱，通过它，能够快速的确定。
41.因此，第一光学成像模块41通过聚焦可以进行分层扫描第二光学成像模块40延侧视方向进行成像观测。第二光学成像模块40能够通过辅助光或者紫外光快速的发现缺陷位置，而后让第一光学成像模块41移动到该缺陷位置，进行分层扫描，从而检测速度更快，效
率更高。
42.光学镜头前可放置可调光阑及可更换的滤光器件，可调光阑用以控制入射光信号强度、抑制杂散光及调整成像景深，滤光器件用于控制进入光学成像模块的信号光的频谱范围和信号强度，包括窄带滤波片、带通滤光片、偏振光学器件和光衰减片中的一个或多个，成像探测器具备高分辨率光学成像能力，采集到的图像信息及相关光学器件参数将综合传送至信息处理系统。
43.进一步的，本发明的光学分析仪器的典型工作流程如下：1）仪器自校准；2）标准样品数据采集或由数据库设定参考标准值；3）样品扫描分析及自动对比；4）区域精细扫描及自动对比；5）测试结果输出。
44.一种典型的光学玻璃材料分析过程：1）仪器自校准：仪器启动，预热一定时间后进行光谱、光束质量和光强检定。控制光开关使深紫外激光器11输出深紫外激光，辅助光源10无光输出，使用标准平面反射样品置于深紫外激光照射下，利用第一光学成像模块41检测深紫外激光器11发射的激光光束的光强及能量分布，记录光谱分析探测器4中的各个探测器42的光信号，记录相关的信号强度或光束质量；控制光开关使辅助光源10输出辅助光，深紫外激光器11无深紫外激光输出，移除标准平面反射样品，利用第一光学成像模块41检测辅助光源10发射的辅助光的光束质量、光强及能量分布，光谱分析探测器4中的各个探测器42采集输入的光信号，记录相关的信号强度或光束质量；检视第二光学成像模块40，此时无光信号输入。
45.2）标准样品数据采集或由数据库设定参考标准值：以高质量深紫外熔融石英玻璃作为标准样品，标准样品上、下光学通光面均经过光学抛光，其中一个侧面也经过抛光；以平均功率》10mw的266nm深紫外激光266nm深紫外激光作为激发光源，以平均功率》10mw的532nm激光作为辅助光源，光束为近圆光斑，光斑直径约为1mm；以266nm深紫外激光、532nm激光分别照射标准样品同一位置，第二光学成像模块40上仅能采集到微弱的光路图像，其成像探测器每一像素上的光强均匀，第一光学成像模块41的成像探测器每一像素上的信号与步骤1中的信号进行比对，由于样品中无明显光散射或不均匀现象，信号变化规律，光谱分析探测器4中仅使用对532nm激光响应的探测器42，能够采集输入的光信号强度及能量分布，与步骤1中的信号进行比对，信号变化规律，无特征吸收或光谱发射信号；以266nm深紫外激光和532nm激光同时照射标准样品同一位置，第二光学成像模块40从侧面记录光在样品中的传输，成像探测器各像素上光强均匀，第一光学成像模块41记录光信号的强度及能量分布，光谱分析探测器4中的探测器42采集输入的532nm激光信号，与标准样品在532nm激光单独照射下的信号进行对比。
46.3）样品扫描分析及自动对比：样品为待测量的光学石英玻璃，上、下通光面经过抛光，一个侧面也经过抛光；样品置于样品台上，以一定速率及方向平稳移动；以266nm深紫外激光和532nm激光同时照射标准样品同一位置，光学成像模块40从侧面记录光在样品中的传输，第一光学成像模块41记录光信号的强度及能量分布，光谱分析探测器4中的探测器42采集输入的532nm激光信号，三者信号同步传送到信息处理系统，与步骤2的信号进行比对，
若信号差异在一定范围之内时，认为为待测量的光学石英玻璃与高质量深紫外熔融石英的光学品质近似。若266nm深紫外激光和532nm激光通过待测量的光学石英玻璃，光学成像模块40采集到的光路信号强度升高或各像素上的光信号强度分布不均、第一光学成像模块41采集到的光学信号产生畸变、光谱分析探测器4中的探测器42采集到的532nm激光信号不规律变化或畸变等等，则待测量的光学石英玻璃达不到高质量深紫外熔融石英的光学品质要求。
47.4）区域精细扫描及自动对比：通过步骤3可以对测量样品的整体情况有着整体上的了解，有些样品的缺陷是均匀分散在整体中的，有些样品是极小区域中存在缺陷，在使用中可以选择性避开的，此时区域精细扫描是必要的。通过样品台精确定位功能，能够对样品同一区域重复检测。
48.①
.光学石英玻璃，上、下通光面经过抛光，一个侧面也经过抛光；以266nm深紫外激光和532nm激光同时照射，第一光学成像模块41和光谱分析探测器4采集到的光学信号均有畸变，但光谱分析探测器4中的探测器42采集到的532nm激光信号强度变化正常，结合光学成像模块40采集到的光路中某一点的信号畸变，可以确定该区域存在气泡。
49.②
.bgo晶体，上、下通光面经过抛光，一个侧面也经过抛光；以266nm深紫外激光和532nm激光同时照射，第二光学成像模块40、第一光学成像模块41和光谱分析探测器4均显示光学信号有畸变，光谱分析探测器4中的探测器42采集到的532nm激光信号强度明显衰减，改变成像模块40、第一光学成像模块41中光学镜头放大倍率进行精细检测，可以观察到光折变现象。
50.③
.caf2晶体，上、下通光面经过抛光，使用532nm激光单独照射，光学成像模块40、第一光学成像模块41和光谱分析探测器4探测到的光信号在正常范围；以266nm深紫外激光和532nm激光同时照射，光谱分析探测器4中的探测器42采集到的532nm激光信号产生变化，检测发现色心存在。
51.5）测试结果输出：依照数据库的比对给出测试结果，并进行存储，按照流程给出测量样品的整体评价。
52.本发明具有如下优点：1）以深紫外激光作为激发光源，结合辅助光源照射样品，通过分析样品在深紫外激光激发下的光学吸收系数变化、折射率变化、双光子吸收等现象，可以自动快速检测光学材料及光学器件的质量；2）通过光谱检测和图像分析结合，能够通过扫描检测精确定位光学材料及光学器件的缺陷存在区域，对光学材料的缺陷类型进行判定，分析光学材料的成分均匀性；3）通过深紫外激光和辅助光源的协同检测，能够更为精细地检测光学器件的加工质量；4）智能化比对技术结合数据库可以高效自动完成光学材料和光学器件的品质分析。
53.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。