王貴林，朱俊輝，李嘉祥，李治斌

(湖南航天環(huán)宇通信科技股份有限公司，湖南 長沙 410205)

引言

隨著現(xiàn)代光學技術和系統(tǒng)的發(fā)展，精密光學元件的應用范圍越來越廣，面形誤差、粗糙度、表面疵病是其三大檢驗項目。表面疵病是在加工和使用過程中形成的離散局部微觀結構，將會造成光線雜亂性散射，導致光學元件甚至整個系統(tǒng)受到影響[1-2]。

例如在強激光系統(tǒng)中，表面疵病將對高能入射光形成散射，引起能量吸收不均勻，進而造成光學元件損壞[3]。在美國LLNL實驗室開發(fā)的國家點火裝置中，大口徑精密光學元件工作在接近材料激光損傷閾值的條件下，往往一個或幾個較大的疵病就嚴重影響整個系統(tǒng)的運行。對紅外夜視、微光成像與探測系統(tǒng)而言，表面疵病對入射的微弱光線造成散射，降低了系統(tǒng)信噪比[4]。

表面疵病主要包括局部表面缺陷、劃痕和破邊，既不同于面形誤差的宏觀分布，也不同于表面粗糙度的均勻微觀分布，而是在整個光學表面上隨機分布、離散的微觀幾何特征[5-6]，橫向尺寸在微米量級，分布在分米甚至米級的光學表面內(nèi)，圖1所示為細長型劃痕。

圖1 表面疵病中劃痕的表現(xiàn)形式Fig.1 Form of scratch in surface defects

對于光學元件表面疵病的檢測，目視法、濾波成像法、全積分散射法、掃描頻譜法等適于小區(qū)域疵病的定性檢測和統(tǒng)計分析[7]，干涉法的數(shù)據(jù)量大且冗余、處理過程復雜[8]，采用光學輪廓儀、掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡進行檢測時不能區(qū)分表面疵病和正常的加工紋理[9-10]。因此，這些方法均無法實現(xiàn)大型光學表面的定量和快速檢測。

根據(jù)ISO 10110-7: 2008(E)、GB/T 1185-2006疵病標準和ICF工程標準，最有利于定量評價且與工程標準相符的是散射暗場成像法[3,11]。但目前散射暗場成像均采用離線方式檢測光學元件的表面疵病，不滿足要求時則裝回機床修正加工，這將導致二次安裝誤差、降低加工效率。如果采用在位檢測方法，則可以解決離線檢測中非加工時間長、多次裝夾引起的定位誤差等問題，還能使檢測過程在生產(chǎn)現(xiàn)場進行，易于實現(xiàn)自動化。

表面疵病的覆蓋范圍雖然比較小，但對整個光學系統(tǒng)的性能影響卻很大，破壞力非常強。本文以數(shù)控光學加工機床作為運動平臺，采用散射暗場成像的方法，設計多光束均勻照明系統(tǒng)，研究表面疵病微細特征的識別方法，實現(xiàn)大口徑光學表面疵病的在位檢測與評價。

1 在位檢測系統(tǒng)設計

表面疵病檢測基于暗場散射成像原理，如圖2所示。準直平行光斜入射到光學元件的疵病區(qū)域時，由于特殊的局部微觀結構，入射光將在一個相對較寬的角度范圍內(nèi)散射，成為二次光源；成像透鏡收集一定孔徑范圍內(nèi)的散射光，而將光滑表面的反射光排除在孔徑角范圍外，就能夠在CCD感光面上得到暗背景下的疵病亮像。

圖2 表面疵病暗場散射成像Fig.2 Scattering imaging of surface defects in dark field

根據(jù)疵病檢測原理，要求照明系統(tǒng)的出射光束準直性很好、光學表面上照明光斑具有合適的照度，并且滿足均勻性指標。系統(tǒng)所選鏡頭的放大倍數(shù)為0.52×～6.5×，成像視場的直徑應在Φ11 mm以上，此時能夠完全覆蓋CCD感光面。

光學元件表面疵病在位檢測系統(tǒng)的設計結構如圖3所示，主要由照明系統(tǒng)、散射成像系統(tǒng)、運動平臺和圖像處理系統(tǒng)等4個單元組成。照明系統(tǒng)需保證出射光束的準直度、光斑的照度和均勻性達到指標要求；散射成像系統(tǒng)檢測疵病所成的圖像，并且保證光滑區(qū)域的反射光線不會進入系統(tǒng)內(nèi)；運動平臺需要滿足大口徑光學元件表面疵病在位檢測的精度；圖像處理系統(tǒng)實現(xiàn)對疵病圖像的正確識別。

采用模塊化設計方法，將表面疵病在位檢測系統(tǒng)作為獨立模塊安裝在光學加工機床上。對光學表面進行分區(qū)域檢測，散射成像系統(tǒng)獲取子孔徑圖像后，通過機床的逐次掃描運動完成整個表面的快速在位檢測，并將分區(qū)圖像拼接、識別和評價后得到光學元件表面疵病的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖3 表面疵病在位檢測系統(tǒng)結構Fig.3 Structure diagram of on-machine detection system for surface defects

2 均勻照明系統(tǒng)設計

由于表面疵病在光學元件上隨機分布，為保證所有疵病檢測的成像對比度相同，采用環(huán)形排布的LED光源，通過對13束平行光進行光照均勻性設計，保證被測區(qū)域內(nèi)的亮度盡量一致。

2.1 柯拉照明光源設計

采用柯拉照明結構設計出射光束，優(yōu)化聚光鏡和前置透鏡的曲率半徑、厚度、通光孔徑、物距、像距等參數(shù)[12]，圖4為柯拉光源設計的鏡筒結構，圖5為單光束在Zemax非序列照明中的三維追跡仿真圖。

圖4 柯拉光源的鏡筒結構Fig.4 Structure of lens column for Cora light source

圖5 單光束Zemax非序列照明三維追跡圖Fig.5 3D tracing map of single-beam Zemax non-sequential illumination

圖6為接收面上成像光斑的照度，單束光照射時光斑在直徑Φ6 mm范圍內(nèi)的均勻性超過70%；在Φ6 mm之外光強不均勻，沒有達到成像視場的范圍要求。聚光鏡孔徑為12 mm，光束發(fā)散角約為0.01 rad，滿足準直性要求。

圖6 單光束成像的光斑照度Fig.6 Spot illumination of single-beam imaging

2.2 多光束光照均勻性設計

均勻照明系統(tǒng)采用多光束設計，以保證對任意方向分布的疵病都能夠近直角入射，滿足被測表面光照均衡、全方位成像等要求。單束柯拉光源難以實現(xiàn)，因此通過對多束光源進行分布設計以達到更均勻的照明效果。

圖7所示為13束柯拉光源經(jīng)過優(yōu)化設計后在照明面上的光照分布，照明光斑在Φ12 mm范圍內(nèi)均勻性達到70%以上，超過成像視場的直徑Φ11 mm，并且滿足照度要求。

圖7 采用13束柯拉光源得到的光照分布Fig.7 Illumination distribution of Cora light sources with 13 beams

3 疵病圖像的處理與評價

散射成像系統(tǒng)采集的圖像中，表面疵病表現(xiàn)為灰度的異常，由于受到干擾而含有噪聲，主要原因包括光照不均勻的影響、傳輸中的信道誤差以及數(shù)字化過程的量化噪聲等，這給圖像處理和識別帶來了困難[13]，需要進行去光照、增強對比度、去噪和閾值分割等預處理。針對處理后的二值化圖像進行特征提取，根據(jù)評價參數(shù)進行疵病分類，最后完成疵病的識別與統(tǒng)計。

為了同時保證疵病圖像的高保真度和動態(tài)壓縮范圍，采用MSR(多尺度Retinex)算法對疵病圖像進行對比度增強[14]：

log[Gn(x,y)*Si(x,y)]}

(1)

式中：RMi為MSR在第i個圖像空間的輸出；N為尺度個數(shù)；wn為對應于某尺度的權值；Si為對應第i個圖像空間的分布；Gn為對應權值的高斯卷積函數(shù)。

在預處理算法中，平滑濾波是去除不屬于疵病的噪聲?；叶染€性變換是將疵病特征與背景分離開，通過增強對比度來有效提取目標特征圖像。圖像分解/二值化采用最優(yōu)閾值搜尋法，當背景與疵病目標的概率密度分別為ρb、ρc時，計算出分解誤差概率最小的最優(yōu)閾值T：

(2)

式中：μb、μc為背景和目標的平均光照度；σ為噪聲的標準偏差。

通過設定閾值T將灰度圖像分成目標和背景兩個領域，目標區(qū)域內(nèi)像素點的灰度值為1，背景區(qū)域內(nèi)像素點的灰度值為0，圖8為某受損光學表面進行閾值分割后的二值化圖像。

圖8 某表面閾值分割后的圖像Fig.8 Segmented image with a surface threshold

相對于整個光學表面，疵病的分布區(qū)域比較小，麻點、劃痕和灰塵之間的特征差異不大，根據(jù)疵病的形狀因子和區(qū)域填充度進行分類評定。其中，區(qū)域填充度是單個疵病所占面積與外接矩形面積的比值；如果單個疵病的面積為S、周長為P，則其形狀因子M為

(3)

根據(jù)表1所示的疵病類別評定值[15]，可以看出劃痕和麻點的區(qū)域填充度區(qū)別不明顯，但麻點的形狀因子更大、外形較為飽和，見圖8所示。

表1 疵病類別評定表Table 1 Categories evaluation of surface defects

為了對疵病尺寸進行標定，取精密光學元件作為基底，在表面上加工一系列特定長度、寬度和深度的刻線來模擬劃痕類疵病，通過準確測試其幾何參數(shù)作為已知形貌特征的標準比對板。圖9為原子力顯微鏡測量已知劃痕的照片，圖10為所測5條劃痕的形貌特征，圖中上方為所測劃痕的三維形貌，下方為對應截線的幾何形狀，橫坐標表示劃痕寬度，縱坐標表示劃痕深度。根據(jù)測試結果，劃痕寬度在3.1 μm～11.8 μm之間，深度在40 nm～4 000 nm之間。采用表面疵病在位檢測系統(tǒng)對已知形貌的劃痕進行測試，精確擬合實際尺寸與成像尺寸，得到疵病的特征值。

對圖11所示的劃痕，表面疵病在位檢測系統(tǒng)測得微觀圖像后在CCD上存儲，通過分析軟件進行識別，得出劃痕的長度為6.01 mm，寬度為3.49 μm。真實長度為5.87 mm，原子力顯微鏡檢測的真實寬度為3.42 μm，對應的長度偏差為2.39%、寬度偏差為2.05%，均在可接受的范圍之內(nèi)，滿足疵病評價要求。

圖9 原子力顯微鏡檢測表面疵病Fig.9 Detection of surface defects by AFM

圖10 原子力顯微鏡檢測的5條劃痕特征Fig.10 Five scratches detected by AFM

圖11 在位檢測系統(tǒng)測得的某條劃痕Fig.11 Scratch detected by on-machine detection system

4 平面硅鏡疵病檢測實驗

測試對象為直徑Φ280 mm、經(jīng)過精密拋光的平面硅鏡，表面疵病在位檢測系統(tǒng)安裝在光學加工機床上，機床平面度滿足硅鏡的檢測要求，不需要通過傾斜臺進行水平調(diào)整。

測試過程中，調(diào)節(jié)顯微鏡的焦距找到合適的成像位置，并且滿足光照均勻性要求；通過數(shù)控運動平臺進行分區(qū)域檢測，獲得各個區(qū)域內(nèi)的疵病圖像，然后對圖像進行拼合、預處理，采用分析軟件實現(xiàn)疵病特征信息的識別與評價。

圖12(a)為表面疵病在位檢測系統(tǒng)對平面硅鏡進行測試的照片，圖12(b)為檢測后的拼接圖像，拼接后的整體尺寸為288 mm×294.8 mm，完全包含于Φ280 mm的硅鏡表面。

圖12 在位檢測系統(tǒng)測試硅鏡表面疵病Fig.12 Surface defects in silicon mirror detected by on-machine detection system

表2所示為Φ280 mm平面硅鏡光學加工表面的疵病識別結果，給出了劃痕、麻點、灰塵的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，滿足準確辨識要求。

表2 硅鏡疵病圖像的識別結果Table 2 Recognition result of defect images in silicon mirror

5 結論

現(xiàn)代光學系統(tǒng)對精密光學元件加工質(zhì)量的要求越來越嚴格，表面疵病是在加工和使用過程中產(chǎn)生的離散局部微觀結構，它對光學元件的影響集中并且破壞力強。目前的表面疵病檢測儀基本上針對平面或球面光學元件進行離線檢測，如果不滿足要求則裝回機床修正加工，這將導致二次安裝誤差、降低加工效率。

本文基于散射暗場成像方法，采用模塊化結構設計，將表面疵病在位檢測系統(tǒng)作為獨立模塊安裝在光學加工機床上，對大口徑光學元件進行分區(qū)域檢測，然后對各分區(qū)圖像進行拼接、識別和評價，標定結果表明疵病的寬度偏差為2.05%、長度偏差為2.39%，滿足指標要求；并在生產(chǎn)現(xiàn)場對Φ280 mm平面硅鏡進行了快速在位檢測，解決了離線檢測中非加工時間長與多次裝夾引起定位誤差等問題。