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联合光科 | 自动表面光学疵病检测基本原理及产品介绍
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2021-02-26 10:27:00来源: 中国机器视觉网

光学元件表面质量的评价标准主要有面型偏差、表面粗糙度及表面疵病三个方面。其中,表面疵病在光学元件表面随机分布,对局部位置破坏性强,会对光学系统造成严重影响,因此,光学元件表面疵病的检测非常重要。


光学表面疵病的产生

根据国际标准ISO10110-7所述,表面疵病是在光学表面的有效孔径内的局部缺陷,是由于制作流程中或后的不当处理造成的。表面疵病包括擦痕、麻点、斑点、破边等局部加工缺陷。

光学元件的加工目前最常用的是传统的光学冷加工技术,加工流程如图2所示,其核心工艺为精密环形抛光工艺,在研磨、抛光等加工过程中,抛光粉(通常采用ZrO2或CeO2)与表面接触形成的压应力,会产生划痕或者麻点,具体的疵病断裂形貌应由应力场决定,应力的分布取决于抛光粉、研磨材料等的特性。

2光学冷加工流程

光学表面疵病的危害


对于相机和望远镜等光学系统中的元件而言,过多的表面疵病会残留微小的灰尘、微生物、抛光粉等杂质,将造成元件被腐蚀、生霉、生雾,影响视场清洁。

对于激光等强光中使用的光学元件,由于机械作用力产生的疵病(划痕、麻点等)会引起激光波前畸变,影响光斑质量;更严重的是,疵病对于入射的强激光进行调制,会导致亚表面损伤,损伤处会进一步对激光场进行调制,形成更严重的损伤;且疵病产生的散射光被系统其他光学元件吸收,从而造成元件的受光不均匀,当达到光学元件材料的损伤阈值时,会损坏光学元件,形成恶性循环,最终可能会导致整个强激光系统的失败。

对于微光成像系统,如夜视探测领域,因表面疵病造成的系统杂散光变多,会使得系统信噪比严重下降,影响系统性能。

除了影响系统的性能外,表面疵病会直接的影响光学产品的外部美观,比如对于手机屏幕、电视屏幕、眼镜片等,从而直接影响到产品的销售。

为了避免不必要的损失,疵病的检测是非常重要的。

光学表面疵病的检测原理


表面疵病最传统的、最直接的检测方法是人工目检的方法,即操作人员在暗场照明环境下,利用裸眼或利用放大镜观测光学元件表面,由自身经验判断疵病的等级。人工目检的方法操作性和灵活性强,但容易受人为主观因素的影响,灵敏度较低,也无法量化疵病具体的尺寸,且长时间检测容易使人眼睛疲劳,降低检测效率。整体来说,目视法的检测效率很低,检测精度不稳定。

随着超精密光学技术的发展,球面/非球面光学元件的应用日益广泛,同时超精密光学元件表面疵病检测的要求也越来越高,光学表面疵病自动检测技术也随之发展。

图3散射法疵病检测原理图

目前针对光学元件表面疵病检测一种很常用的原理,是利用表面疵病对光的散射特性,当光学元件表面无疵病时,暗场环境中光学探头无法接收到光学信号,如图3所示。当光学元件表面有疵病时,平行光线照射到疵病会产生散射,有一部分光线进入光学探头内,实现表面疵病的检测。光学元件通过运动平台加持,对光学表面进行分区域检测,成像系统获取小区域图像后,通过运动平台的逐次扫描运动完成整个表面的快速检测,将分区扫描图像经过拼接、识别和评价后得到光学元件表面疵病的统计数据。


光学表面疵病的检测仪器

德国DIOPTIC公司ARGOS2光学元件表面质量检测仪,是一种设计用于自动分析透明和反射元件表面缺陷的系统,ARGOS2使用一台线扫描相机结合一个旋转台和高功率LED光源捕捉样品的高分辨率图像,按照ISO 10110-7 标准应用校准图像和处理算法识别和确认光学元件的表面缺陷。能显著减轻质检员费时、费力进行表面缺陷检验的工作,质检员可通过测试结果,给出生产线上的纠正错误,提高测试样品质量。

ARGOS 2 光学元件表面疵病检测系统

ARGOS Fiber Cable QBH端面缺陷检测系统

ARGOS2光学元件表面质量检测仪能够满足不同面型、多种表面疵病检测:

  • 平面、球面、非球面、柱面及其他复杂面型疵病检测

  • 光学元件内部缺陷(如气泡、杂质)检测

  • 光学元件表面缺陷(如划痕、边缘裂缝、镀膜孔)检测

  • 玻璃、金属、半导体等光滑表面检测

图5 ARGOS2分析典型缺陷类型

ARGOS2光学元件表面质量检测仪主要参数如表1,除此之外,可根据客户需求增加如下可选项:

  • 气流去除灰尘

  • 真空电动聚焦轴

  • 自动聚焦(圆形元件)

  • 2轴依次扫描

  • EDOF(扩展景深)

  • 自动上下料

1 ARGOS2主要参数



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