申请/专利权人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心

申请日：2018-03-29

公开（公告）日：2024-03-19

公开（公告）号：CN108490598B

主分类号：G02B21/06

分类号：G02B21/06;G02B21/36;G01M11/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.19#授权;2018.09.28#实质审查的生效;2018.09.04#公开

摘要：本申请提供一种光学元件体散射缺陷探测装置，光学元件为长方体结构，包括多个光束照射面；光学元件体散射缺陷探测装置包括光源、三维平移台、分光单元、照明系统及成像系统，光源用于发出光束L0；三维平移台用于承载和平移光学元件；分光单元用于将光束L0分为两束光束；照明系统用于将两束光束分为多束光束后垂直入射多个光束照射面，以形成多光束交叠照明区域；成像系统用于对多光束交叠照明区域进行成像。本申请提供的光学材料体散射缺陷探测装置及探测方法可实现对体缺陷多角度照明，从而获得材料体内大部分缺陷的清晰成像，对于判断材料质量具有重要参考价值。

主权项：1.一种光学元件体散射缺陷探测装置，其特征在于，所述光学元件为长方体结构，包括多个光束照射面；所述光学元件体散射缺陷探测装置包括：三维平移台，用于承载和平移所述光学元件；光源，用于发出光束L0；分光单元，用于将所述光束L0分为两束光束；所述分光单元包括在所述光束L0的光路上依次设置的14波片和半反半透镜；照明系统，用于将所述两束光束分为多束光束后垂直入射所述多个光束照射面，以形成多光束交叠照明区域；所述照明系统包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜以及第四反射镜，所述第一反射镜用于将所述两束光束中的一束反射并垂直入射至所述光束照射面；所述第三反射镜用于将所述两束光束中的另一束反射并垂直入射至另一所述光束照射面；所述第一反射镜的中心和所述第二反射镜的中心的连线与所述光束照射面垂直；所述第三反射镜的中心和所述第四反射镜的中心的连线与另一所述光束照射面垂直；所述第二反射镜和所述第四反射镜为零度全反镜，以及成像系统，用于对所述多光束交叠照明区域进行成像；所述光学元件体散射缺陷探测装置还包括沿所述光束L0的光路依次设置的12波片及偏振分光棱镜。

全文数据：一种光学元件体散射缺陷探测装置及探测方法技术领域[0001]本申请涉及光学检测领域，尤其涉及一种光学元件体散射缺陷探测装置及探测方法D背景技术[0002]许多光学材料如晶体、熔炼石英等，体内或多或少的含有各种结构缺陷，结构缺陷的存在会对光学元件的光传输及损伤性能造成很大影响，因此，在元件上架使用之前对元件体缺陷的检测就显得至关重要。元件中的结构缺陷会对入射光形成散射，利用这一点可以对其进行探测，根据散射探测结果可以确定元件内结构缺陷的尺度、密度及分布情况。散射缺陷表征结果对于评价材料质量，光学元件选材等都具有重要参考价值。[0003]结构缺陷的形状不是规则的，其边界一般是由不同大小、取向的表面组成，每个结构缺陷对入射光的散射其实是结构缺陷各个表面对入射光反射的和。由于材料内部结构缺陷大小不一、形状各异，每个缺陷都可能包括多个不同取向、不同面积大小的反射面，因此结构缺陷的散射是存在优势方向的，这就存在从某个角度照明“看不到”某些缺陷的可能，大量的实验结果证明，这种情况是普遍存在的，也就是说单一照明方向会导致很多缺陷漏检，有必要从多角度照明，以实现对体散射缺陷较为全面的探测。发明内容[0004]鉴于上述情况，本申请提出一种光学元件体散射缺陷探测装置及探测方法，以解决从单一角度照明导致的缺陷漏检问题。[0005]第一方面，本申请提供一种光学元件体散射缺陷探测装置，光学元件为长方体结构，包括多个光束照射面;光学元件体散射缺陷探测装置包括光源、三维平移台、分光单元、照明系统及成像系统，光源用于发出光束L0;三维平移台用于承载和平移光学元件;分光单元用于将光束L0分为两束光束;照明系统用于将两束光束分为多束光束后垂直入射多个光束照射面，以形成多光束交叠照明区域;成像系统用于对多光束交叠照明区域进行成像。[0006]在一种实施方式中，照明系统包括多个反射镜，多个反射镜对应多个光束照射面设置。[0007]在一种实施方式中，光学元件体散射缺陷探测装置还包括沿光束L0的光路依次设置的12波片及偏振分光棱镜。[000S]在一种实施方式中，分光单元包括在光束L0的光路上依次设置的14波片和半反半透镜。[0009]在一种实施方式中，光源为激光器。[0010]在一种实施方式中，光束的光斑为方形光斑。[0011]在一种实施方式中，光学元件体散射缺陷探测装置还包括整形单元，用于将光束整形为具有预设强度分布的光束，整形单元位于光源的出光处。[0012]在一种实施方式中，光学元件体散射缺陷探测装置还包括吸收陷阱，吸收陷阱位于多个光束的返回光路。[0013]第二方面，本申请提供一种采用如前提供的光学元件体散射缺陷探测装置的缺陷探测方法，包括:将光学元件置于三维平移台上;打开光源，从多个方向向光学元件的内部散射缺陷进行照射;拍摄光学元件的内部照明区域;将三维平移台逐一移动预设的单位距离，重复上一个拍摄步骤，直至光学元件的内部全部被照射及拍摄完毕。[0014]在一种实施方式中，将光学元件置于三维平移台上之前，先对多个光束照射面进行抛光或者将光学元件置于装有折射率匹配液的容器中。[0015]相较于现有技术，本申请提供的光学材料体（内）散射缺陷探测装置及探测方法可实现对体缺陷多角度照明，从而获得材料体内大部分缺陷的清晰成像，对于判断材料质量具有重要参考价值。'[0016]本申请的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。附图说明[0017]为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0018]图1是本申请第一实施例提供的光学元件体散射缺陷探测装置的结构示意图。[0019]图2是本申请第二实施例提供的光学元件体散射缺陷探测方法的流程图。具体实施方式[0020]为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。[0021]请参阅图1，本申请第一实施例提供的一种光学元件体散射缺陷探测装置100用于探测光学元件200的内部缺陷。[0022]在本实施例中，光学元件2〇〇为长方体结构，在图示X-Y-Z方向中，光学元件200具有正面201、背面2〇2、第一面203、第二面204、第三面2〇5、第四面206。正面201朝向Z轴正向，背面2〇2朝向Z轴负向，第一面203朝向X轴负向，第二面204朝向X轴正向，第三面205朝向Y轴正向，第四面206朝向Y轴负向，其中，第一面至第四面203〜206为光束照射面。[0023]光学元件体散射缺陷探测装置100包括光源10、三维平移台（图未示）、照明系统40、分光单元50以及成像系统70。[0024]光源10输出光束L0,光束L0的光斑为方形时能提高照明均匀性。光源10可以是激光器，光束L0为激光。[0025]进一步地，光学元件体散射缺陷探测装置100还包括整形单元20。整形单元20用于整形光束L0,将光束L0的强度分布改变成具有预设强度分布的光束。整形单元20可以是非球面透镜组整形单元、微透镜阵列整形单元、衍射光学元件、双折射透镜组、液晶空间光调制器等。在本实施例中，整形单元20可以用于将原本强度为高斯分布的激光束L0整形为光斑为方形的强度均匀的激光束。整形单元20可以位于光源10的出光口。[0026]进一步地，光学元件体散射缺陷探测装置1〇〇还包括能量调节单元30，用于调节光束L0的陡里。在本头施例中，能量调节单兀30包括12波片31和偏振分光棱镜polarizedbeamsplitter，缩写为PBS32,以形成偏振光。[0027]12波片31和偏振分光棱镜32的组合可以实现能量调节，其中，偏振分光棱镜32具有入光面321、第一出光面322以及第二出光面323。入光面321为光束L0的入射面。第一出光面322是透射光的出光面，第二出光面323是反射光的出光面。第一出光面322和入光面321平行，第二出光面323位于入光面321和第一出光面322之间并与入光面321、第一出光面322垂直。[0028]自偏振分光镜32透射的光为P偏振光，反射的光为S偏振光。为了防止反射光束影响其他光学元件造成伤害，光学元件体散射缺陷探测装置100还设有吸收陷阱60,位于多个光束例如下文述及的L12和L22的返回光路以吸收无用的光能。在本实施例中，吸收陷阱60正对着偏振分光棱镜：32的第二出光面323,用于吸收S偏振光。吸收陷阱60是由吸收型中性密度滤光片和陶瓷挡光片组成能量吸收装置。[0029]在偏振分光棱镜32的折射光出光侧第一出光面322设置分光单元50,用于将光束L0分为两束。[0030]在本实施例中，为了使由偏振分光棱镜32出射的P偏振光能分为能量相等的两束光，分光单元50包括14波片51和半反半透镜52,这样，透射的P偏振光经过14波片51后变为圆偏光，圆偏光经过半反半透镜52后，被平分为能量相等的两束光L1和L2。光束L1透射出半反半透镜52,光束L2反射出半反半透镜52。[0031]在其他实施方式中，也可以使用反射出来的S偏振光进行照明（即在偏振分光棱镜32的反射光的出光侧设置14波片51和半反半透镜52，而将P偏振光收入吸收陷阱60。[0032]照明系统40用于从多个角度照射样品内部，为实现多角度照明目的，照明系统40共设置四个反射镜，分别是第一反射镜41、第二反射镜42、第三反射镜43以及第四反射镜44,对应多个光束照射面第一面至第四面设置。[0033]第一反射镜41和第一面203以及光束L1均成45度夹角放置，用于将光束L1反射为光束LI1并垂直入射至第一面203，然后继续穿过光学元件200的内部;第二反射镜42位于第二面204—侧，并且第二反射镜42的反射面与第二面204平行，第二反射镜42的位置和第一反射镜41的位置基本对应，或者说第二反射镜42的中心和第一反射镜41的中心的连线与第一面203、第二面2〇4垂直，这样的第二反射镜42为零度全反镜，S卩，可使光束L11在经过光学元件200内部以后，垂直入射至第二反射镜42，然后被第二反射镜42垂直反射形成光束L12，再原路返回至偏振分光棱镜32。[0034]光束L2经过第一辅助反射镜81和第二辅助反射镜82入射至位于第三面205的第三反射镜43。第一辅助反射镜81和第二辅助反射镜82的放置角度以及两者间距根据需要设置，以使光束L2入射到第三反射镜43。[0035]第三反射镜43位于第三面205—侧，并和第三面205成45度夹角放置，用于将光束L2反射为L21并垂直反射至第三面205，然后继续穿过光学元件200的内部;第四反射镜44位于第四面206—侧，并且第四反射镜44的反射面与第四面206平行，第四反射镜44的位置和第三反射镜43的位置基本对应，或者说第四反射镜44的中心和第三反射镜43的中心连线与第三面2〇5、第四面2〇6垂直，这样的第四反射镜44为零度全反镜，即，可使光束L21在经过光学元件2〇0内部以后，垂直入射第四反射镜44,然后被第四反射镜44垂直反射形成光束L22，再反射回第三反射镜43。[0036]这样，光束L0先被分为光束L1和光束L2,然后被照明系统40分为光束L11、L12、L21和L22这四束照明光，且这四束照明光均垂直于光学元件200的第一面至第四面203〜206入射，从而实现了对光学元件200内部的多角度照明的目的，从而便于获得光学元件200内的缺陷的清晰成像。[0037]由于是对第一面至第四面（203〜206进行照明，为了提高照明光束的透过率，可以先对光学元件200的第一面至第四面203〜206进行打磨抛光。[0038]在其他实施例中，如果光学元件200的表面没有抛光，可以通过使用折射率匹配液增透，也可以实现对光学元件200的有效照明，即未经抛光的光学元件也可以进行测量。当使用折射率匹配液时，需要先将光学元件200置于装有折射率匹配液的容器中。[0039]原路返回的光束L12和光束L22再次经过14波片51后，变成S偏振光，从偏振分光棱镜32的第一出光面322入射，然后被偏振分光棱镜32反射至吸收陷阱60。[0040]请参阅图2,进行探测时，本申请第二实施例采用本申请第一实施例提供的装置，进行以下步骤:S1，将光学元件置于三维平移台上;S2,打开光源，从多个方向向光学元件的内部散射缺陷进行照射;S3，拍摄光学元件的内部照明区域;S4，将三维平移台逐一移动预设的单位距离，重复上一个拍摄步骤，直至光学元件的内部全部被照射及拍摄完毕。[0041]具体地，先将光学元件200放置在三维平移台（图未示上，成像系统70对L11、L12、L21、L22这四束光的交叠区域进行成像，成像分辨率取决于成像系统70的分辨率，在本实施例中，可以选择高分辨率光学成像系统。成像系统70的位置可根据实际的拍照对象位置进行调节。对一个多束光交叠区域成像完毕后，在X、Y、Z方向移动光学元件200。移动时，先沿着XYZ任意一个方向移动一个单位距离单位距离的数值根据实际情况而定），例如，先沿着X方向移动一个单位距离，而Y方向和Z方向保持不动，当光学元件200在X方向上全部移动完成之后，开始在Y方向上移动，当光学元件200在Y方向上全部移动完成之后，开始在Z方向上移动，直至在Z方向上移动完毕，这样的移动可以保证光学元件200的每个单位体积都被四束光交叠照射，都被成像系统70拍照，从而完成光学元件200内通光区域的探测。必要时，可以接下来通过图像拼接等手段对采集到的图像进行拼接，来获得完整的体内散射缺陷分布三维图像。[0042]在本实施例中，通过从四个方向对光学元件200的内部散射缺陷进行照明，使得光学元件200内部的大部分以至绝大部分结构缺陷都能够有优势反射方面反射激光，保证了散射信号强度，大大减少漏检率。[0043]本申请提供的光学元件体散射缺陷探测装置100的照明激光相对于光学元件200的四个面均为垂直入射，比起多束激光斜入射光学元件的照明模式而言，更适用于对光学元件通光区域的大面积扫描。这是因为，如果是斜入射情况，当光学元件移动至边缘接受光照的位置时，部分斜入射光束会收到光学元件边角的强烈反射，不仅影响成像，严重时还会打坏成像系统7〇的成像元件例如电荷耦合元件Charge-coupledDevice,缩写为CCD;而侧边垂直入射的方法，完全可以避免上述情况。另外，垂直入射激光不会在光学元件内部发生折射，所以保证了光学元件在移动过程中光束交叠位置不改变，减少了探测装置中的变里，仪觉T尔动：I迅愤驶彳干、袄彳干）乃丨Cl早。_4]纟壯，神i冑提細光学群I•体⑻散繼陷㈣_Sl峨侧方体缺陷多角度照明，从而获得材料体内大部分缺陷的清晰成像，对于判断材料质量具有重要参考价值。''[0045]以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

权利要求：1.一种光学元件体散射缺陷探测装置，其特征在于，所述光学元件为长方体结构，包括多个光束照射面;所述光学元件体散射缺陷探测装置包括：三维平移台，用于承载和平移所述光学元件；光源，用于发出光束L0;分光单元，用于将所述光束L0分为两束光束；照明系统，用于将所述两束光束分为多束光束后垂直入射所述多个光束照射面，以形成多光束交叠照明区域;以及成像系统，用于对所述多光束交叠照明区域进行成像。2.如权利要求1所述的光学元件体散射缺陷探测装置，其特征在于，所述照明系统包括多个反射镜，所述多个反射镜对应所述多个光束照射面设置。3.如权利要求1所述的光学元件体散射缺陷探测装置，其特征在于，所述光学元件体散射缺陷探测装置还包括沿所述光束L0的光路依次设置的12波片及偏振分光棱镜。4.如权利要求1所述的光学元件体散射缺陷探测装置，其特征在于，所述分光单元包括在所述光束L0的光路上依次设置的14波片和半反半透镜。5.如权利要求1所述的光学元件体散射缺陷探测装置，其特征在于，所述光源为激光〇6.如权利要求1所述的光学元件体散射缺陷探测装置，其特征在于，所述光束的光斑为方形光斑。7.如权利要求1所述的光学元件体散射缺陷探测装置，其特征在于，所述光学元件体散射缺陷探测装置还包括整形单元，用于将所述光束整形为具有预设强度分布的光束，所述整形单元位于所述光源的出光处。8.如权利要求1所述的光学元件体散射缺陷探测装置，其特征在于，所述光学元件体散射缺陷探测装置还包括吸收陷阱，所述吸收陷阱位于所述多个光束的返回光路。9.一种采用如权利要求1所述的光学元件体散射缺陷探测装置的探测方法，其特征在于，包括：将所述光学元件置于所述三维平移台上；打开所述光源，从多个方向向所述光学元件的内部散射缺陷进行照射；拍摄所述光学元件的内部照明区域;以及将所述三维平移台逐一移动预设的单位距离，重复上一个拍摄步骤，直至所述光学元件的内部全部被照射及拍摄完毕。10.如权利要求9所述的光学元件体散射缺陷探测方法，其特征在于;将所述光学元件置于所述三维平移台之前，先对所述多个光束照射面进行抛光或者将所述光学元件置于装有折射率匹配液的容器中。

百度查询： 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种光学元件体散射缺陷探测装置及探测方法

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