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自动表面光学疵病检测基本原理及产品介绍

      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。
 
a.划痕 b.麻点
c.擦痕 d.破边

图1 表面缺陷类型
 

      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。

图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。

左. 表面无疵病光路示意图

 右. 表面有疵病光路示意图

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 Fiber Cable QBH端面缺陷检测系统

◀ ARGOS 2 光学元件表面疵病检测系统

图4 ARGOS2光学元件表面质量检测仪

     
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
     

a. 麻点             

   b. 长划痕 

c. 密集缺陷

 d. 崩边

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

表1 ARGOS2主要参数

了解更多产品使用信息：ARGOS 2 光学元件自动表面缺陷检测视频

 

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