基于积分散射理论的光学疵病快速检测方法

材料内部疵病，另一类是表面疵病。材料内部疵病主要是未内部细纹、内含杂质、开口气泡等，表面疵病主要是表面长划痕、破边等现象，还有一部分是局部表面缺陷，就是在生产制造过程中、制造过程后以及使用后，因人为误操作，在光学表面有效孔径内形成的局部人为结构，如镀膜缺陷、麻点、擦痕、划痕、夹具印记、开口气泡等等。长度超过2mm的划痕属于长划痕表面疵病，日常检测即可发现。破边是指分布在元件周围、可能影响元件性能的局部人为结构，这类缺陷可能不在光学有效区域内，但也属于一种表面疵病。

本文提出的检测方法其依据是积分散射理论，积分散射法一般是用于检测超光滑光学表面粗糙度，在本方法中，主要是利用了积分散射法测量透射散射的形式，通过检测装置获取待测镜头的疵病透射散射光总能量，然后根据疵病散射光总能量与疵病总面积的关系判定疵病的严重程度，完成对镜头疵病的检测。

1 疵病检测方法与原理

目前主要根据疵病对光的散射特性有别于其周围表面对光的散射特性这一特点来检测疵病，该检测方法包括两种类型，一类是成像法[2]，另一类是散射能量分析法[3]。其中，成像法大致包括掠射法[6]、目视法[4]、滤波成像法[5]等。散射能量分析法包括散射光能量角分布分析法[7]、散射光能量积分分析法等等。

成像法是指针对精密光学元件表面进行成像检测表面疵病的方法。而成像检测的基础则在于目视检测。目视法这种传统方法目前在疵病检测领域被普遍应用。其检测原理是：用发散角经过一定约束的强光束照射被测光学元件表面，检测员迎着反射或透射光束（或者避开反射或透射方向）观察被测表面区域，如果该区域在亮背景下存在暗像，或者暗视下存在亮像，就说明该表面区域有疵病。目视法检测方法简单、检测环境要求低、检测仪器简单。但是严格来讲，目视法是基于经验的缺陷检测，检测员的主观判断对检测结果影响较大，不同的检测员往往会得到不同的检测结果，检测精度低，检测速度较慢，且长时间的工作会对人眼造成损伤。

滤波成像法主要由高/低通滤波成像法和自适应滤波成像法几个类型，检测原理是借助空间高通滤波器，使高频疵病散射光进入接收器，在光学表面形成疵病的亮相。或者借助空间低通滤波器，使低频疵病散射光进入接收器，在暗视下的光学表面形成疵病的暗像。如果亮相或暗像面积较大，就说明疵病较大，如果亮相或暗像面积较小，说明疵病较小。如果对图像进行处理，还可以得到更多的疵病信息。而自适应滤波成像法与高通滤波成像法类似，只是滤去的频谱不是固定的，而是根据反射或者透射光的具体频谱特征而变化的。滤波成像法，精度高，可以非常直观地反应出疵病的程度，甚至可以计算出疵病位置，检测速度较快，但它也存在一定的局限性，如果待检疵病系统过小，则它很难检测出来。

掠射法，是采用平行光斜射在被测元件表面，如果被照射表面区域完好，斜射的平行光被反射后会平行射出，如果被照射表面区域有疵病，则平行光产生的散射光进入光学成像系统（相机）成像，最后利用数字图像处理算法和识别算法对疵病图像进行一系列的处理，从而达到检测疵病的目的。掠射法的应用非常广泛和灵活，通过对检测系统装置的改进，可以达到很高的检测精度，但处理步骤多、算法复杂，检测速度较慢。

散射能量分析法，其基本原理是通过分析精密光学元件表面疵病散射光的散射角度和散射面积进行疵病诊断。该分析方法其实是通过疵病散射光能量积分对疵病进行量化判断，用具体数值来定义疵病的危害程度。目前常被提到的积分散射法，其原理是基于一个积分半球积分统计散射光的能量，再通过探测器所显示的数值来定义疵病的危害程度。在实际应用中，我们可以只对被测区域内某一角度的散射光进行积分，根据积分数值来定义疵病的级别。该积分检测系统结构设计简单，可实现针对单个疵病的快速检测，但也只能确定疵病的危害级别，至于表面疵病的类型和具体位置，并不能给出精确的判断。

散射光能量角分布分析法是量化分析疵病散射光在各个角度位置的能量值，基于这些数值得到散射光角度的曲线（或者曲面），通过对曲线（或曲面）具体形貌的分析来判断疵病的种类，评价疵病的危害程度。这种方法的优点在于，能够分辨出疵病的类型，而且可以对疵病的光散射特性做较为深入的研究。但是，此方法所使用的检测系统结构较为复杂，而且检测单个疵病需要花掉较长的时间，从而大大降低了疵病检测的速度。

通过对以上检测方法了解以及实际情况的考虑，最终选择以散射光能量积分为基本理论的检测方法[8]。

2 仪器结构及工作原理

仪器结构如图1所示，待测镜头是一个直径为5.8mm的透镜，积分球一端放置待测镜头，别一端为出光孔，两端口在积分球的同一直径上，从632.8nm激光器发出的准直光束经调制盘调制，聚焦系统后，形成照射点光源，点光源经过待测镜头成像于积分球后端口处（成像光斑尺寸必须小于开口尺寸），照射光照射到待测镜头疵病上时发生透射散射（这里不考虑镜头的背向散射），疵病散射光能量被积分球收集，光电探测器将疵病散射光信号转化成电信号送入锁相放大器，锁相放大器依据参考光，相关检测提取被测散光信号经放大输出，通过数据采集卡传送到计算机，这样就获取了单个镜头疵病散射光能量电压值。然后，用检测装置对若干合格样品和不合格样品进行检测，采集数据，建立疵病散射光能量电压值数据库，通过对数据的处理最终得出划分合格标准的电压阈值。

3 实验结果及分析

实验所用激光器为稳频稳功率，输出功率约为5mW，输出波长632.8nm的氦氖激光器。待测镜头为直径5.8mm的塑胶凸透镜。积分球涂层材料为硫酸钡，直径200mm，其开孔的总面积不超过积分球内壁总面积的10%。所选光电倍增管性能指标如表1所示。

锁相放大器性能结构原理如图2。

锁相放大器主要由信号通道、参考通道和相敏检波三个部分组成，如图2所示，信号通道对混有噪声的原始信号进行放大并对噪声作窄带滤波后输出信号Us；参考通道通过触发电路、倍频电路、移相电路和方波驱动电路产生一个与被测信号同频且相位可调的方波信号Ur；相敏检波由乘法器、积分器（低通滤波器）和DC放大器组成。输入信号与参考信号在相敏检波器中混频，经过低通滤波器后得到一个与输入信号幅度成比例的直流输出分量。此外，单个镜头的检测速度基本上保持在2～3s，符合要求的检测速度[9]。

分别选取10个合格镜头样品和10个不合格镜头样品进行检测，得到表2数据（疵病散射光能量电压值）。

通过数据对比和分析可知：检测电压值跟疵病散射光总能量的大小是成正比的，而散射光能量的大小在一定的范围内，跟疵病的总面积大小近似于正比关系，即在一定的范围内，检测电压值与疵病面积大小近似于正比关系，观察数据得知：检测电压值在1.6V以下的，可以划分为合格品，检测电压值在1.7V以上的，可以划分为不合格品，由此可以将电压阈值划为一个范围1.6～1.7V，即检测电压值小于1.6V的为合格品，大于1.7V的为不合格品，而介于两者之间则进行二次检测（如人工检测）。检测电压阈值不能确定为一个确定数值，是因为此方法并不能检测出疵病的具体类型和精确位置，不能直观地观测到疵病的单个情况，只能了解疵病散射光总能量的情况，所以存在一定的误差。

4 结论

根据积分散射理论设计了一种用于手机镜头疵病测量的积分散射装置，并用该系统对手机镜疵病进行了测量分析，验证了此方法的可行性，合理性。该方法具有快速、高灵敏度、无损的特点，可以为实际生产提供测量手段。另一方面，此方法对环境杂光、温度和湿度比较敏感，测量需在较暗洁净度较高，温度和湿度相对恒定的环境中进行。

参考文献：

[1]J.M.Bennett， Recent Developments in Surface Roughness Characterization， Eng.Opt，1993，6（1）：1-9.

[2]果宝智.光学零件表面疵病的表识[J].激光与红外，2000（2）：123-125.

[3]戴名奎，徐德衍.光学元件的疵病检验与研究现状[J].光学仪器，1996（3）：33-36.

[4]孙丹丹.精密表面缺陷特性及光学显微散射成像系统的研究[D].杭州：浙江大学，2006：29-30.

[5]艾克聪.微光成像系统的阈值探测理论和视距探测方程的研究[J].应用光学，1994，15（4）：20-28.

[6]戴名奎，徐德衍.光学元件的疵病检验与研究现状（续）[J].光学仪器，1996，18（4）：32-39.

[7]杨雨英，陆春华，梁蛟.光学元件表面缺陷的显微散射暗场成像及数字化评价系统[J].光学学报，2007，27（6）：1031-1038.

[8]沈卫星.相干滤波成像系统测量光学元件表面疵病[J].光学技术，2000（4）：361-365.

[9]陆春华.基于机器视觉的大口径精密表面疵病检测系统研究[D].杭州：浙江大学，2008：41-43.

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