(高清版)GBT 41805-2022 光学元件表面疵病定量检测方法 显微散射暗场成像法

光学元件表面疵病定量检测方法显微散射暗场成像法surface—Microscopicscatteringdark-fieldimaging2022-10-12发布I本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国机械工业联合会提出。本文件由全国光学和光子学标准化技术委员会(SAC/TC103)归口。本文件起草单位：浙江大学、杭州晶耐科光电技术有限公司、中国科学院大连化学物理研究所、中国工程物理研究院激光聚变研究中心、中国科学院上海光学精密机械研究所、中国兵器工业标准化研究所、江苏皇冠新材料科技有限公司、福建福特科光电股份有限公司。ⅡGB/T1185—2006是光学元件表面疵病目视法检测标准，其主要采用在强光或一定的光照条件下，利用比较标板人眼目视观察确定疵病尺度的方法。目视法的主观性强且重复性差，落后的检测方法已经严重制约现代科学研究及工业化在线检测的发展。本文件保留GB/T1185—2006对光学元件表面疵病的评定标准，提出显微散射暗场光学成像系统及数字化处理的定量评价方法，该标准的建立将为我国对各类精密光学元件在加工工艺、光学镀膜、工业化在线检测等各个环节提供有效的数字化定量检测方法。本文件介绍了光学元件显微散射暗场成像中的术语及定义，描述了环形照明光源及显微散射暗场成像系统组成的检测设备原理及搭建方法、试验条件、光学元件样品类型、图像采集、图像预处理、图像阈值分割、图像形态学处理、疵病分类、数字化定标方法、试验数据处理和检测报告形式，基本可适用于所有光学元件表面疵病的定量化检测。针对数字化的定量检测方法，在附录A中介绍了检测重复性与相对误差测量方法。针对大口径平面光学元件的检测，在附录B中介绍了利用显微散射暗场成像的子孔径的扫描拼接方法。在附录C中介绍了用于疵病尺度评价的比较标板的制作方法。为避免技术壁垒，本文件中只推荐并介绍平面光学元件表面疵病定量检测装置的布局，对检测装置如显微散射暗场光学成像系统、子孔径扫描所需的机械移导装置等具体结构类型不做限制，只要能满足显微散射暗场成像环境即可。1光学元件表面疵病定量检测方法显微散射暗场成像法1范围本文件描述了采用显微散射暗场成像法对光学元件表面疵病进行定量检测的检测原理、试验条件、本文件适用于平板类双面抛光光学元件表面疵病的长度、宽度、挡光面积以及疵病位置检测。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T1185—2006光学零件表面疵病3术语和定义GB/T1185—2006界定的以及下列术语和定义适用于本文件。环形光源ringlighting由环状分布的高亮度LED或其他高亮度光源构成的照明系统，以提供均匀的暗场照明。显微散射暗场成像microscopicscatteringdark-fieldimaging使用工业相机和光学系统作为成像组件，用高亮度光源激发元件表面疵病的散射光，并由成像镜头收集，最终在暗背景下形成亮疵病图像的成像方式。成像分辨率imageresolution图像单个像素所对应的物面几何尺寸。使用可精确溯源及可量化缺陷尺寸的表面疵病比较标板，建立物面实际尺寸与成像系统的像素之间的映射关系。注：GB/T1185—2006的C.4规定了比较标板的型号以及疵病尺寸参数。疵病像素面积pixelarea图像中疵病连通域的像素个数表征的面积。2疵病像素周长pixelperimeter图像中疵病连通域外轮廓相邻像素质心距离之和的表征长度。4检测原理基于显微散射暗场成像的光学元件表面疵病定量检测原理示意图见图1。被检样品或比较标板水平放置于哑光黑色背景上方，由环形光源倾斜照明。表面疵病发出的散射光被显微镜收集成像，成像系统仅接收到表面疵病诱发的散射光使得疵病会在暗背景下呈现高亮区域。在定量测量被检样品之前，首先使用比较标板进行定标，测量比较标板的疵病标样以建立图像像素尺寸和疵病标样实际尺寸或级数之间的映射关系，按照附录A描述的方法计算比较标板的检测重复性与计算结果的相对误差，如果满足用户要求则完成定标。随后在与定标相同的条件和流程下，测量被检样品的表面疵病，并换算成疵病基本级数。整个表面检测完成后，统计各级疵病的数量，验证被检样品是否满足设计公差的要求。标引序号说明：1——工业相机；2—-显微镜；3——环形光源；4——被检零件或比较标板；5——哑光黑色背景；6——计算机。图1光学元件表面疵病定量检测原理示意图5试验条件除特殊要求外，试验应在下述环境条件下进行：b)相对湿度：不大于60%;c)洁净度：工作环境万级，测试区域局部根据样本特殊测试需求确定。36仪器设备根据图1的光学元件表面疵病定量检测原理示意图搭建显微散射暗场成像检测装置。试验所需最低成像分辨率按GB/T1185—2006中4.2.1.3和4.2.2.2规定的不予计算的疵病级数。例如一般疵病级数小于一般疵病公差级数的0.16倍可忽略不计，对于一般疵病公差B/1×0.63,成像分辨率应优于0.1mm。待检疵病级数属于GB/T1185—2006中表C.1的1号标板、2号标板和3号标板时，试验设备应符合表1的要求。表1试验设备所需条件比较标板型号成像分辨率环形光源照明角度a样品表面照度光源照度稳定性1号标板2号或3号标板3000～10000试验中应避免光源反射光直接进入视场。在满足检测所需成像分辨率的前提下，如果相机视场不能覆盖整个有效检测口径，应通过控制移导机构移动待测元件，使疵病位于视场内。逐次扫描及拼接过程按附录B描述的子孔径扫描和拼接过程。7样品待检测的样品为平板类双面抛光光学元件，需满足以下条件：a)样品表面清洁度应不影响测量；b)样品厚度大于光学成像系统的景深；c)样品表面对可见光不会产生衍射。8检测步骤8.1仪器设备搭建首先固定相机和光学系统，然后按照表1的要求布置光源，最终将待检测的样品移动到成像系统视场内，调节相机与样品表面的距离，使成像系统对焦于物体表面。对于被检样品口径超出视场的区域，按附录B规定的子孔径扫描和拼接的说明，对样品表面进行全口径图像采集。在暗场环境下采集待测光学元件的图像。8.3图像预处理在对图像进行正式处理之前，需对图像进行预处理，减弱图像中的噪声信息，图像预处理主要包括图像去噪与图像对比度增强等步骤。4GB/T41805—20228.4图像阈值分割选取合适阈值对图像做二值化分割，获得暗背景与亮疵病分明的二值化图像。图像预处理和图像阈值分割会影响到8.7中的定标精度，当图像质量较差，定标直线的线性度不佳、测量误差与检测重复性不满足检测要求时，需重新调整图像预处理和图像阈值分割算法，再次定标。8.5图像形态学处理对二值化图像进行形态学处理，以形态学处理后的二值化图像中的连通域来表征疵病。如图2所示，每一个网格表示暗场图像的一个像素，黑色区域表示图像背景，疵病的像素连通域由白色区域表示。计算白色区域的像素个数可以得到疵病像素面积N,计算白色区域外轮廓相邻像素质心距离之和可以得到疵病像素周长C,疵病像素面积N与疵病像素周长C的获得将为后续的疵病分类及疵病尺寸计算提供依据。像素面积N:24像素周长C:6.83图2长划痕和麻点的像素面积、像素周长计算示意图8.6疵病分类按照GB/T1185—2006规定，表面疵病包括麻点、擦痕等瑕疵。麻点是光学零件表面呈现的微小的点状凹穴，而擦痕为微细的长条形凹痕。长宽比大于160:1的擦痕称长擦痕，基本级数是长擦痕的最大宽度。长宽比小于160:1的擦痕又称短擦痕。短擦痕和麻点都归为一般表面疵病，级数值是疵病面积的平方根。不同类型疵病的级数含义不同，因此对于每一个疵病连通域，首先按长宽比分为一般疵病或长擦痕，然后分别计算尺寸和相应的级数。根据8.5直接获得的疵病像素周长C和疵病像素面积N,可以间接地获取疵病的长宽比t。具体如公式(1)所示。设擦痕长宽比为t,宽度由u个像素表征，长度由t·u(t>1)个像素表征，则擦痕的像素周长C可以表示为2u(t+1),擦痕的像素面积N可因此当疵病像素周长的平方与疵病像素面积的比值R>649时，满足t>160,即可判断疵病为长擦痕，其余情况为一般疵病。式中：R——疵病像素周长的平方与疵病像素面积的比值；5N——疵病像素面积，单位为像素(Pixel);C——疵病像素周长，单位为像素(Pixel)。定标时需要使用已知疵病实际尺寸的比较标板作为待测光学元件，该比较标板的加工制作可参照附录C的方法，定标过程是保证最终测量结果准确的关键步骤，该过程要求：a)待测光学元件和比较标板在相同的光照环境条件下进行图像采集；b)待测光学元件表面垂直于成像系统光轴，并与相机像面平行；c)若使用二维移动导轨移动光学元件，移动过程中要保持光学元件表面与相机像面平行。在采集比较标板上的擦痕图像后，根据8.3～8.5的步骤，对擦痕图像进行处理，如图3a)所示，得到一系列相机成像后的擦痕像素宽度数据u₁,u₂,…,u;,…,un,这些擦痕实际宽度已知，分别为w₁,a)定标擦痕图像采样示意图b)定标擦痕像素宽度和实际宽度线性拟合示意图图3比较标板定标示意图使用最小二乘法对比较标板上的擦痕像素宽度与其实际宽度进行线性拟合，如图3b)所示，得到擦痕像素宽度与实际宽度的拟合直线，拟合直线的斜率为所需要的定标系数k。。拟合直线表达式见公式W₄——比较标板擦痕实际宽度，单位为毫米(mm);k。——拟合直线斜率，记为定标系数；U,——比较标板擦痕像素宽度，单位为像素(Pixel)。定标完成后，随机选取比较标板上的疵病样本，按照附录A的方法，计算检测重复性与测量的相对误差，如果满足检测要求，实际检测时，应按照与定标相同的条件做图像采集与图像处理，否则，应调整图像预处理与图像分割的算法，重新定标。9试验数据处理9.1一般疵病面积计算将一般疵病的像素面积经过公式(3)计算后得到以mm²为单位的实际面积，见公式(3)所示：6GB/T41805—2022S=Nk²式中：S——疵病面积，单位为平方毫米(mm²);N——疵病像素面积，单位为像素(Pixel);k。——拟合直线斜率，记为定标系数。9.2长擦痕尺寸计算长擦痕的尺寸主要包括长度和宽度，由于GB/T1185—2006规定长宽比大于160:1的擦痕为长擦痕，因此长擦痕的长度L可近似用擦痕周长的一半来表示，具体见公式(4):式中：L——擦痕长度，单位为毫米(mm);C——疵病像素周长，单位为像素(Pixel)。长擦痕宽度w可按公式(5)计算：式中：w——长擦痕宽度，单位为毫米(mm);N——疵病像素面积，单位为像素(Pixel);k。——拟合直线斜率，记为定标系数；C——疵病像素周长，单位为像素(Pixel)。9.3麻点尺寸计算麻点尺寸主要包括麻点直径d,可按公式(6)计算：式中：d——麻点直径，单位为毫米(mm);N——疵病像素面积，单位为像素(Pixel)。10检测报告报告应至少包括以下内容：a)采用标准；b)试验时间、报告时间；c)样品信息(产品类型、样品编号、送检单位);d)比较标板有关信息；e)测试仪器；g)检测环境条件；h)检测单位和检测人员。7GB/T41805—2022(规范性)检测重复性与相对误差测量方法A.1检测的重复性测量方法利用试验设备对某平板玻璃进行实际测试，每次测量结束后重新调整，并按原扫描路径重新测量，测量10次，检测重复性为10次测量中，平板玻璃表面的疵病总面积与10次测量总面积平均值的相………(A.1)式中：检测重复性max——取最大值函数； S,——第i次测量的元件表面疵病总面积，单位为像素(Pixel);S10次测量得到的元件表面疵病总面积平均值，单位为像素(Pixel)。A.2检测的相对误差测量方法检测的相对误差为对某一已知尺寸参数的疵病，重复10次测量中，尺寸测量值与已知真实值相对式中：max——取最大值函数；j——测量序号；w,——同一疵病第j次测量得到的尺寸，单位为毫米(mm);wl——疵病的真实尺寸，单位为毫米(mm)。8(规范性)子孔径扫描和拼接精密光学元件表面的尺寸大多位于十至几十毫米之间，受显微镜视场大小的限制，大多数情况下无法通过一次成像实现元件表面的全覆盖检测。所以在进行大口径元件检测的时候，需引入子孔径扫描和拼接技术，扫描和拼接的布局三维示意如图B.1所示，具体步骤见B.2～B.4。a)方形元件子孔径扫描过程二维图b)圆形元件子孔径扫描过程二维图c)X、Y方向子孔径扫描布局三维示意图标引序号说明：2——子孔径；4——起始点；5——子孔径重叠区域。图B.1X、Y方向子孔径扫描及拼接示意图图B.la)和b)所示分别为方形和圆形元件的子孔径扫描过程二维图，取元件外接矩形的左上角顶点为检测起始点。9B.3子孔径扫描首先显微镜在低倍率下，控制X、Y两轴位移平台带动元件执行“S”形轨迹扫描，首先在表面的最左侧区域沿着X轴正方向按照A₁.1,A₁.2,…,A₁m的顺序采集图像，接着沿Y轴正向移动一步，采集A₂n,然后沿X轴负方向依次采集A₂m-1,A₂m-2,…,A₂.1,接着再沿着Y轴正向移动一步，继续按照相同的方式采集图像，直至采集至A.子孔径，即以最短的导轨运行距离完成对元件全表面的子孔径扫描和图像采集。扫描过程中，保存各子孔径图像。沿X方向和Y方向的行进步距分别为显微镜物方视场沿X方向和Y方向长度的n(0<n<1)倍，并且保证子孔径之间有一定的重叠区域，以及移导系统扫描的步距固定，绝对定位精度精确至微米量级。扫描和拼接的布局三维示意如图B.1c)所示。B.4子孔径拼接首先检测A₁.1和A₁.