CSTM-光学元件表面疵病定量检测方法

ICSXX.XXX.XXXXX团 体 标 准T/COEMAXXXXX-2020光学元件表面疵病定量检测方法QuantitativeInspectionMethodforSurfaceImperfectionsofOpticalElements202X-XX-XX发布202X-XX-XX实施发布中关村材料试验技术联盟发布T/CSTMXXXXX—2018T/COEMAXXXXX—20201I前言本标准按照GB/T1.1-2020给出的规则起草。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。本标准由中国科学院上海光学精密机械研究所和合肥知常光电科技有限公司提出。本标准由中关村材料试验技术联盟归口。本标准起草单位：中国科学院上海光学精密机械研究所、合肥知常光电科技有限公司、中国工程物理研究院激光聚变研究中心和上海理工大学。本标准主要起草人：倪开灶、邵建达、吴周令、刘世杰、柴立群、张大伟、陈坚、黄明、王微微、赵建华、徐天柱、唐春香。T/CSTMXXXXX—2018T/COEMAXXXXX-2020光学元件表面疵病定量检测方法范围本标准规定了光学元件表面疵病定量检测的一般要求、检测原理与方法。本标准适用于平面类双面抛光和镀膜的光学元件表面疵病的检测。规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是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ISO10110-7Opticsandphotonics—Preparationofdrawingsforopticalelementsandsystems—Part7:SurfaceimperfectiontolerancesMIL-PRF-13830BOpticalcomponentsforfirecontrolinstruments;Generalspecificationgoverningthemanufacture,assembly,andinspectionof术语和定义GB/T1185-2006、ISO10110-7、MIL-PRF-13830B确立的术语与定义适用于本标准。表面疵病surfaceimperfections表面疵病是指光学元件表面的划痕、麻点、破边和斑点等瑕疵。划痕scratch划痕是指光学元件表面呈现的微细的长条形凹痕。麻点pitpitting麻点是指光学元件表面呈现的微小的点状凹坑。破边edgechips破边是指光学元件有效孔径外的边缘破损。斑点stain斑点是指光学元件表面经侵蚀或镀膜后形成的在反射光中呈干涉色突变的局部腐蚀或覆盖。一般要求环境要求环境要求如下：环境温度：20℃±5℃；相对湿度：小于70%；洁净度：环境洁净，设备所在测试区域环境洁净度达到千级；满足待测光学元件检测的其他环境要求。设备要求设备要求如下：设备内部样品测试区域环境洁净度：百级；横向分辨率：优于1μm；设备检测相对重复性：优于5%；照明光源功率稳定性优于3%；设备移动定位系统的定位精度优于3μm。光学元件要求待检光学元件要求如下：待检光学元件表面洁净，无水渍和污迹；待检光学元件厚度：不小于10mm；待检光学元件为平板类双面抛光元件和镀膜元件，表面粗糙度Rq≤1.5nm；待检光学元件对照明光源不产生衍射现象。详细要求检测原理光学元件表面疵病采用激光散射原理检测，如图1所示，准直激光经过透镜聚焦后以一定角度斜入射到待测样品表面。若被照明区域没有疵病，则激光以相同角度从另一侧反射，几乎无散射光被光电探测器收集，光电探测器采集的信号为暗背景信号；若被照明区域存在疵病，入射激光被散射，散射光被收集到光电探测器里，形成疵病信号。对样品表面进行二维扫描，将光电探测器输出的信号转换为图像灰度，形成表面疵病的灰度分布图像。图1激光散射测量原理。左图：无疵病；右图：疵病检测方法基于激光散射原理的光学元件表面疵病检测方法如图2所示。激光器发出光束经过功率调节器后，根据待测样品表面反射率，输出合适的功率。激光经过分束器后被分成两束，分束比≥9:1，其中，弱激光束被功率计接收，用于实时检测监测入射激光功率稳定性。另一束强激光束经两个反射镜依次反射后，通过扩束器，其光束直径被调整，以满足f-θ镜的最佳入瞳直径。扩束后的激光束通过转镜快速旋转实现高速一维扫描，再通过f-θ镜和反射镜后斜入射到待测样品表面，实现一维聚焦线扫描，即在待测样品表面形成一条沿X方向的激光扫描线。若被激光照射区域存在表面疵病，则表面疵病产生的散射光被会聚透镜收集到光电探测器中，形成散射光强度较大的疵病信号，无疵病区域为暗背景。反射光被光陷阱接收。Z向位移台用于待测样品对焦。为完成待测样品整个表面测量，图2中除待测样品和一维位移平台外剩余的探测光路均被固定在一个X-Y移动定位系统（图中未显示）上。X-Y定位系统带动探测光路的按图3所示路径对待测样品表面进行二维扫描。对于矩形样品，扫描起点为样品左上角顶点。对于圆形样品，扫描起点为圆的外接矩形的左上角顶点。沿X方向每一行扫描图像为一子区域图像，其沿Y方向的长度为激光扫描线的长度L。将对待测样品整个表面扫描获得的光电信号分布图转换为灰度图像，对灰度图像进行图像处理，提取表面疵病的位置和划痕长度。根据表面疵病的位置，图2所示的暗场成像系统（虚线框内）移动到表面疵病处对其进行高倍成像。在暗场成像系统中，环形照明光源斜入射到表面疵病所在区域，其产生的散射光被高倍显微镜头接收，在相机上成像。高倍图像经过图像处理后，提取划痕的宽度和麻点等疵病的等效直径。为避免环境中的杂散光的影响，图2所示的测量光路均处于暗箱中。1——激光器；2——光功率调节器；3——分束器；4——功率计；5、6、10——反射镜；7——扩束器；8——转镜；9——f-θ镜；11——待测样品；12——Z向位移台；13——激光扫描线；14——光陷阱；15——会聚透镜；16——光电探测器；17——环形照明光源；18——高倍显微镜头；19——相机图2典型的表面疵病定量测量装置图3矩形和圆形样品扫描路径检测步骤对待检样品表面进行洁净处理，达到4.3中被检光学元件要求；将待检样品放入样品夹具中，并固定在Z向位移台上；打开设备各部分控制开关及软件，使设备处于正常工作状态；通过俯仰偏摆电动机构（位于样品和Z向位移台之间，图中未显示）调节待检样品姿态，使待检样品的表面垂直于探测系统的光轴；通过移动Z向位移台，调节待检样品的表面到散射光收集系统的距离，使待检样品的表面位于探测系统的焦面上；根据待检样品的尺寸，探测系统由检测起点开始按图3所示的扫描路径对待检样品进行全口径测量，探测系统沿X方向移动的步进量为入射激光经过f-θ镜后聚焦的光斑的束腰直径；图像处理软件对全口径图像进行处理，得到表面疵病的位置和划痕等疵病的长度；调节暗场成像系统到样品表面的距离，使表面疵病能清晰成像；根据表面疵病的位置坐标，暗场成像系统依次移动到每一个表面疵病处，获取表面疵病的高倍图像；对表面疵病的高倍图像进行图像处理，得到划痕等疵病的宽度和麻点等疵病的等效直径；输出并保存表面疵病的测量结果。数据处理光学元件表面疵病的位置坐标和尺寸计算流程图4所示。图4表面疵病位置坐标和尺寸计算流程检测报告测量结束后，填写光学元件表面疵病检测报告，报告格式见附录A。检测报告应当包括下列内容：识别样品名称和来源、实验室环境，以及检测日期所需的全部资料；引用标准；结果及表达形式；测量过程中观察到的异常现象；任何本标准中未规定的操作，或任何可能影响测量结果的操作。

附录AA.1检测报告格式光学元件表