第4"卷第1期 2018年2月光学仪器
OPTICAL INSTRUMENTSVol. 40，N〇.1
February, 2018
文章编号：1005-5630(2018)01-0078-10
光学元件表面缺陷检测方法研究现状向弋川，林有希，任志英(福州大学机械工程及自动化学院，福建福州350108)
摘要：随着科学技术的发展，人们对光学元件的表面粗糙度和表面面形精度提出了越来越高的 要求，光学元件表面缺陷检测技术也受到了广泛重视。通过简述表面缺陷的类型，强调了缺陷 给光学系统带来的危害，由此分析和讨论了目前国内外对光学元件疵病的检测方法，并指出各 种方法的优缺点，同时对机器视觉技术在疵病检测方面的应用进行了介绍，还探讨了光学元件 表面缺陷检测技术未来发展需要注意解决的问题。
关键词：光学元件；表面缺陷；数字图像处理$机器视觉中图分类号：TP391 文献标志码：A do# 10. 3969%. issn. 1005-5630. 2018. 01. 014
Study on surface defect detection method of optical elementXIANG Yichuan，LIN Youxi，REN Zhiying(College of Mechanical Engineering and Automation，Fuzhou University , Fuzhou 350108 , China)
Abstract： With the development of science and technology， the surface roughness and surface shape accuracy of optical components has an highly increasing demand. The surface defectdetection technology of ptical components has also attracted great interests. By analyzing the types of surface defects and emphasizing the harm caused by the defects to the optical systhis paper analyzes and discusses the detection methods of optical components at home andabroad， and points out the advantages and disadvantages of various methods. At the sametime， technology in the defect detection research has been introduced to explore the problem in the future development.
Keywords：optical components; surface defects; digital image processing； machine vision
引言随着现代工业的快速发展，精密光学元件在各个工业领域有着广泛的应用，光学元件作为实现光学 功能的载体，为各类光学仪器的开发使用起到了至关重要的作用。所以，鉴于光学元件表面具有的散射 特性[1]，如何更好地对元件表面缺陷进行检测也随之被提出来。
收稿日期：2017-06-20基金项目：国家自然科学基金资助项目（51375094);清华大学摩擦学国家重点实验室开放基金资助项目（SKLTKF13B02);福建省自 然科学基金资助项目（2015J01195)作者简介：向弋川（1994 )，男，硕士研究生，主要从事摩擦学、先进制造技术等方面的研究。E-mail842225584@qq.com 通信作者：林有希(1967 )，男，教授，主要从事摩擦学、先进制造技术等方面的研究。E-mail:youthlin@fzu. edu. cn第1期向弋川，等:光学元件表面缺陷检测方法研究现状.79 .光学元件的检测过程十分繁琐并且充满着不确定性，光学元件按组成材料可分为普通光学玻璃、钕 玻璃、熔融石英光学玻璃、氟化钙(CaF2)等一系列材料;按光学元件口径可有大到几米也有小到一二毫米 的，差别可达到数千倍;按光学元件外形的不同可分为平板、非球面靶镜、球面透镜、柱面透镜、角锥棱镜、 偏光镜、玻璃球等2 &为了适用于以上三个方面的各种光学元件的需求，测量仪器、环境、设备、技术必定 是各式各样的[3]。面对如此种类繁多、功能和外形各不相同的光学元件，需要我们去探索相应的检测 技术。因此，本文主要从光学元件表面缺陷、表面散射特性，以及目前国内外各种研究方法等方面，对光学 元件表面疵病检测的相关研究进行综述，并探讨利用机器视觉的缺陷检测技术及未来的发展趋势。
1光学元件表面缺陷光学元件表面面形误差和表面粗糙度的检测是光学检测技术研究领域的重点，由于光学元件表面质 量的好坏直接影响整个光学系统的性能，所以想要使光学仪器设备能更高效地工作，不仅在加工时需要 注意光学元件的表面质量，而且对成品元件的检测工作也不能忽视。因此，光学元件表面缺陷检测将成 为一项重要而持久的研究课题(]。11表面缺陷类型所谓的光学元件表面缺陷，主要是指表面疵病和表面污染物(]。表面疵病是指拋光加工后的光学元 件表面依然存在的麻点、划痕、开口气泡、破边、破点等各种加工缺陷[?7]，产生的原因主要是加工过程或 后续的不当操作(]。图1所示为四种疵病的大致形状(]。
(c)擦痕 （d)破边图1表面缺陷类型 Fig. 1 Types of surface defects
划痕指光学元件表面长条形的划伤痕迹。由划痕长度的不同，可以分为长划痕和短划痕，以2 mm为 界限，若划痕长度大于2 mm属于长划痕，小于2 mm则是短划痕。对于短划痕，评价标准是其检测时的 累积长度。相对而言，划痕较麻点等缺陷更容易检测出。麻点指光学元件表面上的陷坑、蚀坑、疵点，其坑内的表面粗糙度较大，宽度与深度大致相同，边缘也• 80 .光学仪器第40卷不规则。一般情况下，规定长宽比大于4:1的缺陷为划痕，反之小于4:1的缺陷为麻点D &气泡是由光学元件的生产或加工过程中未及时排除的气体所形成的，由于各方向气体的压力均匀分 布，所以气泡的形状一般呈圆球形。破边是指出现在光学元件边缘的疵病，虽然处于光源有效区域之外，但是也属于光的散射源，对光学 性能也会产生一定的影响，所以也属于疵病范畴[10]。1.2表面疵病的危害表面疵病作为一种加工过程中人为造成的微观局部缺陷，对光学元件的表面性能有着一定的影响， 从而有可能造成光学仪器运行错误等严重的后果。总之，光学元件的表面疵病会对光学系统性能产生危 害，其根本原因在于光的散射特性。光学元件表面缺陷对于自身以及整个光学系统的危害表现在以下几个方面：(1)光束的质量下降。元件表面缺陷处会产生光的散射效应，使得光束在通过缺陷后能量被大量消 耗，从而降低了光束的质量(11]。#)缺陷的热效应现象。由于表面缺陷所处区域比其他区域容易吸收更多的能量，产生的热效应现 象可能会使元件疵病发生局部变形、破坏膜层等，进而危害整个光学系统[12]。#)损坏所处系统中其他光学元件。激光系统中，在高能激光束的照射下，元件表面疵病产生的散射 光会被系统内的其他光学元件吸收，从而造成元件的受光不均匀，当达到光学元件材料的损伤阀值时，会 使传播光线的质量受到影响，光学元件损坏，更有可能造成光学系统被严重的破坏[13]。⑷疵病会影响视场清洁。当光学元件上有过多的疵病时，会影响微观的美观度，另外，疵病还会残 留微小的灰尘、微生物、抛光粉等杂质，这将造成元件被腐蚀、生霉、生雾，会明显影响元件的基本性能。
2光学元件表面散射特性光学元件表面的散射特性是缺陷产生危害的根本原因（4]。当光束照射到有疵病的光学元件表面时， 由于疵病位置的反射面并不是一个光滑面，这些离散无规则的局部缺陷使部分入射光发生了偏转，远离 了预定方向，变成了偏离主光束的杂质光。并且，这些杂质光会产生多次反射透射，所产生不规则的散射 光会对不同光学仪器造成不同程度的影响。2.1光学元件表面散射源在光学系统中，影响其性能的主要原因是由系统内部产生的大量散射光造成的，而产生这些散射光 的根本原因，又在于光学元件自身的质量，即使整个光学系统设计得再好，如果内部光学元件的质量不过 关，那么构成的系统也不能正常工作。因此需要提高光学元件本身的质量来改善散射光所带来的问题。 虽然光学系统的窗口或系统内部也可能会产生散射光，但这种散射光能量较小，大部分的散射光是由光 学元件表面散射造成的。通常表面产生的散射光能量要比内部散射至少大1至2个数量级[>，所以光学 元件表面质量好坏与否，将直接影响光学系统的整体性能。导致光学元件表面发生散射现象的原因有很多，例如表面的麻点、划痕、破边、开口气泡以及粗糙度 等表面微结构，还有可能是表面膜层厚度、薄膜材料折射率不均匀（?1B]等各种问题。通常对比表面入射 光波长与散射源尺寸的大小，将散射源大致分为三类[1819]:(1)散射源的尺寸远大于入射光波长，这种散射源就是通常说的疵病，如划痕、麻点、破边等。#)散射源的尺寸和入射光波长处于同一数量级的单一离散不规则颗粒物，这类散射源称作离散 微粒。#)入射光波长远大于散射源的尺寸，这种散射源在空间中精密排列，对光的散射表现在空间上的相