本文關(guān)鍵詞：球面及非球面表面疵病檢測關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：表面疵病是高精度光學(xué)元件質(zhì)量評價的一個重要指標(biāo),主要來源于加工和使用過程中的不當(dāng)操作。由于表面疵病會造成光束的散射和能量損耗,影響光學(xué)元件的使用壽命和光學(xué)系統(tǒng)的運行性能,因此需要對光學(xué)元件的表面疵病進(jìn)行檢測和評估。目前,國內(nèi)外在表面疵病檢測方面的研究主要針對于平面光學(xué)元件,對于球面和非球面光學(xué)元件的研究鮮有報道,由于球面及非球面非球面與平面的光學(xué)性質(zhì)有很大的差異,若直接采用針對平面的檢測技術(shù)來檢測球面及非球面會存在種種不足和困難。本論文根據(jù)光刻投影物鏡光學(xué)系統(tǒng)中球面及非球面光學(xué)元件的表面疵病檢測需求,在綜合國內(nèi)外現(xiàn)有的表面疵病成像檢測方法的基礎(chǔ)上,設(shè)計和搭建了一套應(yīng)用亮場照明的顯微成像表面疵病檢測系統(tǒng)。根據(jù)投影物鏡對光學(xué)元件表面疵病的檢測要求和系統(tǒng)性能參數(shù)的需求分析,該檢測系統(tǒng)所需解決的核心問題是如何在現(xiàn)有的機械調(diào)整精度下,同時滿足光學(xué)系統(tǒng)的成像景深和分辨率,即克服成像景深與分辨率的相互制約。為了解決這一問題,本文重點研究了應(yīng)用光瞳濾波器和波前編碼板延拓疵病檢測顯微成像系統(tǒng)的景深。同時,對疵病檢測中的圖像處理系統(tǒng)中的關(guān)鍵算法進(jìn)行了研究,提高了運算速度,使其可以滿足實時檢測的需求。本文的主要研究內(nèi)容包括:1.提出了亮場照明顯微疵病檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計方案,并結(jié)合疵病檢測需求,對系統(tǒng)中成像系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)和調(diào)整結(jié)構(gòu)機械參數(shù)進(jìn)行了需求分析。通過分析得出,該系統(tǒng)中所需要解決的核心問題是在機械調(diào)整精度下,同時滿足成像系統(tǒng)的景深和分辨率需求;2.設(shè)計了對檢測系統(tǒng)的成像景深進(jìn)行延拓的澤尼克位相型光瞳濾波器和非整數(shù)冪次型波前編碼板。文中理論分析了所設(shè)計的光瞳濾波器和波前編碼板景深延拓能力,并進(jìn)行了成像仿真,結(jié)果表明,對于10X,NA為0.2的顯微物鏡,澤尼克位相型光瞳濾波器可以延拓其景深至約60微米,非整數(shù)冪次型波前編碼板可以延拓至100微米左右。相較于光瞳濾波器,波前編碼板具有更大的景深延拓能力,因此,利用光學(xué)成像系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)穩(wěn)定性,進(jìn)一步地設(shè)計了可同時適用于多種倍率顯微物鏡下的波前編碼板,并通過ZEMAX進(jìn)行了成像仿真,證明其在5X-40X倍率物鏡下的均具有良好的景深延拓能力,驗證了波前編碼板可以解決景深和分辨率相互制約的核心問題;3.對疵病檢測圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行了研究。文中分別對疵病檢測圖像處理系統(tǒng)中的主要功能單元中的關(guān)鍵算法進(jìn)行了研究分析。在疵病圖像預(yù)處理單元,根據(jù)疵病圖像的灰度等級分布的集中性,提出了自適應(yīng)的直方圖均衡化算法,對原始圖像進(jìn)行了灰度級擴展,提高了圖像對比度,使其更有利于后續(xù)的圖像處理。在疵病的識別測量單元,應(yīng)用Canny邊緣檢測算法對疵病進(jìn)行識別,結(jié)合圖像的直方圖均衡化結(jié)果,給出了其中濾波器參數(shù)的計算方法,同時保證了算法的邊緣定位精度和噪聲平滑能力。在圖像拼接單元,應(yīng)用疵病檢測系統(tǒng)的機械定位坐標(biāo)對SIFT拼接算法進(jìn)行了優(yōu)化,提高了算法的運行效率;綜合分析,單幀圖像處理速率為0.8s,可以滿足疵病檢測系統(tǒng)實時檢測的需求;4.搭建了用于疵病檢測的大景深顯微成像系統(tǒng)�；诒疚牟ㄇ熬幋a板的設(shè)計結(jié)果,實際加工了疵病檢測所需的波前編碼板。在此基礎(chǔ)上,搭建了同軸亮場照明的顯微成像檢測系統(tǒng)。通過對顯微刻劃板的成像,實驗驗證了系統(tǒng)的大景深成像能力。最后,在實驗室現(xiàn)有機械調(diào)整臺上,對D100,R#0.8的凹球面鏡進(jìn)行了表面疵病檢測的驗證性實驗,實驗結(jié)果表明,設(shè)計的應(yīng)用亮場照明的顯微疵病檢測系統(tǒng)能夠?qū)饪掏队拔镧R中球面及非球面光學(xué)元件進(jìn)行疵病的自動化檢測。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH74;TP391.41

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