[发明专利]球面元件表面缺陷散射探测装置和测量方法

权利要求书

1.一种球面元件表面缺陷散射探测装置，其特征在于，包括照明光源(1)、半波片(2)、偏振片(3)、扩束器(4)、反射镜(5)、偏振分束器(6)、四分之一波片(7)、第一会聚透镜(8)、球面元件(9)、第二会聚透镜(10)、光快门(11)、四象限探测器(12)、第三会聚透镜(13)、第一针孔(14)、第一光电探测器(15)、第四会聚透镜(16)、第二针孔(17)、第二光电探测器(18)、自定心夹具(19)、旋转台(20)、摆动台(21)、精密位移台(22)、控制器(23)和计算机(24)；

所述的球面元件(9)固定在所述的自定心夹具(19)上；

所述的照明光源(1)发出的光束依次通过所述的半波片(2)、偏振片(3)、扩束器(4)、反射镜(5)、偏振分束器(6)、四分之一波片(7)和第一会聚透镜(8)后，沿Z向垂直聚焦到所述的球面元件(9)的待测表面；

所述的球面元件(9)的待测表面的反射光依次通过所述的第一会聚透镜(8)、四分之一波片(7)，经所述的偏振分束器(6)反射后，依次通过所述的第二会聚透镜(10)和光快门(11)，照射在所述的四象限探测器(12)上；所述的第一会聚透镜(8)和第二会聚透镜(10)共焦；

所述的球面元件(9)的待测表面的缺陷产生的一部分散射光依次经所述的第三会聚透镜(13)和第一针孔(14)，被所述的第一光电探测器(15)接收；所述的第一针孔(14)位于散射光被所述的第三会聚透镜(13)聚焦的聚焦光斑的位置，所述的第一针孔(14)的直径等于聚焦光斑的直径；

所述的球面元件(9)的待测表面的缺陷产生的另一部分散射光依次经所述的第四会聚透镜(16)和第二针孔(17)，被所述第二光电探测器(18)接收；所述的第二针孔(17)位于散射光被所述的第四会聚透镜(16)聚焦的聚焦光斑的位置，所述的第二针孔(17)的直径等于聚焦光斑的直径；

所述的第三会聚透镜(13)和第四会聚透镜(16)的光轴分别与所述的第一会聚透镜(8)的光轴的夹角均为θ(θ0°)，即散射探测角度为θ；所述的第三会聚透镜(13)的光轴的方位角与所述的第四会聚透镜(16)的光轴的方位角相差90°的整数倍；

所述的自定心夹具(19)置于所述的旋转台(20)上，所述的旋转台(20)位于所述的摆动台(21)上，所述的摆动台(21)位于所述的精密位移台(22)上，所述的精密位移台(22)包含X、Y和Z三维运动轴；

所述的旋转台(20)的转轴与所述的第一会聚透镜(8)的光轴平行；所述的摆动台(21)的摆动轴沿X向或Y向；

所述的旋转台(20)、摆动台(21)和精密位移台(22)分别与所述的控制器(23)连接，所述的计算机(24)分别与所述的四象限位置探测器(12)、第一光电探测器(15)、第二光电探测器(18)和控制器(23)的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的球面元件表面缺陷散射探测装置，其特征在于，所述的第三会聚透镜(13)的光轴的方位角φ为0°或180°，所述的第四会聚透镜(16)的光轴的方位角φ为90°或270°。

3.利用权利要求1所述的球面元件表面缺陷散射探测装置进行所述的球面元件(9)表面缺陷的测量方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

1)将所述的球面元件(9)固定在所述的自定心夹具(19)中，精密位移台(22)将球面元件待测表面的顶点沿Z向移动到第一会聚透镜(8)的焦点位置；

2)转动所述的半波片(2)，使所述的球面元件(9)的待测表面的反射光强度在所述的四象限探测器(12)的承受范围内，打开所述的光开关(11)；

3)所述的旋转台(20)带动所述的球面元件(9)旋转360°，所述的四象限探测器(12)同步等间隔地采样记录N个反射光斑的坐标(x_i,y_i)，i＝1～N；坐标传输到所述的计算机(24)；

4)所述的计算机(24)根据反射光斑的坐标，利用椭圆方程，采用最小二乘法拟合椭圆，获得椭圆的长轴和短轴的长度a和b；

5)所述的精密位移台(22)将所述的球面元件(9)在XOY平面内分别沿长轴和短轴的方向移动距离ka和kb，k为第一会聚透镜(8)和第二会聚透镜(10)组成的系统的倍率；

6)所述的旋转台(21)带动所述的球面元件(9)再旋转360°，若反射光斑的坐标不变，则所述的球面元件(9)的定中调节完毕；否则，重复步骤3)～5)，直至完成所述的球面元件(9)的定中调节；

7)关闭所述的光开关(11)，转动所述的半波片(2)，使聚焦到所述的球面元件(9)表面的光斑的强度满足表面缺陷测量要求；

8)所述的旋转台(20)和摆动台(21)搭配，使聚焦照明光斑对所述的球面元件(9)的待测表面按同心圆路线扫描；所述的球面元件(9)待测表面的半径为R，口径为D，照明光的聚焦光斑的直径为d，所述的摆动台(21)的摆动角度的间隔为Δθ＝2arcsin(d/2R)，摆动次数为M＝INT[arcsin(D/2R)/Δθ]+1，INT为取整函数；测量不同圆周时，所述的旋转台(20)的旋转角度的间隔为Δφ＝2arcsin{d/[2Rsin(mΔθ)]}，m＝1～M；每一周的旋转次数为T＝INT(2π/Δφ)+1；

9)所述的第一光电探测器(15)和第二光电探测器(18)采集完所述的球面元件(9)的待测表面的顶点的散射信号后，所述的摆动台(21)摆动一次，所述的旋转台(20)使所述的球面元件(9)按旋转角度间隔运动一周，每转动一次，所述的第一光电探测器(15)和第二光电探测器(18)同时采集当前点的散射信号；一周测量完成后，所述的旋转台(20)回到初始旋转位置；

10)重复步骤9)，完成所述的球面元件(9)的待测表面所有区域的扫描；

11)所述的第一光电探测器(15)和第二光电探测器(18)采集的散射信号传输到所述的计算机(24)；将散射强度信号转换为0～255的灰度值，得到两幅不同方位角但空间位置坐标一致的全口径灰度图像；利用二值化算法分别对全口径灰度图像进行分割；将两幅全口径二值化图像通过或操作进行融合，即对两幅二值化图像中相同空间位置的值进行或运算；利用特征提取算法从融合图像中提取表面缺陷的位置和尺寸。