专利名称：大口径光学元件损伤在线检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学元件检测，特别是一种大口径光学元件损伤在线检测装置，主要用于大型激光或光学装置中大口径光学元件损伤的在线检测。
上述在先技术的缺点是1、操作困难，检测效率低。人在光路中活动不方便，而且至少需要两个人同时操作。检测时间长，长时间对着探照灯观测眼睛易疲劳。
2、具有很大的不确定性。所能观测到的最小损伤点的尺寸和观测者的视力和经验有关，存在着一定的主观性，且不能确定受损伤的光学元件在被检光学系统的准确位置。
3、功能单一。图像不能存储，无法进行图像分析，不能确定损伤点尺寸的具体数值。
所谓暗场成像技术，就是用主动式光源照明被检光学系统中的光学元件，如光学元件存在损伤，则损伤点会产生散射光，利用成像光学系统接收损伤点产生的后向散射光，则可在暗背景下观察到明亮的损伤图像。如被检测光学元件无损伤，则视场总是暗场。
本发明的技术解决方案如下一种大口径光学元件损伤在线检测装置，其特点是包含有激光照明光路、损伤信号接收光路、扫描系统和图像处理系统，1、所述的激光照明光路包括激光光源、照明平行光管和分光镜。
2、所述的损伤信号接收光路包括分光镜、接收平行光管，在接收平行光管之后同时可接观察目镜和CCD摄像机。观察目镜供操作者目视观察光学元件的损伤情况。CCD摄像机输出的损伤图像被存入计算机，供分析与处理。
3、所述的激光照明光路的光轴与损伤信号接收光路的光轴相互垂直，且均与分光镜的表面成45°，通过分光镜使激光照明光路和损伤信号接收光路共光轴。
4、所述的接收平行光管采用内调焦形式，可以对被检光学系统中不同距离处的被检光学元件逐个调焦成像。接收平行光管具有中间像面，在中间像面处放置有中心拦光光阑，可以消除由被检光学元件表面直接反射回来的杂光。
5、所说的扫描系统由第一扫描反射镜和第二扫描反射镜组成，可以对被检光学元件在垂直于光轴的平面内进行二维扫描，以实现对大尺寸被检光学元件整个面积的检测。
6、所说的图像处理系统由和CCD摄像机相连接的计算机和处理软件组成，主要用于接收CCD摄像机输出的损伤图像，并对图像进行分析与处理。
本发明与在先技术相比具有下列技术效果1、操作简单，检测效率高。采用该装置进行检测，人不必进入光路中，减少了人为因素对被检光学系统的影响。采用一体化的整体结构，调整简单。
2、检测的可靠性高。接收平行光管采用内调焦的形式，在保证较高分辨率的情况下，可以对被检光学元件逐个调焦成像，根据调焦量可以判断出被检光学系统中各个被检光学元件的位置。
3、功能多。既可用目镜进行目视观测，也可用CCD摄像机采集图像。计算机对图像进行分析之后，可以准确地得出损伤点的尺寸和位置。


图1是在先技术采用探照灯照明的大口径光学元件损伤在线检测装置结构示意图。
图2是本发明大口径光学元件损伤在线检测装置的结构示意图。
在激光照明光路上，沿着激光光源4发出的光束前进方向上，依次设置有照明平行光管5、分光镜6，然后进入扫描系统。在损伤信号接收光路上依此设置有分光镜6、接收平行光管9，在接收平行光管9之后同时接观察目镜10和CCD摄像机11。激光照明光路的光轴与损伤信号接收光路的光轴相互垂直，且均与分光镜6的表面成45°，通过分光镜6将激光照明光路和损伤信号接收光路的光轴合二为一。扫描系统由第一扫描反射镜7、第二扫描反射镜8组成，它将照明激光导入被检光学系统2。典型的被检光学系统2包括前窗口玻璃201、多个大口径光学元件202和后窗口玻璃203。来自激光照明光路的照明激光束透过分光镜6后，通过扫描系统而进入被检光学系统2；由被检光学系统2中的光学元件损伤产生的后向散射光经扫描系统并由分光镜6反射而进入损伤信号接收光路。
所说的接收平行光管9采用内调焦形式，而不是外调焦形式。接收平行光管9由固定镜组901、调焦镜组902、中心拦光光阑903和转像镜组904组成。通过移动调焦镜组902改变接收平行光管9的总焦距，使不同距离的目标始终成像于中心拦光光阑903处，再经过转像镜组904使目标成像在观察目镜10的焦平面以及CCD摄像机11的靶面上。接收平行光管9内的中心拦光光阑903用于消除由被检光学元件表面直接反射回来的杂光，以提高损伤图像的对比度。与外调焦系统相比，内调焦系统具有密封性好、筒长恒定、结构紧凑、像质保持良好的优点。对于来自前窗口玻璃201、大口径光学元件202和后窗口玻璃203上的损伤产生的散射光，可以通过移动调焦镜组902，使不同距离处的被检光学元件清晰成像，并且根据调焦量的大小，可以计算出损伤点的具体位置。
扫描系统由第一扫描反射镜7和第二扫描反射镜8组成，第二扫描反射镜8沿y轴上下移动以及第一扫描反射镜7和第二扫描反射镜8同时沿x轴前后移动，可以对被检光学系统2中大尺寸光学元件实现二维扫描检测。图像处理系统由和CCD摄像机相连接的计算机12和其中的处理软件组成，主要用于接收CCD摄像机11输出的图像，并对图像进行分析与处理，从而给出损伤点的尺寸及受损光学元件在被检光学系统2中位置。
与在先技术相比较，本发明的特点在于照明光源采用半导体激光器4；利用第一扫描反射镜7和第二扫描反射镜8的平移，实现了对大尺寸光学元件的扫描检测；接收平行光管9采用内调焦形式，可对不同距离的被检光学元件清晰成像，并可根据调焦量的大小确定被检光学元件的位置；在接收平行光管9内设置有中心拦光光阑903；接收平行光管9有观测目镜10和CCD摄像机11两套接收系统，既可供操作者目视观察，又可由计算机12对CCD摄像机11所输出的图像进行处理。
与其他光源相比，所说的光源采用半导体激光器4具有体积小、功率高、寿命长、方向性好以及单色性好的特点。半导体激光器4的波长应该和被检光学系统2的工作波长相同或相近，以提高照明激光束的传输效率。
接收平行光管9中的中心拦光光阑903的作用是消除反射杂光，提高损伤图像对比度。在对被检光学系统2进行检测的时候，由于前窗口玻璃201和后窗口玻璃203垂直于照明激光放置，所以由它们前后表面直接反射回来的杂光很强，有可能将较弱的散射光湮没。在接收平行光管9的焦平面上放置中心拦光光阑903后，就可将信号中的低频成分拦掉，只让高频部分通过。被拦掉的低频成分主要是前窗口玻璃201和后窗口玻璃203直接反射回来的杂光，而通过的高频成分则主要包含了损伤的信息。这样可以提高系统的分辨能力。
接收平行光管9是内调焦结构，通过调焦量可以计算出被检光学元件在被检光学系统2中的位置，便于操作者及时找到受损的光学元件并予以更换。
所说的扫描系统由第一扫描反射镜7和第二扫描反射镜8组成。第一扫描反射镜7的表面与被检光学系统系统2的光轴(z轴)平行，且与x轴和y轴均成45°角，第二扫描反射镜8的表面与x轴平行，且与y轴和z轴均成45°角。第一扫描反射镜7和第二扫描反射镜8同时沿x轴移动，以及第二扫描反射镜8沿y轴移动，可以对被检光学系统2进行二维扫描，以实现对大尺寸被检光学元件的全口径检测。利用扫描系统，可以用较小口径的照明平行光管和较小视场的接收平行光管对较大口径的光学元件进行检测，节省了制造成本，提高了检测效率。
本发明中有观测目镜10和CCD摄像机11两套接收系统，既可供操作者直接目视观测，又可由计算机12对CCD摄像机11输出的图像进行处理。通过图像分析可以得出存在损伤的被检光学元件在被检光学系统2中的位置及损伤点的形状和大小，以便决定是否将有损伤的被检光学元件更换掉。
本发明大口径光学元件损伤在线检测装置的工作过程分为两步第一、调焦检测由半导体激光器4发出的激光束经照明平行光管5准直扩束后透过分光镜6，再由第一扫描反射镜7和第二扫描反射镜8导入被检光学系统2，依次穿过前窗口玻璃201、大口径光学元件202和后窗口玻璃203。移动调焦镜组902，依次对被检光学系统2中的各个光学元件清晰成像。如果被检光学系统2中的光学元件表面或内部有损伤，则损伤点的后向散射光经第二扫描反射镜8、第一扫描反射镜7和分光镜6反射后进入接收平行光管9，经中心拦光光阑903滤除低频反射杂光后，再通过转像镜组904将损伤点成像在观测目镜10的焦平面和CCD摄像机11的靶面上，图像供操作者观察并输入计算机12。计算机12通过软件对图像进行分析和处理后，给出存在损伤的光学元件在被检光学系统2中的位置和损伤点的尺寸。第二、扫描检测将第二扫描反射镜8沿y轴移动，对被检光学系统2在y轴方向进行扫描检测，然后将第一扫描反射镜7和第二扫描反射镜8同时沿x轴移动，对被检光学系统2在x轴方向进行扫描检测。扫描可以采用步进的方式进行，每扫描一步，重复第一步的内容。如此反复，直到将整个被检光学系统2全部检测完毕。
图2是本发明的最佳实施例，其具体结构和参数叙述如下半导体激光器4的中心波长为1064nm，功率可调，最大输出功率为200mW。照明平行光管5的口径为Φ65mm。分光镜6的透射面对1064nm波长镀增透膜，半反半透面对1064nm波长镀半反半透膜。第一扫描反射镜7和第二扫描反射镜8的工作面镀1064nm介质全反膜，反射率≥98％，扫描系统的扫描范围为400mm×400mm。接收平行光管9的通光口径为Φ142mm，焦距为1072mm，视场角为0.4°，理论分辨率为1″，调焦范围1.5m→∞，转像镜组904的放大倍率为-1×。观察目镜10的放大倍率为15×。CCD摄像机11为1/3″黑白CCD摄像机，像素尺寸为6.51μm×6.36μm。
采用本发明的大口径光学元件损伤在线检测装置对通光口径为400mm×400mm、总长度为5m的光学系统组件进行检测，检测到了窗口玻璃表面的膜层损伤、平面光学元件内部的自聚焦丝和表面裂纹。接收平行光管9对被检光学元件的定位精度为±0.5mm，远远大于被检光学元件的厚度和被检光学元件之间的间隔。
权利要求
1.一种大口径光学元件损伤在线检测装置，包括照明光路、损伤信号接收光路、扫描系统和图像处理系统，其特征在于所述的照明光路是激光照明光路，包括激光光源(4)，沿激光光源(4)发出的光束前进方向上，依次设置有照明平行光管(5)、分光镜(6)，然后进入扫描系统所述的损伤信号接收光路上依此设置有分光镜(6)、接收平行光管(9)，在接收平行光管(9)之后同时接设有观察目镜(10)和CCD摄像机(11)；所述的激光照明光路的光轴与损伤信号接收光路的光轴相互垂直，且均与分光镜(6)的表面成45°，通过分光镜(6)后激光照明光路和损伤信号接收光路共光轴；扫描系统由第一扫描反射镜(7)和第二扫描反射镜(8)组成；所述的CCD摄像机(11)和计算机(12)组成图像处理系统。
2.根据权利要求1所述的大口径光学元件损伤在线检测装置，其特征在于所说的接收平行光管(9)采用内调焦形式，该接收平行光管(9)依次由固定镜组(901)、调焦镜组(902)、中心拦光光阑(903)和转像镜组(904)组成，该中心拦光光阑(903)位于接收平行光管(9)的中间像面处。
3.根据权利要求1所述的大口径光学元件损伤在线检测装置，其特征在于所说的光源采用半导体激光器(4)，该半导体激光器的波长应该和被检光学系统(2)的工作波长相同或相近。
4.根据权利要求1所述的大口径光学元件损伤在线检测装置，其特征在于所说的扫描系统的第一扫描反射镜(7)的表面与被检光学系统系统2的光轴(z轴)平行，且与x轴和y轴均成45°角，第二扫描反射镜(8)的表面与x轴平行，且与y轴和z轴均成45°角。
全文摘要
一种大口径光学元件损伤在线检测装置，包括照明光路、损伤信号接收光路、扫描系统和图像处理系统，其特点是采用激光照明光路，由激光光源、照明平行光管和分光镜构成；所述的损伤信号接收光路上依此设置有分光镜、接收平行光管，在接收平行光管之后同时接设有观察目镜和CCD摄像机；激光照明光路的光轴与损伤信号接收光路的光轴相互垂直，且均与分光镜的表面成45°，通过分光镜后激光照明光路和损伤信号接收光路共光轴；扫描系统由第一扫描反射镜和第二扫描反射镜组成；所述的CCD摄像机和计算机组成图像处理系统。本发明的优点是操作简单、检测效率高、检测可靠性高，既可目视观测，又可用CCD摄像机采集图像，可以准确地得出损伤点的尺寸和位置。
文档编号G01N21/47GK1475796SQ0312934
公开日2004年2月18日 申请日期2003年6月18日 优先权日2003年6月18日
发明者任冰强, 黄惠杰, 张维新, 赵永凯, 刘丹, 韩广礼, 杜龙龙, 王树森, 路敦武 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所