CN105067224A - 终端光学元件损伤在线检测中孪生像尺寸的定量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是终端光学元件损伤在线检测中孪生像尺寸的定量检测方法，它属于光学元件检测技术领域。本发明为了解决晶体双折射效应引起的重影干扰以及光学元件损伤尺寸的定量检测问题。具体步骤包括：通过结合晶体双折射效应与几何光学成像公式计算出光学元件上损伤点在成像***中的o光像与e光像的坐标位置；对每对孪生像进行重影剔除；利用孤立点与合并后的孪生像的灰度积分与物理尺寸对应关系拟合定标曲线和定标方程；利用定标关系曲线和定标方程对FODI在线图像中未测的孤立点和孪生像进行尺寸的定量检测。本发明适用于光学元件检测技术领域。

Description

终端光学元件损伤在线检测中孪生像尺寸的定量检测方法

技术领域

本发明属于光学元件检测技术领域，具体涉及终端光学元件损伤在线检测中孪生像尺寸的定量检测方法。

背景技术

大型固体激光装置规模宏大，光学元件数量众多，输出能量和功率高，是惯性约束聚变研究的主力装置。在高功率条件下，光学元件损伤成为了人们必须解决的棘手问题。惯性约束聚变大型固体激光装置的终端光学组件集成了大口径的晶体光学元件，在高能量激光的辐照下极易产生损伤，为了确保及时发现与跟踪损伤的增长过程，终端光学元件损伤在线检测***(FinalOpticsDamageonline-Inspection,FODI)在每次打靶实验后，对终端光学元件采集图像，使用数据处理模块对图像中的损伤进行识别与分类，标记出所有可能的损伤。然而，由于终端光路中存在晶体光学元件，加上双折射效应，导致被检元件上单个损伤点形成了两个像，即孪生像。每一对孪生像都是由损伤点的o光像与e光像组成，只是由于光学元件表面不同位置的损伤点形成的孪生像中的o光像与e光像能量分布不同，导致部分孪生像“退化”为孤立点，因此实际采集到的图像中，孤立点与孪生像是同时存在的，孪生像的存在不可避免地对损伤点尺寸的测量造成干扰。

发明内容

本发明为了解决FODI成像***在线检测图像中的孤立点和孪生像同时存在的情况下光学元件损伤尺寸的定量检测问题，进而提供了一种准确测量光学元件损伤点尺寸的方法即终端光学元件损伤在线检测中孪生像尺寸的定量检测方法。

终端光学元件损伤在线检测中孪生像尺寸的定量检测方法具体包括：

步骤一、在终端光学元件在线检测***FODI上通过晶体双折射效应得到光学元件上M×N个(M和N达到损伤点作为收集样本的数量)损伤点在成像***中的o光像与e光像的坐标位置，分析并找出M×N对孪生像坐标所满足的位置关系与能量关系；

步骤二、根据o光像与e光像的坐标位置关系，把e光像作为重影像，e光像的灰度积分值合并到o光像上，保留合并能量后的o光像作为损伤点的唯一像，剔除e光像；

步骤三、对终端光学元件在线检测***FODI在线检测的损伤点进行辐射定标，找出孤立点与剔除重影后的孪生像作为样本点，得到它们的灰度积分值，把终端光学元件在线检测***FODI在线成像对应的光学元件放在离线测量平台下测出样本点对应的实际物理尺寸，利用样本点的灰度积分与物理尺寸对应关系拟合出定标曲线与定标方程；

步骤四、利用定标曲线和定标方程即可对FODI成像***在线检测图像中未测的孤立点和孪生像进行尺寸的定量检测。

发明效果

本发明通过晶体双折射所致孪生像的能量关系，提出一种准确测量损伤点尺寸的方法。利用晶体双折射效应计算出孪生像的位置与能量关系；根据孪生像的性质把e光像的能量合并到o光像上，利用合并像能量对应的灰度积分来计算损伤点的物理尺寸，利用定标关系曲线和定标方程对FODI成像***在线检测图像中未测孤立点和孪生像进行尺寸的定量检测，本发明能够对孪生像对应损伤点尺寸进行精确的定量检测。

附图说明

图1是本发明的晶体双折射产生的孪生像示意图，其中：Ⅰ是被检光学元件，Ⅱ是晶体，Ⅲ是透镜，Ⅳ是CCD传感器感光面上，光波矢量k₁满足条件：k₁入射到晶体入光面点A处，在晶体内的o光线穿出晶体后，出射的o光线经过成像***的等效透镜光心P，照射到CCD传感器感光面上Q₁点，与其他方向汇聚来的o光线形成o光像Q₁；光波矢量k₂满足条件：k₂入射到晶体入光面点A处，在晶体内的e光线穿出晶体后，出射的e光线经过成像***的等效透镜光心P，照射到CCD传感器感光面上Q₂点，与其他方向汇聚来的e光线形成e光像Q₂；

图2是本发明CCD传感器感光面上光电特性曲线图；

图3是本发明损伤点与孪生像对应关系图；图3a是每一个损伤点在CCD传感器感光面上形成两个孪生像，其中Ⅴ是终端光学元件，Ⅵ是CCD传感器，图3b是o光像集合Q_O、e光像集合Q_E与对应的损伤点集合Q，f_o是损伤点到O光像的映射，f_e是损伤点到e光像的映射，其中，Ⅶ损伤点元件Q，Ⅷ是O-光像元件Q_O，Ⅸ是E-光像元件Q_E，f_o ^-1是损伤点到O光像的逆映射，f_e ^-1是损伤点到e光像的逆映射；

图4是终端光学元件损伤在线检测***FODI装置及其元件示意图，其中ⅰ是终端光学组件，ⅱ是侧照明***，ⅲ是控制及数据处理***，ⅳ是光学元件数据库，ⅵ是终端光学元件损伤在线检测***FODI装置；

图5是本发明剔除重影后的定标曲线图，其中横坐标表示损伤点的等价圆直径，纵坐标表示FODI成像***在线检测图像中的孤立点或合并像的灰度积分。

具体实施方式

通过晶体双折射所致孪生像的位置关系与能量关系，进行孪生像的辐射定标处理，进行终端光学元件损伤在线检测中孪生像尺寸的定量检测。

具体实施方式一：本实施方式的终端光学元件损伤在线检测中孪生像尺寸的定量检测方法包括以下步骤：

步骤一、在终端光学元件在线检测***通过晶体双折射效应得到光学元件上M×N个(M和N达到损伤点作为收集样本的数量)损伤点在成像***中的o光像与e光像的坐标位置，分析并找出M×N对孪生像坐标所满足的位置关系与能量关系；

步骤二、根据o光像与e光像的坐标位置关系，把e光像作为重影像，e光像的灰度积分值合并到o光像上，保留合并能量后的o光像作为损伤点的唯一像，剔除e光像；

步骤三、对FODI成像***如图4在线检测图像中的损伤点进行辐射定标，找出孤立点与剔除重影后的孪生像作为样本点，计算出它们的灰度积分值，然后把FODI成像***在线检测图像对应的光学元件放在离线测量平台(显微镜)下测出这些样本点对应的实际物理尺寸，利用样本点的灰度积分与物理尺寸对应关系拟合出定标曲线与定标方程如图5；

步骤四、利用定标曲线和定标方程如图5即可对FODI成像***在线检测图像中未测的孤立点和孪生像进行尺寸的定量检测。

本实施方式有益效果：

本实施方式通过研究孪生像的位置与能量关系，提出一种准确测量损伤点尺寸的方法。根据孪生像的性质把e光线的能量合并到o光线上，利用FODI成像***在线检测图像样本点中的合并像与孤立点对应的灰度积分与测量的物理尺寸拟合定标曲线与定标方程，利用定标关系曲线和定标方程对FODI成像***在线检测图像中未测孤立点和孪生像进行尺寸的定量检测，本发明能够对孪生像以及孤立点对应损伤点尺寸进行精确的定量检测。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同，其特征在于步骤一所述的在终端光学元件在线检测***FODI上通过终端光学元件晶体双折射效应与几何光学成像公式得到光学元件上M×N个损伤点在成像***中的o光像与e光像的坐标位置：

根据终端光学元件晶体双折射效应找出o光线的位置Q₁(x₁,y₁)：

$f\left({\mathrm{\θ}}_1\right)=(D_1+D_2){\mathrm{tan\θ}}_1+L_{2}tan\[arcsin(n_1{\mathrm{sin\θ}}_1/n_o)\]-\sqrt{x^2+y^2}---\left(16\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}{D}_3{\mathrm{tan\θ}}_{1m}\\ y_1=\frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}}{D}_3{\mathrm{tan\θ}}_{1m}\end{array}\right.---\left(17\right)$

θ₁是入射光的入射角，L₁是被检测光学元件的厚度，L₂是晶体厚度，D₁是被检测光学元件与晶体之间的距离，D₂是晶体与透镜之间的距离；n₁是真空折射率，D₃是透镜与CCD之间的距离；n₀是o光主轴折射率，x,y是损伤点在光学元件上的坐标，x₁,y₁是o光像在CCD上的坐标；D₃是透镜与CCD之间距离；θ_1m是f(θ₁)＝0；

根据终端光学元件晶体双折射效应找出e光线的位置Q₂(x₂,y₂)：

$\left\{\begin{array}{c}g({\mathrm{\α}}_1,{\mathrm{\β}}_1)=x+\frac{a_e}{c_e}{L}_2+\frac{{\mathrm{cos\α}}_1}{\sqrt{1-{\cos }^2{\mathrm{\α}}_1-{\cos }^2{\mathrm{\β}}_1}}(D_1+D_2)\\ h({\mathrm{\α}}_1,{\mathrm{\β}}_1)=y+\frac{b_e}{c_e}{L}_2+\frac{{\mathrm{cos\β}}_1}{\sqrt{1-{\cos }^2{\mathrm{\α}}_1-{\cos }^2{\mathrm{\β}}_1}}(D_1+D_2)\end{array}\right.---\left(18\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{x}_2=\frac{D_3}{D_1+D_2}(x+\frac{a_e}{c_e}{L}_2)\\ y_2=\frac{D_3}{D_1+D_2}(y+\frac{b_e}{c_e}{L}_2)\end{array}\right.---\left(19\right)$

α₁是入射光与被检测光学元件坐标系X轴夹角；β₁是入射光与被检测光学元件坐标系Y轴的夹角；a_e是e光线的X分量；b_e是e光线的Y分量；c_e是e光线的Z分量。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同，其特征在于通过以下公式得到公式(16)—(19)：

A、求寻常光波矢量k_o和非常光波矢量k_e的表达式：

单轴晶体厚度为L，口径为a×b，在晶体表面建立坐标系，一束平行光沿方向k₁＝(cosα₁,cosβ₁,cosθ₁)照射到晶体表面，入射点为坐标原点O，z轴为晶体表面法线；晶体光轴p的方向余弦为e_p＝(x₀,y₀,z₀)，在晶体内，产生折射o光和e光；寻常光o光光波矢量k_o、非常光(e光)波矢量k_e、非常光(e光)光线矢量s_e与z轴夹角分别为θ_o、θ_ke、θ_se，由此得出k_o、k_e的表达式为：

$k_o=(\frac{{\mathrm{cos\α}}_1}{{\mathrm{sin\θ}}_1}{\mathrm{sin\θ}}_o,\frac{{\mathrm{cos\β}}_1}{{\mathrm{sin\θ}}_1}{\mathrm{sin\θ}}_o,{\mathrm{cos\θ}}_o)---\left(1\right)$

$k_e=(\frac{{\mathrm{cos\α}}_1}{{\mathrm{sin\θ}}_1}{\mathrm{sin\θ}}_{ke},\frac{{\mathrm{cos\β}}_1}{{\mathrm{sin\θ}}_1}{\mathrm{sin\θ}}_{ke},{\mathrm{cos\θ}}_{ke})---\left(2\right)$

其中，k_o、k_e均为单位矢量，即|k_o|＝|k_e|＝1；

B、求e光折射率n₂：

设k_o、k_e、s_e与晶体出射面交点分别为P_o、P_ke、P_se，由晶体光学理论可知，k_o与k_e均在入射面内，即：k₁、k_o、k_e三者共面，s_e不在入射面内，但是k_e、s_e与晶体光轴e_p三者共面；设s_e的单位方向向量为：s_e＝(a_e,b_e,c_e)，对于o光，波矢量k_o与光线方向s_o重合，折射角均为θ_o＝arcsin(n₁sinθ₁/n_o)；对于e光，折射率n₂同波矢量k_e与晶体光轴p的夹角θ_kp有关，即：

$n_2=\frac{n_o{n}_e}{\sqrt{n_o^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_{kp}+n_e^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_{kp}}}---\left(3\right)$

式中n_o和n_e分别是晶体的o折射率和e折射率；

C、求解角θ_kp的值：

由k_e与p的夹角为θ_kp可得：

${\mathrm{cos\θ}}_{kp}=k_e\·e_p=x_0\frac{{\mathrm{cos\α}}_1}{{\mathrm{sin\θ}}_1}{\mathrm{sin\θ}}_{ke}+y_0\frac{{\mathrm{cos\β}}_1}{{\mathrm{sin\θ}}_1}{\mathrm{sin\θ}}_{ke}+z_0{\mathrm{cos\θ}}_{ke}---\left(4\right)$

由斯涅耳定律可知：n₁sinθ₁＝n₂sinθ_ke(5)

把公式(4)代入公式(3)消去cosθ_kp得到n₂表达式，然后再把得到的n₂代入公式(5)，整理出一个关于tanθ_ke的二元一次方程：

Atan²θ_ke+Btanθ_ke+C＝0(6)

方程的解为：

${\mathrm{tan\θ}}_{ke}=\frac{-B\±\sqrt{B^2-4AC}}{2A}---\left(7\right)$

$A=n_o^2+(n_e^2-n_o^2){(x_0\frac{{\mathrm{cos\α}}_1}{{\mathrm{sin\θ}}_1}+y_0\frac{{\mathrm{cos\β}}_1}{{\mathrm{sin\θ}}_1})}^2-\frac{n_o^2{n}_e^2}{n_1^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1}$

其中 $B=2z_0(n_e^2-n_o^2)(x_0\frac{{\mathrm{cos\α}}_1}{{\mathrm{sin\θ}}_1}+y_0\frac{{\mathrm{cos\β}}_1}{{\mathrm{sin\θ}}_1})---\left(8\right)$

$C=n_o^2+(n_e^2-n_o^2)z_0^2$

由于tanθ_ke只有一个根，因此可求出θ_ke，将求出的θ_ke代入到公式(4)中，可求出θ_kp值；

D、求折射光s_e和折射光s_o方向余弦表达式：

在单轴晶体中，k_e与s_e的夹角为离散角α，表达式为：

$tan\mathrm{\α}=(1-n_e^2/n_o^2)\frac{{\mathrm{tan\θ}}_{kp}}{1+(n_o^2/n_e^2){\tan }^2{\mathrm{\θ}}_{kp}}---\left(9\right)$

依上式即可求出离散角α；

由k_e、s_e与晶体光轴p三共面可知：

$\left|\begin{array}{ccc}{a}_e& b_e& c_e\\ \frac{{\mathrm{cos\α}}_1}{{\mathrm{sin\θ}}_1}{\mathrm{sin\θ}}_{ke}& \frac{{\mathrm{cos\β}}_1}{{\mathrm{sin\θ}}_1}{\mathrm{sin\θ}}_{ke}& {\mathrm{cos\θ}}_{ke}\\ x_0& y_0& z_0\end{array}\right|=0---\left(10\right)$

由晶体光学理论可知s_e与光轴p夹角θ_sp可由确定；同时有：

cosθ_sp＝s_e·e_p＝a_ex₀+b_ey₀+c_ez₀(11)

$cos\mathrm{\α}=k_e\·s_e=a_e\frac{{\mathrm{cos\α}}_1}{{\mathrm{sin\θ}}_1}{\mathrm{sin\θ}}_{ke}+b_e\frac{{\mathrm{cos\β}}_1}{{\mathrm{sin\θ}}_1}{\mathrm{sin\θ}}_{ke}+c_e{\mathrm{cos\θ}}_{ke}---\left(12\right)$

由公式(10)、(11)和(12)，可以得到：

Ps_e＝Q(13)

其中 $P=\left[\begin{array}{ccc}{z}_0\frac{{\mathrm{cos\β}}_1}{{\mathrm{sin\θ}}_1}{\mathrm{sin\θ}}_{ke}-y_0{\mathrm{cos\θ}}_{ke}& x_0{\mathrm{cos\θ}}_{ke}-z_0\frac{{\mathrm{cos\α}}_1}{{\mathrm{sin\θ}}_1}{\mathrm{sin\θ}}_{ke}& y_0\frac{{\mathrm{cos\α}}_1}{{\mathrm{sin\θ}}_1}{\mathrm{sin\θ}}_{ke}-x_0\frac{{\mathrm{cos\β}}_1}{{\mathrm{sin\θ}}_1}{\mathrm{sin\θ}}_{ke}\\ x_0& y_0& z_0\\ \frac{{\mathrm{cos\α}}_1}{{\mathrm{sin\θ}}_1}{\mathrm{sin\θ}}_{ke}& \frac{{\mathrm{cos\β}}_1}{{\mathrm{sin\θ}}_1}{\mathrm{sin\θ}}_{ke}& {\mathrm{sin\θ}}_{ke}\end{array}\right];$

$s_e=\left[\begin{array}{c}{a}_e\\ b_e\\ c_e\end{array}\right];Q=\left[\begin{array}{c}0\\ cos{\mathrm{\θ}}_{sp}\\ \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]$

当入射平面光为k₁＝(cosα₁,cosβ₁,cosθ₁)时，折射光s_e＝(a_e,b_e,c_e)与折射光s_o＝(a_o,b_o,c_o)方向余弦表达式分别为：

s_e＝P^-1Q(14)

$s_o=\left[\begin{array}{c}{a}_o\\ b_o\\ c_o\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ sin\[arcsin(n_{1}sin{\mathrm{\θ}}_1/n_o)\]\\ cos\[arcsin(n_{1}sin{\mathrm{\θ}}_1/n_o)\]\end{array}\right]---\left(15\right).$

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同，其特征在于：所述的终端光学元件晶体双折射效应：

终端光学元件装置的包括：被测光学元件，晶体，透镜，CCD传感器；

被检光学元件厚度L₁，被检光学元件与光路中的晶体元件距离为D₁；晶体厚度为L₂，晶体与成像***的等效透镜距离为D₂，等效透镜的光心为P，等效透镜与CCD距离为D₃；设被检元件后表面某一位置存在损伤点为Q(x,y)，Q点发出的散射光其中一部分进入成像***，进入成像***的这部分光构成一个锥状体，设锥状体的锥顶立体角为Ω_Q，对应的锥顶平面角为α_Q；Ω_Q与α_Q的大小决定着进入成像***光通量；k₁与k₂表示损伤点Q发出的两个不同方向的散射光波矢量；其中，光波矢量k₁满足条件：k₁入射到晶体入光面点A处，在晶体内产生的折射o光线折射角为θ_A，o光线穿出晶体后，出射的o光线经过成像***的等效透镜光心P，照射到CCD传感器感光面上Q₁点，其中，ω_o'为o光线与光路光轴的夹角，即o光像的像方视场角，ω_o'与其他汇聚来的o光线形成o光像Q₁；光波矢量k₂满足条件：k₂入射到晶体入光面点B处，在晶体内产生的折射e光线折射角为θ_B，e光线穿出晶体后，出射的e光线经过成像***的等效透镜光心P，照射到CCD传感器感光面上Q₂点，其中，ω_e'为e光线与光路光轴的夹角，即e光像的像方视场角，ω_e与其他汇聚来的e光线形成e光像Q₂；U'为轴上像点的像方孔径角，U'与ω_o'、ω_e'决定成像亮度。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同，其特征在于所述的终端光学元件晶体双折射所致孪生像的能量关系：

当偏振光入射晶体表面时，偏振度P＝1，o光与e光的光强为：I_o＝Isin²θ，I_e＝Icos²θ，其中，I_o为o光的光强，I_e为e光的光强，I为入射光的光强，θ为偏振方向与主截面夹角；对于完全非偏振光，偏振度P＝0，o光与e光的光强为：I_o＝I_e＝I/2；对于部分偏振光，偏振度0<P<1，o光与e光的光强为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_o=(1-P)I/2+PI{\sin }^2\mathrm{\&theta;}\\ I_e=(1-P)I/2+PI{\cos }^2\mathrm{\&theta;}\end{array}\right.---\left(20\right)$

θ为部分偏振光最大偏振方向与主截面的夹角，每一个损伤点在暗场边框侧照明下为一个朗伯光源，散射光进入FODI成像***如图4的锥顶平面孔径角为α_Q；则进入成像***内的光通量为Φ_Q＝πL_VS_Qsin²(α_Q/2)，其中，Lv是损伤点发出的散射光亮度，S_Q是损伤点实际面积。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同，其特征在于步骤二剔除e光像如图3所示：

在一块光学元件表面间隔选取m×n个位置作为损伤点位置，设m×n个位置的损伤点构成集合Q＝{Q₁,Q₂,…,Q_mn}，CCD传感器感光面上上所有的o光像点构成集合Q_O＝{Q_O1,Q_O2,…,Q_Omn}，所有的e光像点构成集合Q_E＝{Q_E1,Q_E2,…,Q_Emn}；通过公式(17)、(19)计算可以得出m×n对孪生像的位置，分析这些孪生像位置关系得出结论：每一对孪生像中的o光像与e光像距离在133μm～408μm之间，倾斜角在15.78°～74.22°之间；利用此结论可以实现对每对孪生像进行重影剔除，即把e光像作为重影像，它的灰度积分值合并到o光像上，o光像作为损伤点的唯一像，剔除e光像。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同，其特征在于步骤三拟合定标曲线与定标方程：

根据图2CCD的光电特性曲线，CCD的输出电压与照度的线性关系，输出电压经过A/D转换体现为图像中的灰度值；

有晶体双折射的时候，用E_Vo、E_Ve分别表示o光像与e光像的光照度，L_Vo、L_Ve分别表示o光像与e光像的光亮度，ω_o'、ω_e'分别表示o光像与e光像的像方视场角；当偏振度P＝0时，o、e像点的照度之比为：

$\frac{E_{{\mathrm{VQ}}_2}}{E_{{\mathrm{VQ}}_1}}=\frac{L_{Ve}{\cos }^4{\mathrm{\&omega;}}_e^{\&prime;}}{L_{Vo}{\cos }^4{\mathrm{\&omega;}}_o^{\&prime;}}\&ap;\frac{n_e^2}{n_o^2{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}_{kp}+n_e^2{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}_{kp}}---\left(21\right)$

有晶体双折射的时候，当偏振度0<P<1时，设θ为部分偏振光最大偏振方向与主截面的夹角，o、e像点的照度之比为：

$\frac{E_{{\mathrm{VQ}}_2}}{E_{{\mathrm{VQ}}_1}}=\frac{L_{Ve}{\cos }^4{\mathrm{\&omega;}}_e^{\&prime;}}{L_{Vo}{\cos }^4{\mathrm{\&omega;}}_o^{\&prime;}}\&ap;\frac{L_{Ve}}{L_{Vo}}=\frac{(1-P)/2+P{\cos }^2\mathrm{\&theta;}}{(1-P)/2+P{\sin }^2\mathrm{\&theta;}}---\left(22\right)$

分析公式(21)得出结论：有晶体双折射时，当偏振度P＝0时，在CCD传感器感光面上孪生像的照度之比恒有：分析公式(22)得出结论：有晶体双折射时，当偏振度0<P<1时，在CCD传感器感光面上孪生像的照度之比分以下情况：对于变量θ，当P取区间(0,1]某一值时，是关于θ的偶函数，且随着|θ|的增大而减小，且当θ＝±45°时对于变量P，在|θ|取区间[0,45°)某一值时，随P的增大而增大；在|θ|取区间(45°,90°]某一值时，随P的增大而减小；当θ＝0，P＝1时，当θ＝90°，P＝1时，由于被检光学元件上损伤点发出的光是部分偏振光，再基于上述两条结论，当逐渐变大时，o光像就会在CCD传感器感光面上逐渐消失；当E_Ve/E_Vo逐渐变小时，e光像就会在CCD传感器感光面上逐渐消失，这两种情况都会导致孪生像逐渐退化为孤立点，只有比值在1附近偏离不大时，CCD传感器感光面上将会呈现可观察的孪生像；

以损伤点做定标样本点，对孪生像剔除重影，获得合并像，得到合并像与孤立点的灰度积分，像点的灰度值之和SumofIntensity，将终端光学元件放在离线测量平台下测出损伤点的物理形貌，以损伤点的等价圆直径表示物理尺寸，对测出的每个损伤点的损伤面积S_i计算出等价圆直径以定标样本点的等价圆直径为横坐标，灰度积分为纵坐标进行曲线拟合，得出定标曲线与定标方程。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同，其特征在于步骤四中得出的定标曲线和定标方程如图5可以得到d_ECD＝(SumInt/1.3101)^1/2.186，对FODI成像***在线检测图像中损伤点的像计算出像点的灰度积分值(对于孪生像则是合并像的灰度积分值)，根据公式d_ECD＝(SumInt/1.3101)^1/2.186计算出损伤点的等价圆直径，进行对FODI成像***在线检测图像中损伤点物理尺寸的定量检测。

Claims (7)

1.终端光学元件损伤在线检测中孪生像尺寸的定量检测方法，其特征在于基于孪生像尺寸的定量检测方法包括以下步骤：

步骤一、在终端光学元件在线检测***FODI上通过终端光学元件晶体双折射效应得到光学元件上M×N个损伤点在成像***中的o光像与e光像的坐标位置，分析并找出M×N对孪生像坐标所满足的位置关系与能量关系；

步骤二、根据o光像与e光像的坐标位置关系，把e光像作为重影像，e光像的灰度积分值合并到o光像上，保留合并能量后的o光像作为损伤点的唯一像，剔除e光像；

步骤三、对终端光学元件在线检测***FODI在线检测的损伤点进行辐射定标，找出孤立点与剔除重影后的孪生像作为样本点，得到它们的灰度积分值，把终端光学元件在线检测***FODI在线成像对应的光学元件放在离线测量平台下测出样本点对应的实际物理尺寸，利用样本点的灰度积分与物理尺寸对应关系拟合出定标曲线与定标方程；

步骤四、利用定标曲线和定标方程对终端光学元件在线检测***FODI在线成像中未测的孤立点和孪生像进行尺寸的定量检测。

2.根据权利要求1所述的终端光学元件损伤在线检测中孪生像尺寸的定量检测方法，其特征在于：在终端光学元件在线检测***FODI上通过终端光学元件晶体双折射效应与几何光学成像公式得到光学元件上M×N个损伤点在成像***中的o光像与e光像的坐标位置：

根据终端光学元件晶体双折射效应找出o光线的位置Q₁(x₁,y₁)：

$f\left({\mathrm{\&theta;}}_1\right)=(D_1+D_2){\mathrm{tan\&theta;}}_1+L_{2}tan\&lsqb;arcsin(n_1{\mathrm{sin\&theta;}}_1/n_o)\&rsqb;-\sqrt{x^2+y^2}---\left(16\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}{D}_3{\mathrm{tan\&theta;}}_{1m}\\ y_1=\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}{D}_3{\mathrm{tan\&theta;}}_{1m}\end{array}\right.---\left(17\right)$

θ₁是入射光的入射角，L₁是被检测光学元件的厚度，L₂是晶体厚度，D₁是被检测光学元件与晶体之间的距离，D₂是晶体与透镜之间的距离；n₁是真空折射率，D₃是透镜与CCD之间的距离；n₀是o光主轴折射率，x,y是损伤点在光学元件上的坐标，x₁,y₁是o光像在CCD上的坐标；D₃是透镜与CCD之间距离；θ_1m是f(θ₁)＝0；

根据终端光学元件晶体双折射效应找出e光线的位置Q₂(x₂,y₂)：

$\left\{\begin{array}{c}g({\mathrm{\&alpha;}}_1,{\mathrm{\&beta;}}_1)=x+\frac{a_e}{c_e}{L}_2+\frac{{\mathrm{cos\&alpha;}}_1}{\sqrt{1-{\cos }^2{\mathrm{\&alpha;}}_1-{\cos }^2{\mathrm{\&beta;}}_1}}(D_1+D_2)\\ h({\mathrm{\&alpha;}}_1,{\mathrm{\&beta;}}_1)=y+\frac{b_e}{c_e}{L}_2+\frac{{\mathrm{cos\&beta;}}_1}{\sqrt{1-{\cos }^2{\mathrm{\&alpha;}}_1-{\cos }^2{\mathrm{\&beta;}}_1}}(D_1+D_2)\end{array}\right.---\left(18\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{x}_2=\frac{D_3}{D_1+D_2}(x+\frac{a_e}{c_e}{L}_2)\\ y_2=\frac{D_3}{D_1+D_2}(y+\frac{b_e}{c_e}{L}_2)\end{array}\right.---\left(19\right)$

α₁是入射光与被检测光学元件坐标系X轴夹角；β₁是入射光与被检测光学元件坐标系Y轴的夹角；a_e是e光线的X分量；b_e是e光线的Y分量；c_e是e光线的Z分量。

3.根据权利要求2所述的终端光学元件损伤在线检测中孪生像尺寸的定量检测方法，其特征在于：所述的终端光学元件晶体双折射效应：

终端光学元件装置的包括：被测光学元件，晶体，透镜，CCD传感器；

被检光学元件厚度L₁，被检光学元件与光路中的晶体元件距离为D₁；晶体厚度为L₂，晶体与成像***的等效透镜距离为D₂，等效透镜的光心为P，等效透镜与CCD距离为D₃；设被检元件后表面某一位置存在损伤点为Q(x,y)，Q点发出的散射光其中一部分进入成像***，进入成像***的这部分光构成一个锥状体，设锥状体的锥顶立体角为Ω_Q，对应的锥顶平面角为α_Q；Ω_Q与α_Q的大小决定着进入成像***光通量；k₁与k₂表示损伤点Q发出的两个不同方向的散射光波矢量；其中，光波矢量k₁满足条件：k₁入射到晶体入光面点A处，在晶体内产生的折射o光线折射角为θ_A，o光线穿出晶体后，出射的o光线经过成像***的等效透镜光心P，照射到CCD传感器感光面上Q₁点，其中，ω_o'为o光线与光路光轴的夹角，即o光像的像方视场角，ω_o'与其他汇聚来的o光线形成o光像Q₁；光波矢量k₂满足条件：k₂入射到晶体入光面点B处，在晶体内产生的折射e光线折射角为θ_B，e光线穿出晶体后，出射的e光线经过成像***的等效透镜光心P，照射到CCD传感器感光面上Q₂点，其中，ω_e'为e光线与光路光轴的夹角，即e光像的像方视场角，ω_e与其他汇聚来的e光线形成e光像Q₂；U'为轴上像点的像方孔径角，U'与ω_o'、ω_e'决定成像亮度。

4.根据权利要求1所述的终端光学元件损伤在线检测中孪生像尺寸的定量检测方法，其特征在于：所述的终端光学元件晶体双折射所致孪生像的能量关系：

当偏振光入射晶体表面时，偏振度P＝1，o光与e光的光强为：I_o＝Isin²θ，I_e＝Icos²θ，其中，I_o为o光的光强，I_e为e光的光强，I为入射光的光强，θ为偏振方向与主截面夹角；对于完全非偏振光，偏振度P＝0，o光与e光的光强为：I_o＝I_e＝I/2；对于部分偏振光，偏振度0<P<1，o光与e光的光强为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_o=(1-P)I/2+{\mathrm{PIsin}}^2\mathrm{\&theta;}\\ I_e=(1-P)I/2+{\mathrm{PIcos}}^2\mathrm{\&theta;}\end{array}\right.---\left(20\right)$

θ为部分偏振光最大偏振方向与主截面的夹角，每一个损伤点在暗场边框侧照明下为一个朗伯光源，散射光进入FODI成像***的锥顶平面孔径角为α_Q；则进入成像***内的光通量为Φ_Q＝πL_VS_Qsin²(α_Q/2)，其中，Lv是损伤点发出的散射光亮度，S_Q是损伤点实际面积。

5.根据权利要求1所述的终端光学元件损伤在线检测中孪生像尺寸的定量检测方法，其特征在于：所述的步骤二剔除e光像的步骤：

在一块光学元件表面间隔选取m×n个位置作为损伤点位置，设m×n个位置的损伤点构成集合Q＝{Q₁,Q₂,…,Q_mn}，CCD传感器感光面上所有的o光像点构成集合Q_O＝{Q_O1,Q_O2,…,Q_Omn}，所有的e光像点构成集合Q_E＝{Q_E1,Q_E2,…,Q_Emn}；通过公式(17)、(19)计算可以得出m×n对孪生像的位置，分析上述孪生像位置关系得出：每一对孪生像中的o光像与e光像距离在133μm～408μm之间，倾斜角在15.78°～74.22°之间；对每对孪生像进行重影剔除，把e光像作为重影像，它的灰度积分值合并到o光像上，o光像作为损伤点的唯一像，剔除e光像。

6.根据权利要求1所述的终端光学元件损伤在线检测中孪生像尺寸的定量检测方法，其特征在于：所述的步骤三拟合定标曲线与定标方程包括：

根据光电特性曲线，CCD传感器感光面的输出电压与照度的线性关系，输出电压经过A/D转换体现灰度值；

有晶体双折射的时，用E_Vo、E_Ve分别表示o光像与e光像的光照度，L_Vo、L_Ve分别表示o光像与e光像的光亮度，ω_o'、ω_e'分别表示o光像与e光像的像方视场角；当偏振度P＝0时，o、e像点的照度之比为：

$\frac{E_{{\mathrm{VQ}}_2}}{E_{{\mathrm{VQ}}_1}}=\frac{L_{Ve}{\cos }^4{\mathrm{\&omega;}}_e^{\&prime;}}{L_{Vo}{\cos }^4{\mathrm{\&omega;}}_o^{\&prime;}}\&ap;\frac{n_e^2}{n_o^2{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}_{kp}+n_e^2{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}_{kp}}---\left(21\right)$

有晶体双折射的时候，当偏振度0<P<1时，设θ为部分偏振光最大偏振方向与主截面的夹角，o、e像点的照度之比为：

$\frac{E_{{\mathrm{VQ}}_2}}{E_{{\mathrm{VQ}}_1}}=\frac{L_{Ve}{\cos }^4{\mathrm{\&omega;}}_e^{\&prime;}}{L_{Vo}{\cos }^4{\mathrm{\&omega;}}_o^{\&prime;}}\&ap;\frac{L_{Ve}}{L_{Vo}}\frac{(1-P)/2+{\mathrm{Pcos}}^2\mathrm{\&theta;}}{(1-P)/2+{\mathrm{Psin}}^2\mathrm{\&theta;}}---\left(22\right)$

根据公式(21)得到：有晶体双折射时，当偏振度P＝0时，在CCD传感器感光面上孪生像的照度之比恒有：

根据公式(22)得到：有晶体双折射时，当偏振度0<P<1时，在CCD传感器感光面上孪生像的照度之比分以下情况：对于变量θ，当P取区间(0,1]某一值时，是关于θ的偶函数，且随着|θ|的增大而减小，且当θ＝±45°时对于变量P，在|θ|取区间[0,45°)某一值时，随P的增大而增大；在|θ|取区间(45°,90°]某一值时，随P的增大而减小；当θ＝0，P＝1时，当θ＝90°，P＝1时，由于被检光学元件上损伤点发出的光是部分偏振光，根据公式(21)和公式(22)得到：当逐渐变大时，o光像就会在CCD传感器感光面上逐渐消失；当E_Ve/E_Vo逐渐变小时，e光像就会在CCD传感器感光面上逐渐消失，以上情况都会导致孪生像逐渐退化为孤立点，只有比值在1附近时，CCD传感器感光面上呈现可视的孪生像；

以损伤点做定标样本点，对孪生像剔除重影，获得合并像，得到合并像与孤立点的灰度积分，像点的灰度值之和SumofIntensity，将终端光学元件放在离线测量平台下测出损伤点的物理形貌，以损伤点的等价圆直径表示物理尺寸，对测出的每个损伤点的损伤面积S_i计算出等价圆直径以定标样本点的等价圆直径为横坐标，灰度积分为纵坐标进行曲线拟合，得出定标曲线与定标方程。

7.根据权利要求1所述的终端光学元件损伤在线检测中孪生像尺寸的定量检测方法，其特征在于：所述的定标曲线和定标方程可以得到d_ECD＝(SumInt/1.3101)^1/2.186，对FODI在线成像中损伤点的像得到孤立像点的灰度积分值，得到孪生像合并像的灰度积分值，根据公式d_ECD＝(SumInt/1.3101)^1/2.186得到损伤点的等价圆直径，进行对FODI在线成像中损伤点物理尺寸的定量检测。