CN109839387A - 快速统计大口径光学元件表面污染和损伤的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速统计大口径光学元件表面污染和损伤的方法，包括以下步骤：S1：将大口径光学元件置于暗室内；S2：启动并调整全反射照明模块，使光线以全反射角入射大口径光学元件的表面；S3：利用图像采集***对大口径光学元件的表面进行图像采集；S4：关闭全反射照明模块；S5：启动并调整低角度入射照明模块；S6：利用图像采集***对大口径光学元件的表面进行图像采集。采用以上方法，避免了复杂的流程，简洁、高效、直观地实现了大口径光学元件表面污染和损伤的快速分辨和统计，解决了目前技术不能兼顾同时统计污染和损伤的问题。
Description
技术领域
本发明涉及大口径光学元件表面识别技术领域，具体涉及一种快速统计大口径光学元件表面污染和损伤的方法。
背景技术
大型高功率固体激光装置，如：美国国家点火装置(NIF)、法国兆焦耳激光装置(LMJ)和中国神光系列装置，采用大量的米级尺寸的大口径光学元件。典型的是NIF装置，由192束激光组成，包含7360块大口径光学元件。然而，由于元件的制作加工质量以及使用环境洁净度等因素，这些昂贵的大口径光学元件在大型高功率激光装置的运行中不可避免地遭受表面污染和激光损伤的困扰，严重影响了光学元件的稳定性和使用寿命，威胁大型高功率激光装置的经济可靠运行。因此，为了维持光学元件性能并提高其服役寿命，必须定期下架大口径光学元件对其进行维护。
大口径光学元件维护必须具备快速识别元件表面污染和损伤的大小和数量，并能够统计出其分布，然后根据元件具体的污染和损伤情况，判断元件下一步是采取污染清洗、损伤修复还是报废等处理。然而现有的方法要么只能单独识别大口径光学元件的表面损伤，要么只能单独识别大口径光学元件的表面污染，导致需要在两个工位转运才能完成统计大口径光学元件表面污染和损伤的任务，不仅效率低下，而且方法较为复杂、设备准备较多、操作便捷性差。因此，现有方法均不能满足快速识别统计大口径光学元件表面污染和损伤的要求。
针对目现有技术难以实现大口径光学元件表面污染和损伤的快速分辨和统计的难题，必须进行原理性的技术创新，探索出一种快速分辨污染和损伤，并统计其分布的新方法，以解决现有技术存在的问题。
发明内容
为解决现有技术难以实现大口径光学元件表面污染和损伤的快速分辨和统计的技术问题，本发明提供了一种快速统计大口径光学元件表面污染和损伤的方法。
其技术方案如下：
一种快速统计大口径光学元件表面污染和损伤的方法，其要点在于，包括：
将大口径光学元件置于暗室中的步骤；
利用采集照明***，使光线以全反射角入射大口径光学元件的表面，并利用图像采集***获取大口径光学元件表面损伤点分布的单一图像的步骤；
利用采集照明***，使光线以低角度入射照明大口径光学元件的表面，并利用图像采集***获取大口径光学元件表面污染点和损伤点分布的混合图像的步骤；以及
利用计算机对图像采集***两次分别获取到的单一图像和混合图像进行处理，获得大口径光学元件表面污染点分布的单一图像的步骤。
采用以上方法，光线以全反射角入射大口径光学元件的表面时，未受损伤位置会对光线形成全反射，全反射光不会被图像采集***采集，仅损伤位置由于表面形状发生变化，会被照亮，形成漫反射，图像采集***能够采集到漫反射图像，从而获取大口径光学元件表面损伤点的位置和尺寸信息；光线以低角度入射照明大口径光学元件的表面时，未受损伤、且没有污染位置会将光线反射到图像采集***以外的位置，而受损或受污染的位置则同样会被照亮，形成漫反射，图像采集***能够采集到漫反射图像，从而获取大口径光学元件表面损伤点和污染点的位置和尺寸信息，再利用计算机扣除全反射照明获得的损伤分布，能够获取大口径光学元件表面污染的位置和尺寸信息，从而避免了复杂的流程，简洁高效地实现了大口径光学元件表面污染和损伤的快速分辨和统计，解决了目前技术不能兼顾同时统计污染和损伤的问题。
作为优选：所述采集照明***包括全反射照明模块和低角度入射照明模块；当全反射照明模块启动时，低角度入射照明模块关闭，当低角度入射照明模块启动时，全反射照明模块关闭。采用以上方法，保证检测条件的单一性，准确控制实验条件。
作为优选：所述全反射照明模块包括若干全反射照明线光源1以及分别设置在各个全反射照明线光源1与大口径光学元件之间的全反射狭缝光阑2，所述低角度入射照明模块包括若干低角度入射照明线光源3以及分别设置在各个低角度入射照明线光源3与大口径光学元件之间的低角度入射狭缝光阑4。采用以上方法，简单可靠，易于控制。
作为优选：各个所述全反射照明线光源1沿周向分布在大口径光学元件的周围。采用以上方法，能够可靠地对大口径光学元件的整个表面形成全反射，从而不会遗漏任何大口径光学元件的损伤点，而且全反射的形成不需要额外的辅助工具，更加简单可靠。
作为优选：各个所述全反射照明线光源1和低角度入射照明线光源3均为LED线光源。采用以上方法，稳定可靠。
作为优选：各个所述全反射狭缝光阑2和低角度入射狭缝光阑4的狭缝宽度均可调。采用以上方法，能够使光线准确地以全反射角或低角度入射大口径光学元件的表面。
作为优选：所述图像采集***包括CCD相机6和成像镜头5，所述成像镜头5设置在CCD相机6靠近大口径光学元件的一侧，所述CCD相机6和计算机之间能够进行数据传输。采用以上方法，能够准确地采集图像信息，同时利用计算机对采集图像进行分析，从而获取大口径光学元件表面污染和损伤的分布信息。
作为优选：在所述暗室中设置有样品台，该样品台包括底座和设置在底座上的光学元件固定支架。采用以上方法，能够稳定可靠地竖向固定大口径光学元件，以便于全反射照明模块和低角度入射照明模块的布置。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
采用以上技术方案的快速统计大口径光学元件表面污染和损伤的方法，设计巧妙，易于实现，避免了复杂的流程，简洁、高效、直观地实现了大口径光学元件表面污染和损伤的快速分辨和统计，解决了目前技术不能兼顾同时统计污染和损伤的问题。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为侧边全反射照明大口径熔石英真空窗口表面损伤分布图；
图3为侧边低角度入射照明口径熔石英真空窗口表面损伤和污染分布图；
图4为侧边全反射照明大口径熔石英楔形透镜表面损伤分布图；
图5为侧边低角度入射照明口径熔石英楔形透镜表面损伤和污染分布图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种快速统计大口径光学元件表面污染和损伤的方法，包括以下步骤：
一、将大口径光学元件7置于暗室中。
暗室是封闭门窗、房屋照明光源能够被关闭的房间，在暗室中设置有样品台，该样品台包括底座和设置在底座上的光学元件固定支架。大口径光学元件7沿竖直方向固定在光学元件固定支架上。
二、利用采集照明***，使光线以全反射角入射大口径光学元件7的表面，并利用图像采集***获取大口径光学元件表面损伤点分布的单一图像。
所述采集照明***包括全反射照明模块和低角度入射照明模块；当全反射照明模块启动时，低角度入射照明模块关闭，当低角度入射照明模块启动时，全反射照明模块关闭。本步骤中，全反射照明模块启动，低角度入射照明模块关闭。
所述全反射照明模块包括若干全反射照明线光源1以及分别设置在各个全反射照明线光源1与大口径光学元件7之间的全反射狭缝光阑2。各所述全反射照明线光源1沿大口径光学元件7的侧边周向分布。所述全反射狭缝光阑2的狭缝宽度可调。所述全反射照明线光源1为LED线光源。
具体地说，打开各个全反射照明线光源1，调整各个全反射狭缝光阑2的狭缝宽度，使各束光线均以全反射角照明大口径光学元件7的表面。
然后，利用图像采集***对大口径光学元件的表面进行图像采集，并对采集图像上损伤点的位置和尺寸进行记录，完成后关闭全反射照明模块。
所述图像采集***包括CCD相机6和成像镜头5，所述成像镜头5设置在CCD相机6靠近大口径光学元件7的一侧，所述CCD相机6能够与计算机进行数据传输，将采集到的图像信息实时传输给计算机。其中，CCD相机6的分辨率是10000×7100像素点，对430mm×430mm元件的分辨率达60μm，能够精确地识别大口径光学元件表面的损伤和污染。
具体地说，关闭暗室的普通照明光源，仅保留各个全反射照明线光源1的照明，利用CCD相机6配合成像镜头5对整个大口径光学元件7表面进行图像采集，此时只有表面损伤点被照亮，通过计算机对采集到的表面图像上的损伤点进行位置和尺寸的统计、分析和记录。需要指出的是，计算机不仅能够对采集的图像进行统计分析，而且能够控制采集照明***和图像采集***的工作，从而具备控制***的功能。
三、利用采集照明***，使光线以低角度入射照明大口径光学元件7的表面，并利用图像采集***获取大口径光学元件表面污染点和损伤点分布的混合图像。
启动并调整低角度入射照明模块，使光线以低角度入射照明大口径光学元件7的表面。本步骤中，全反射照明模块关闭，低角度入射照明模块启动。
与全反射照明模块类似，所述低角度入射照明模块包括若干低角度入射照明线光源3以及分别设置在各个低角度入射照明线光源3与大口径光学元件7之间的低角度入射狭缝光阑4。所述低角度入射狭缝光阑4的狭缝宽度可调。所述低角度入射照明线光源3为LED线光源。需要指出的是，低角度入射至的是保证低角度入射照明线光源3出射的光线经大口径光学元件7表面的正常位置(未受损、未污染)反射后，不会射向成像镜头5和CCD相机6。
具体地说，打开各个低角度入射照明线光源3，调整各个低角度入射狭缝光阑4的狭缝宽度，使各束光线均以低角度入射照明大口径光学元件7的表面。需要指出的是，低角度入射照明模块同样是由计算机控制的。
利用图像采集***对大口径光学元件7的表面进行图像采集，并对采集图像上损伤点和污染点的位置和尺寸进行记录。具体地说，利用CCD相机6配合成像镜头5对整个大口径光学元件7表面进行图像采集，此时表面的损伤点和污染点同时被照亮，通过计算机对采集到的表面图像上的损伤点和污染点进行位置和尺寸的统计、分析和记录。
四、利用计算机对图像采集***两次分别获取到的单一图像和混合图像进行处理，获得大口径光学元件表面污染点分布的单一图像的步骤。
需要指出的是，步骤三与步骤二可以前后互换。如果先进行步骤二、后进行步骤三，则先获取大口径光学元件表面损伤点分布的单一图像，再获取大口径光学元件表面污染点和损伤点分布的混合图像，从混合图像中扣除单一图像，则获得大口径光学元件表面污染点分布的单一图像，即获得大口径光学元件污染点的位置和尺寸分布情况。如果先进行步骤三、后进行步骤二，则先获取大口径光学元件表面污染点和损伤点分布的混合图像，再获取大口径光学元件表面损伤点分布的单一图像，最后从混合图像中扣除单一图像，仍然能够获得大口径光学元件表面污染点分布的单一图像，即获得大口径光学元件污染点的位置和尺寸分布情况。
以下举两个具体实施例：
实施例1
请参见图2和图3，将从高功率激光装置上下架的熔石英真空窗口(430mm×430mm)竖直固定在样品台上，仅打开各个全反射照明线光源1，并调整各个对应的全反射狭缝光阑2的狭缝宽度，大口径光学元件7表面被引入的照明光以内全反射的方式照明，大口径光学元件7表面损伤处将全反射条件破坏，照明光从大口径光学元件7表面被散射出来，然后被CCD相机6捕获，散射点表现为亮点；大口径光学元件7表面完整部分和污染位置没有破坏内全反射条件，大口径光学元件7表面和污染表现为暗背景(请参见图2)，利用计算机对采集图像进行分析，获得元件表面损伤的尺寸和分布数据。关闭各个全反射照明线光源1，打开各个低角度入射照明线光源3，调整各个对应低角度入射狭缝光阑4的狭缝宽度，大口径光学元件7表面被入射照明光照明，元件表面损伤和污染均散射照明光，CCD相机6采集图像上的亮点为大口径光学元件7表面混在一起的损伤和污染，如图3所示，利用计算机对采集图像进行分析，获得元件表面损伤和污染的尺寸和分布，扣除侧边全反射照明获得的损伤的数据，获得元件表面污染的分布数据。
实施例2
请参见图4和图5，本实施例与实施例1的区别在于：熔石英真空窗口(430mm×430mm)换为大口径楔形透镜(430mm×430mm)。侧边全反射照明楔形透镜图像如图4所示，侧边低角度掠入射照明楔形透镜图像如图5所示。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种快速统计大口径光学元件表面污染和损伤的方法，其特征在于，包括：
将大口径光学元件置于暗室中的步骤；
利用采集照明***，使光线以全反射角入射大口径光学元件的表面，并利用图像采集***获取大口径光学元件表面损伤点分布的单一图像的步骤；
利用采集照明***，使光线以低角度入射照明大口径光学元件的表面，并利用图像采集***获取大口径光学元件表面污染点和损伤点分布的混合图像的步骤；以及
利用计算机对图像采集***两次分别获取到的单一图像和混合图像进行处理，获得大口径光学元件表面污染点分布的单一图像的步骤。
2.根据权利要求1所述的快速统计大口径光学元件表面污染和损伤的方法，其特征在于：所述采集照明***包括全反射照明模块和低角度入射照明模块；当全反射照明模块启动时，低角度入射照明模块关闭，当低角度入射照明模块启动时，全反射照明模块关闭。
3.根据权利要求2所述的快速统计大口径光学元件表面污染和损伤的方法，其特征在于：所述全反射照明模块包括若干全反射照明线光源1以及分别设置在各个全反射照明线光源1与大口径光学元件之间的全反射狭缝光阑2，所述低角度入射照明模块包括若干低角度入射照明线光源3以及分别设置在各个低角度入射照明线光源3与大口径光学元件之间的低角度入射狭缝光阑4。
4.根据权利要求3所述的快速统计大口径光学元件表面污染和损伤的方法，其特征在于：各个所述全反射照明线光源1沿周向分布在大口径光学元件的周围。
5.根据权利要求3所述的快速统计大口径光学元件表面污染和损伤的方法，其特征在于：各个所述全反射照明线光源1和低角度入射照明线光源3均为LED线光源。
6.根据权利要求3所述的快速统计大口径光学元件表面污染和损伤的方法，其特征在于：各个所述全反射狭缝光阑2和低角度入射狭缝光阑4的狭缝宽度均可调。
7.根据权利要求1所述的快速统计大口径光学元件表面污染和损伤的方法，其特征在于：所述图像采集***包括CCD相机6和成像镜头5，所述成像镜头5设置在CCD相机6靠近大口径光学元件的一侧，所述CCD相机6和计算机之间能够进行数据传输。
8.根据权利要求1所述的快速统计大口径光学元件表面污染和损伤的方法，其特征在于：在所述暗室中设置有样品台，该样品台包括底座和设置在底座上的光学元件固定支架。
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