CN110161052A - 原位监测密集排布大口径光学元件损伤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位监测密集排布大口径光学元件损伤的方法，按照以下步骤进行：S1：将各个大口径光学元件分别嵌入各自的安装夹持框中；S2：在各个大口径光学元件上安装遮光条；S3：将各个安装夹持框沿前后方向等距地装入高功率激光装置中；S4：当需要原位监测任一大口径光学元件的损伤情况时，打开该大口径光学元件的线光源，并关闭其余大口径光学元件的线光源；S5：利用图像采集设备采集该大口径光学元件的暗场图像。采用以上方法，具备了排除相邻元件干扰获取无伪损伤的高质量元件损伤图像的能力，能够直观地原位在线监测大口径光学元件的损伤，便捷高效获得损伤的尺寸和分布位置信息。

Description

原位监测密集排布大口径光学元件损伤的方法

技术领域

本发明涉及光学元件检测技术领域，具体涉及一种原位监测密集排布大口径光学元件损伤的方法。

背景技术

对于高功率激光装置，尽管新的抗激光损伤光学材料和加工技术不断开发出来，但是在经济和科技两方面的因素驱使下，激光器设计人员不断把***的运行功率提高到这些新材料和新工艺的极限，以达到在确定的费用下尽可能获得更高的输出能量的目的。在接近或超过光学元件损伤阈值运行的高功率激光装置面临的最严重的挑战之一是光学元件的激光诱导损伤问题，灾难性的是，元件激光损伤一旦发生，在激光后续发次辐照下其尺寸快速增长，导致元件报废，极大地制约了高功率激光装置的经济稳定运行。

针对高功率激光装置超阈值运行这种特殊的运行状态，必须监测识别服役光学元件上的每个损伤点，并跟踪每个损伤点的尺寸增长情况，获得元件损伤状态的基本数据，一旦损伤点达到规定的尺寸，元件立即下架，对损伤点进行修复处理，延长元件的使用寿命。因此，为了大型高功率激光装置的经济可靠运行，维持光学元件稳定性以提高其服役寿命，必须掌握原位监测大口径光学元件激光诱导损伤的能力。

目前，已经公开了大量的高功率激光装置大口径光学元件损伤状态检测方法和装置，但是这些方法和装置基本上都是针对下架的元件进行离线检测，离线检测的工况简单，只有单一的被检元件，没有相邻元件的干扰，可以实现元件损伤高精度的检测，但是这些离线检测方法不能实现在线原位监测密集排布的光学元件的损伤状态。对于在线原位监测，由于元件工况极其复杂，元件之间相互干扰非常严重，必须发展不同于离线检测的新的损伤原位监测方法。

针对密集排布元件在线原位检测，哈尔滨工业大学的张立斌(张立斌.大口径光学元件损伤高信噪比检测技术研究[D].哈尔滨工业大学，2017)公开了一种利用激光光源内全反射侧照明，并结合机器视觉相关技术，实现原位大口径光学元件损伤检测的***，该***需要利用局部信噪比算法对在线损伤图像进行损伤提取，通过超限学习机与多层感知形式的超限学习机分别对样本数据进行分类，得到分类模型，剔除伪损伤。该原位监测方法尚不具备简洁高效地识别损伤的能力，必须借助后期的机器视觉算法处理才可以有效去除伪损伤提取损伤信息，针对目前大口径光学元件原位损伤监测面临的短板，必须突破依赖后期图像处理算法剔除伪损伤的束缚，进行设计创新，探索出一种获取无伪损伤的高精度元件损伤图像的新方法，一目了然地实现密集排布的大口径光学元件损伤的定位和识别。

发明内容

为解决现有原位监测方法不能简洁高效地识别大口径光学元件损伤的技术问题，本发明提供了一种原位监测密集排布大口径光学元件损伤的方法。

其技术方案如下：

一种原位监测密集排布大口径光学元件损伤的方法，其要点在于，按照以下步骤进行：

S1：将各个大口径光学元件分别嵌入各自的安装夹持框中，使大口径光学元件的外缘与位于对应安装夹持框內侧的狭缝光阑抵接，且狭缝光阑的狭缝正对对应大口径光学元件的外缘；

S2：在各个大口径光学元件的前后两侧表面分别安装有两圈遮光条，各遮光条的外缘分别或与对应的狭缝光阑紧密贴合，或与对应安装夹持框的內壁紧密贴合；

S3：将各个装有大口径光学元件的安装夹持框沿前后方向等距地装入高功率激光装置中；

S4：当需要原位监测任一大口径光学元件的损伤情况时，打开该大口径光学元件的线光源，并关闭其余大口径光学元件的线光源；

S5：利用图像采集设备采集该大口径光学元件的暗场图像，获得该大口径光学元件的损伤和分布数据。

采用以上方法，改造原有的安装夹持框，使线光源发出的光经狭缝光阑的狭缝射入大口径光学元件，再通过遮光条遮挡大口径光学元件外缘没有严格抛光的部分，防止发出散射光，使杂散光被严格地管控，避免其它大口径光学元件上的损伤被照亮，只有被检测大口径光学元件上的损伤被照亮，从而具备了排除相邻元件干扰获取无伪损伤的高质量元件损伤图像的能力，获得的损伤图像完全无需进行后台剔除伪损伤的降噪处理，能够原位实现在线大口径光学元件损伤的快速分辨，便捷高效获得损伤的尺寸和分布位置信息。

作为优选：步骤S1中，各狭缝光阑的狭缝正对对应大口径光学元件外缘的中间位置。采用以上方法，使光进入大口径光学元件能够减少向外散射的可能。

作为优选：步骤S5中，图像采集设备为CCD相机和成像镜头。采用以上方法，能够准确地采集图像信息。

作为优选：所述安装夹持框的内壁上凹陷形成有一圈沿安装夹持框周向延伸的线光源安装槽，在该线光源安装槽的槽底安装有一圈沿安装夹持框周向延伸的线光源，在所述线光源安装槽的槽口安装有一圈安装夹持框周向延伸的狭缝光阑。采用以上方法，改动较小，设计合理，易于实施。

作为优选：所述线光源为LED线光源。采用以上方法，稳定可靠。

作为优选：所述线光源正对对应狭缝光阑的狭缝。采用以上方法，使更多线光源发出的光通过狭缝光阑的狭缝，增加大口径光学元件上损伤点的亮度，利于图像采集设备进行采集。

作为优选：所述线光源安装槽的宽度和深度与大口径光学元件的厚度相同，所述线光源的发光面宽度为大口径光学元件厚度的0.3倍，所述狭缝光阑的狭缝宽度为大口径光学元件厚度的0.3倍。采用以上方法，使光进入大口径光学元件后只会发生全反射，不会向外散射。

作为优选：所述遮光条的宽度不小于大口径光学元件厚度的0.94倍。采用以上方法，避免光向外散射的同时，尽可能小地遮挡大口径光学元件。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

采用以上技术方案的原位监测密集排布大口径光学元件损伤的方法，思路新颖，设计巧妙，易于实现，具备了排除相邻元件干扰获取无伪损伤的高质量元件损伤图像的能力，能够直观地原位在线监测大口径光学元件的损伤，便捷高效获得损伤的尺寸和分布位置信息。

附图说明

图1为大口径光学元件嵌入安装夹持框中的示意图；

图2为大口径光学元件与安装夹持框中的配合关系示意图；

图3为各个装有大口径光学元件的安装夹持框在高功率激光装置中的排列关系示意图；

图4为大口径光学元件Ⅰ离线单独采集的暗场图像；

图5为大口径光学元件Ⅱ离线单独采集的暗场图像；

图6为大口径光学元件Ⅰ和大口径光学元件Ⅱ相距100mm时，采用现有方法采集的大口径光学元件Ⅰ的暗场图像；

图7为大口径光学元件Ⅰ和大口径光学元件Ⅱ相距100mm时，采用本发明的方法采集的大口径光学元件Ⅰ的暗场图像。

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-图3所示，一种原位监测密集排布大口径光学元件损伤的方法，按照以下步骤进行：

S1：将各个大口径光学元件5分别嵌入各自的安装夹持框1中，使大口径光学元件5的外缘与位于对应安装夹持框1內侧的狭缝光阑3抵接，且狭缝光阑3的狭缝3a正对对应大口径光学元件5的外缘。

本实施例中，所述安装夹持框1的内壁上凹陷形成有一圈沿安装夹持框1周向延伸的线光源安装槽1a，在该线光源安装槽1a的槽底安装有一圈沿安装夹持框1周向延伸的线光源2，在所述线光源安装槽1a的槽口安装有一圈安装夹持框1周向延伸的狭缝光阑3，即狭缝光阑3盖在线光源安装槽1a上形成光陷阱，只允许处于其中的线光源2发出的光从狭缝光阑3的狭缝3a中射出。进一步地，所述线光源2为LED线光源，所述线光源2正对对应狭缝光阑3的狭缝3a，各狭缝光阑3的狭缝3a正对对应大口径光学元件5外缘的中间位置。

为了使光进入大口径光学元件5后只会发生全反射，不会向外散射，所述线光源安装槽1a的宽度和深度与大口径光学元件5的厚度相同，所述线光源2的发光面宽度为大口径光学元件5厚度的0.3倍，所述狭缝光阑3的狭缝3a宽度为大口径光学元件5厚度的0.3倍。

S2：在各个大口径光学元件5的前后两侧表面分别安装有两圈遮光条4，各遮光条4的外缘分别或与对应的狭缝光阑3紧密贴合，或与对应安装夹持框1的內壁紧密贴合，即所述遮光条4处于大口径光学元件5前后通光面的边缘，以遮挡大口径光学元件5没有严格抛光的侧边，避免散射光逃逸。

为了避免光向外散射的同时，尽可能小地遮挡大口径光学元件5，所述遮光条4的宽度是不小于大口径光学元件5厚度的0.94倍。

S3：将各个装有大口径光学元件5的安装夹持框1沿前后方向等距地装入高功率激光装置中，此后，高功率激光装置能够一直处于在线运行的状态。

S4：当需要原位监测任一大口径光学元件5的损伤情况时，打开该大口径光学元件5的线光源2，并关闭其余大口径光学元件5的线光源2。

此时，只有被检测大口径光学元件5上的损伤被照亮，其它大口径光学元件5上的损伤不会被照亮，从而能够获取无伪损伤的高质量元件损伤图像。

S5：利用图像采集设备采集该大口径光学元件5的暗场图像，获得该大口径光学元件5的损伤和分布数据。

其中，图像采集设备为CCD相机和成像镜头，能够准确地采集图像信息。

重复步骤S4和步骤S5能够获得关注的任何大口径光学元件5的损伤图像。

以下为在有大口径光学元件Ⅰ(430mm×430mm×10mm)和大口径光学元件Ⅱ(430mm×430mm×10mm)的情况下，采用现有方法和采用本发明方法采集的大口径光学元件Ⅰ的暗场图像的对比：

图4为大口径光学元件Ⅰ离线单独采集的暗场图像，图5为大口径光学元件Ⅱ离线单独采集的暗场图像，从图4和图5中可以观察到离线检测单个大口径光学元件5的暗场图可以清晰地分辨识别元件上的激光损伤点，但是大口径光学元件5周围存在严重的杂散光源，箭头A所指是侧边照明光源的杂散光，箭头B所指是大口径光学元件5没有严格抛光的侧边的杂散光，这些杂散光对单个大口径光学元件5暗场损伤检测几乎没有影响，但是对密集排列的大口径光学元件5暗场图像采集影响非常大。

图6是大口径光学元件Ⅰ和大口径光学元件Ⅱ相距100mm、前后密集排布时，采用现有方法采集的大口径光学元件Ⅰ的暗场图像。具体地说，打开大口径光学元件Ⅰ的照明光源，关闭大口径光学元件Ⅱ的照明光源，此时大口径光学元件Ⅰ的照明光源和侧边杂散光把相邻的大口径光学元件Ⅱ的损伤点及其侧边照亮(例如图6中箭头C所指处)，大口径光学元件Ⅱ的损伤点大量出现在此时采集的大口径光学元件Ⅰ的暗场图像上(例如图6中圆框D所圈处)，大口径光学元件Ⅱ的损伤点被杂散光照亮后成为大口径光学元件Ⅰ的暗场图像上的伪损伤点。

图7是大口径光学元件Ⅰ和大口径光学元件Ⅱ相距100mm、前后密集排布时，采用本发明方法采集的大口径光学元件Ⅰ的暗场图像，对比图4和图7可知，图7的暗场图像不仅损伤亮点特征与离线单独采集的大口径光学元件Ⅰ的暗场图像损伤亮点特征完全一致，而且不存在图4中箭头A所指是侧边照明光源的杂散光，以及箭头B所指是大口径光学元件5没有严格抛光的侧边的杂散光。由此可知，采用本发明的照明方法，照明光源和大口径光学元件5边缘散射光受到严格管控，采集的密集排列的大口径光学元件5的暗场图像可以最大限度地消除伪损伤点。

本实施例中，由于大口径光学元件Ⅰ和大口径光学元件Ⅱ的厚度均为10mm，故所述安装夹持框1的线光源安装槽1a的宽度和深度均为10mm，所述线光源2为LED线光源，固定安装在线光源安装槽1a中间位置，LED线光源的发光面宽度为3mm，所述狭缝光阑3的狭缝3a宽度为3mm，其安装在线光源安装槽1a的槽口处，所述遮光条4的宽度10mm。

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)

1.一种原位监测密集排布大口径光学元件损伤的方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

S1：将各个大口径光学元件(5)分别嵌入各自的安装夹持框(1)中，使大口径光学元件(5)的外缘与位于对应安装夹持框(1)內侧的狭缝光阑(3)抵接，且狭缝光阑(3)的狭缝(3a)正对对应大口径光学元件(5)的外缘；

S2：在各个大口径光学元件(5)的前后两侧表面分别安装有两圈遮光条(4)，各遮光条(4)的外缘分别或与对应的狭缝光阑(3)紧密贴合，或与对应安装夹持框(1)的內壁紧密贴合；

S3：将各个装有大口径光学元件(5)的安装夹持框(1)沿前后方向等距地装入高功率激光装置中；

S4：当需要原位监测任一大口径光学元件(5)的损伤情况时，打开该大口径光学元件(5)的线光源(2)，并关闭其余大口径光学元件(5)的线光源(2)；

S5：利用图像采集设备采集该大口径光学元件(5)的暗场图像，获得该大口径光学元件(5)的损伤和分布数据。

2.根据权利要求1所述的原位监测密集排布大口径光学元件损伤的方法，其特征在于：步骤S1中，各狭缝光阑(3)的狭缝(3a)正对对应大口径光学元件(5)外缘的中间位置。

3.根据权利要求1所述的原位监测密集排布大口径光学元件损伤的方法，其特征在于：步骤S5中，图像采集设备为CCD相机和成像镜头。

4.根据权利要求1所述的原位监测密集排布大口径光学元件损伤的方法，其特征在于：所述安装夹持框(1)的内壁上凹陷形成有一圈沿安装夹持框(1)周向延伸的线光源安装槽(1a)，在该线光源安装槽(1a)的槽底安装有一圈沿安装夹持框(1)周向延伸的线光源(2)，在所述线光源安装槽(1a)的槽口安装有一圈安装夹持框(1)周向延伸的狭缝光阑(3)。

5.根据权利要求4所述的原位监测密集排布大口径光学元件损伤的方法，其特征在于：所述线光源(2)为LED线光源。

6.根据权利要求4所述的原位监测密集排布大口径光学元件损伤的方法，其特征在于：所述线光源(2)正对对应狭缝光阑(3)的狭缝(3a)。

7.根据权利要求4所述的原位监测密集排布大口径光学元件损伤的方法，其特征在于：所述线光源安装槽(1a)的宽度和深度与大口径光学元件(5)的厚度相同，所述线光源(2)的发光面宽度为大口径光学元件(5)厚度的0.3倍，所述狭缝光阑(3)的狭缝(3a)宽度为大口径光学元件(5)厚度的0.3倍。

8.根据权利要求1所述的原位监测密集排布大口径光学元件损伤的方法，其特征在于：所述遮光条(4)的宽度不小于大口径光学元件(5)厚度的0.94倍。