第26卷第4期2000年7月
光学技术
OPTICAL TECHNIQUE
Vol.26No.4
July 2000
文章编号:100221582(2000)0420361202
沈卫星
(中国科学院上海光学精密机械研究所，上海 201800)
摘要：本文利用相干高通滤波成像系统对光学元件表面疵病进行了测量，提出了等效疵病面积的概念及计算公式，由等效疵病面积可计算出与GB1185289对应的疵病等级J。实验装置的分辨率为10Λm，并具有可靠的表面疵病等级评价。
关键词：表面疵病；相干成像系统；等效疵病面积；疵病等级
中图分类号:TG84 文献标识码:A
Surface defects of the optical elements measured
by the coherent filter imaging system
SHEN Wei2xing
(Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201800,China)
Abstract:It is discussed to measure surface defects of the optical elements using the coherent filter imaging system.
The conception and the calculation formula of the equivalent defects area are put forward.The equivalent defects area calculates the defect grades in the criteria GB1185289.The experimental setting has10Λm resolving power and the credi2 ble defect grades evaluated.
Key words:surface defects;coherent filter;equivalent defects area;defect grades
1 引 言
疵病、表面粗糙度及面形偏差是光学元件质量检验的三大主要项目。随着现代光学技术，尤其是高功率激光技术的发展，对光学元件的加工与检验提出了很苛刻的要求。大批量光学元件表面疵病检验的自动化将是迫切需要的。近些年来，国内外一些科技人员在标准制定及检测方法与技术研究方面做了不少新的工作[1～3]，但在实时测量及可操作性上并不成功。目前，新标准GB1185289提出将光学元件表面离散缺陷分布程度用疵病等级J分类，但并没有被广泛接受。而老标准GB1031268仍然在国内绝大部分加工与检验单位中使用，这与疵病等级不能直接测得有关。而本文正是讨论可直接测得与新标准GB1185289对应的疵病等级值的实验方案。
本文利用相干滤波成像系统测量表面疵病。将相干成像系统的傅里叶面的光阑制作成只把成像光束中空间频率为低频的成分滤去，仅让具有疵病信息的高频成分到达像面成像，此时在相干成像系统的像面上可看到的是暗背景上的亮的疵病的像。通过探测或观察疵病像的不同明暗程度及大小和引入的光强积分来判断疵病的大小和性质。
2 基本原理与实验方案
211 等效疵病面积
由于一般划痕及麻点深度在0.1Λm左右，宽度在20Λm左右，所以疵病可看作满足 Υ ≤2Π薄的相位对象(Υ为疵病引入的相位变化)，则经过元件后光场分布可表示为[4] E(x,y)∝Σ(x,y)=Αexp[iΥ(x,y)]
≈Α[1+iΥ(x,y)] (a为常数)(1) 如图1所示，透镜8将由疵病形成的光场傅里叶变换到滤波平板9上。由于傅里叶传输的线性，可得Φ(Σ)=Α{∆(Μx)∆(Μy)+iΦ[Υ(x,y)]}(2) 由高通滤波器(滤波平板9)滤除上式括号中第一项，得
Φhp[E]=iΑΦ[Υ(x,y)](3) 则由透镜10，再经傅里叶变换得
163
Ξ收稿日期:2000201218
作者简介：沈卫星(19702)，男，上海市嘉定人，中科院上海光学精密机械研究所工程师，硕士，主要从事光学检验、光学仪器和激光参数测量仪器及计算机软件开发的研究。
Φ[Φhp [E ]]=i Α
Φ[Φ[Υ(x ,y )]]=i ΑΥ(-x ,-y )
(4)
如果系统放大率为Β，则在像面上强度分布为I (x ,y )=Β2[Φ[Φhp [E ]]
2
=Β2Α2Υ2
(-x ,-y )(5)在测试区域∑对(5)式两边求积分得
E I =
∫∫∑I (x ,y )d x d y
=Β2Α2
∫∫∑
Υ2
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(-x ,-y )d x d y (6)
(6)式中的
∫∫∑
Υ
2
(-x ,-y )d x d y 可定义为等效疵病
面积S 。则
E I =Β2Α2
S
(7)
鹟科由(7)式可知，疵病像光强积分强度与照明强度、等效疵病面积成正比，而等效疵病面积受疵病引入的相位变化的影响。则等效疵病面积为
S =
E I
Β2Α
2(8)
根据GB 1185289的定义，疵病等级为
J =S
(9)
212 实验装置
图1是被测疵病成像的实验装置，它由三个部分组成
:
图1 被测疵病成像的实验装置图
(1)扩束准直部分：来自激光器1的光束经被显微物镜及准直透镜组成的扩束系统2后得到一束平行
光。
(2)滤波成像照明部分：由第一部分得到的平行
光经过光阑3后通过空间滤波器，调整空间滤波器的小孔5用于滤除光阑的衍射角谱的高频部分。该部分用来排除光阑衍射对划痕衍射的干扰。
(3)滤波成像接收部分：照明光束经过待测件7后被透镜8会聚到中心滤波平板9(位于透镜8的焦点上)上，该滤波平板用于滤除光束中的低频部分，让高频部分通过，最后经透镜10把被测平板所在面的疵病通过散射成像到11的CCD 上,CCD 再把接收的数据输送到计算机进行处理。 213 保证仪器精度的措施
为了保证对光学元件表面疵病的测量精度，对仪器各部件及调整提出了较高的要求，通过反复实验及论证，我们采取了以下几方面的措施:
(1)调整被测件前端的光学元件，使被测件前照明光均匀，并由单楔板剪切确认为平行光。图2为调整
后的照明光场分布。
图2 调整后的照相光场分布
(2)为了保证各次测量不至于受照明光强度波动的影响，我们使用标准划痕在每次测量前对E I 实测做预测，并与其标定的E I 标定比较。因为标准划痕的等效疵病面积不变，所以由
(8)式可知，照明光强度可由(E I 实测-E I 标定) E I 标定来修正。(3)对实验装置(图1)用于成像图3 10Λm 被测划痕的像的8、10两块透镜做非球面修正，使成像系统对疵病具有较高的分辨率。图3为10Λm 被测划痕的像。
(4)CCD 保证了高的灵敏度及动态范围和低的电子噪声。
(5)被测表面在CCD 接收面的物像关系可通过以下步骤进行：先将标准划痕推入光路，与CCD 接收面
完成物像关系调整和在由E I 实测测量后移出光路，然后通过精确定位装置将被测表面定位在原光路中，并与标准划痕表面一致。最后，通过精密传动马达对被测元件表面的各取样区域做全面测量。这样就保证了表面疵病的成像质量。
ntc训练(6)疵病光信息淹没在照明光中，并受其它光信息的干扰，可通过滤波提取。滤波档板9将照明光的主
要部分滤除。由于被测件的自身干涉及划痕散射光在系统边界的擦边衍射的强度比划痕像强度要弱得多，所以可由计算机软件处理。
3 实测结果
用直径为8mm 的光斑照射划痕样品，并将照明强度调节在CCD 的线性范围内，根据(8)式，由测得的划痕像(像的放大率Β为1.5)的强度积分得到等效疵病面积。疵病等级J 可由(9)式计算，所有划痕的长度由显微镜测量，其宽度由ZYGO Maxim 3D 5700表面轮廓仪测量，深度都小于0.1Λm 。照明功率使用不同滤光片进行调节，并由功率计在放置被测件前事先测量。疵病的像通过CCD 接收，并由计算机软件处理像强度积分，包括消除噪声、背景光及粗糙度散射光等的影响。划痕样品测量结果见表1。等效疵病面积都大于划痕面积，除了划痕的宽度不均匀性以外，还与不同划痕深度引起等效疵病面积不同有关。但这并不影响评价元件表面疵病的等级。
以上实验只是对单个划痕样品进行的测量。另外，我们选择了两块550mm 的K 9玻璃(加工离散缺陷等级要求分别为 和 级，经检验，表面无粗麻点及长划
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(下转第365页)
263
光 学 技 术 第26卷
测试，该压电陶瓷经标定后，驱动电压与加速度的关系如表1所示。
表1 驱动电压与加速度的关系
驱动电压 V 40.21
82.15125.63157.62187.42205.64振动加速度 Λm
0.012
0.021
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0.042
0.048
0.0567
0.0742
由于PZT 25的加速度与驱动电压关系为二次多项式形式:
a =k 1V +k 1V
2
(8)用最小二乘法得到
k 1=2.375×10-4
(Λm V )
k 2=4.997×10-7
(Λm V 2)
图5 加速度与电压值 图5中的曲线a 为实验曲线经拟合后的结果，曲线b 为按照表1计算后的结果。实验曲线经拟合，两者在误差范围内能较好地
符合。当把不同的电压施加在压电陶瓷上时，其波形如图6所示。
设低频振动时的速度为v ，采样频率为f ，则产生的干涉条纹频率为4v Κ，如果要求采样频率为振动频率的5倍，则20v Κ=f 。具体来说，取Κ=1.33Λm ,f =0.5MHz ，得到最大振动速度v =3.33cm s 。 3.3 讨 论
波长扫描双光腔FPI 加速度计实验装置:
(1)由于采用双光路干涉形成差动式光电检测，有效地减小了光纤的热效应和外界噪声造成的干扰。
(2)采用了同光路、同模式、同偏振的"三同"措施。两反射光在传输中是共光路的，干涉发生在探头与
图6 不同的电压施加在压电陶瓷上时的波形图
(a )电压在12V 激励时的波形;(b )电压在240V
激励时的波形。被测物之间，消除了在
Mickelson 等双臂干涉仪中不能解决的附加光程差的问题。本实验装置对偏振态的变化具有不敏感性。因为能引起偏振态变化的一段光路只有光纤传输这一段，而这一段正是两束光共同经历的，因此偏振态的变化对于干涉条纹的影响彼此
相互抵消。
(3)由于多光束干涉
的影响，所以双光束代替多光束干涉会引入系统误差；波长扫描时，波长随机漂移使信号偏离余弦波形。这些都有待于进一步改善。
4 结 论
本文将波长扫描干涉仪与加速度计相结合，提出了一种新型的光纤传感器实验系统。文中首先讨论了它的结构和工作原理，通过选择合适的腔长和腔的反射率，可以使系统误差最小，然后对PZT 25进行了实验研究，总结了该传感器的特点。参考文献:
[1]李志全，强锡富，史锦珊，等.双光路Fabry 2Perot 干涉式加速度计
的研究[J ].仪器仪表学报,1997,18(6):613～616.
[2]王勇，廖延彪，田芊，等.波长扫描法布里2珀罗干涉仪的优化设计
[J ].光学学报,1999,19(10):1361～1367.
[3]Tianchu Li ,Russell G May ,Anbo Wang ,et al .Optical scanning
extrinsic Fabry 2Perot interferometer for absolute microdis 2placement measurement .Appl Opl ,1997,36(34):8858～8861.[4]Ezbiri A ,Tatam R P.Five wavelength interrogation technique for
miniature fiber optic Fabry 2Perot sensors .Opt Commun ,1997,133(1):62～66.
(上接第362页)
痕)，各取一个表面，利用本实验装置通过精密步进马达移动被测元件对整个表面疵病进行测量，结果见表2。
表1 被测划痕样品数据
划痕平均宽度 Λm 长度 mm 划痕面积 Λm 2照明功率 mW 像强度积分 ΛW ・mm 2等效疵病面积 Λm 2疵病等级(J )
Λm 14.23.7160.50.010204.529.15.6510.50.037708.3313.88.11110.50.0714011.8421.412.81710.10.02222014.85
25.9
13.4
207
0.1
0.030
300
17.3
上海卫生和计划生育委员会
注:
(1)划痕3、4、5只取长度8mm 测量;(2)划痕面积为平均宽
度与测量划痕长度之积。
表2 被测550mm 的K 9玻璃数据
样 品
离散缺陷等级
疵病等级J mm
1 0.002
2
0.013
GB 1031268规定的离散缺陷等级 及 分别允许麻点直径为0.002～0.05mm 、0.004～0.1mm ，由表2
可知，疵病等级与GB 1031268规定的离散缺陷等级较一致。
4 结 论
本文通过均匀照明被测表面，通过相干成像系统高通滤波并将疵病成像在CCD 上，经计算机实时处理，得到表面疵病像的光强积分，最后由公式(8)和公式(9)计算出元件表面疵病等级J ，并与新标准GB 1185289相对应。划痕样品及两块K 9玻璃的测试结果说明了本实验装置对表面疵病等级评价的可行性。参考文献:
[1]戴名奎，徐德衍.光学元件的疵病检验与研究现状[J ].光学仪器,
18(3～4).
[2]L R Baker .On 2machine measurement of roughness ,waviness and
flaws .Proc SPIE ,1992,1333:248～256.
[3]戴名奎，徐德衍.衍射光强取样分析法测定划痕宽度：理论部分
[J ].光学学报,1997,17(3).
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mentals and Applications .Springer 2Verlag Berlin Heidelberg ,1993.166～168.
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第4期 李国辉，等: 波长扫描法布里2泊罗光纤加速度计的研究
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