高灵敏度表面微小瑕疵光学检测装置及检测方法

摘要

本发明揭示了一种高灵敏度表面微小瑕疵光学检测装置及检测方法，所述检测方法包括：连续角扫描机构将准直入射光在一定的角度范围内进行连续角扫描；聚焦机构将以角度形式进行扫描的准直光束聚焦到一个平面上并将角度扫描转换成线扫描，将激光束聚焦到一个被测平面上并将聚焦激光点在平面上进行线扫描；经表面反射后的光束沿反射角进入反射光集光器，部分光被附在反射光集光器上的第二光电探测器接收，产生一个光电信号；第一集光器内壁涂有高反层，使散射光经多次反射后进入到第一集光器上的第一光电探测器，产生的光电信号对应表面散射。本发明提出的高灵敏度表面微小瑕疵光学检测装置及方法，可提高检测灵敏度及精确度。

说明书

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，涉及一种光学检测装置，尤其涉及一种高灵敏度表面微小瑕疵光学检测装置；同时，本发明还涉及一种高灵敏度表面微小瑕疵光学检测方法。

背景技术

目前在对较大面积光滑表面的微缺陷检测方面缺乏快速有效地方法。现有的基于机器视觉的检测方法存在检测速度慢，对微小缺陷灵敏度低等的缺点，无法满足工业生产中对微小缺陷的在线检测需求。

采用激光散射方法可非常灵敏及快速地检测光滑表面的微小瑕疵[参考文献1：“Method of Inspecting Magnetic Disc and Apparatus Therefor and Process for Producing the Magnetic Disc”,US Patent:6,078,385,Jun.20,2000]。

采用远心扫描镜将一束激光束以正入射的方法聚焦到被测表面，可有效检测由表面瑕疵产生的散射光[参考文献2:实用新型名称：一种基于激光散射的表面微缺陷检测装置，专利号：ZL2012 2 0019507.8,2012年01月16日]。

但由于扫描光学系统本身产生的散射光也会进入散射接受系统，从而降低了检测的信噪比。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的检测系统，以便克服现有检测方式的上述缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种高灵敏度表面微小瑕疵光学检测装置，可提高检测灵敏度及精确度。

此外，本发明还提供一种高灵敏度表面微小瑕疵光学检测方法，可提高检测灵敏度及精确度。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种高灵敏度表面微小瑕疵光学检测装置，所述检测装置包括：连续角扫描机构、聚焦机构、积分球集光器、第一光电探测器、反射光集光器、第二光电探测器；

所述连续角扫描机构为扫描振镜或多面体旋转反射镜；所述连续角扫描机构用以将准直入射光在一定的角度范围内进行连续角扫描；

所述聚焦机构用以将以角度形式进行扫描的准直光束聚焦到一个平面上并将角度扫描转换成线扫描，将激光束聚焦到一个被测平面上并将聚焦激光点在平面上进行线扫描；

所述积分球集光器设置于被测平面上方，位于聚焦机构及反射光集光器之间；积分球集光器的底部设有缺口；这种结构可有效阻挡由扫描光学系统本身产生的散射光，从而提高系统的信噪比。

经表面反射后的反射光束将被一个开有狭缝的腔体接收，腔体内壁对反射光有较强吸收，在腔体壁上设有第二光电探测器，用于测量反射光相对光强度；如果表面有任何瑕疵，则入射的光束除反射外，还将被表面瑕疵散射，散射光中的大部分将进入被测平面上方的积分球集光器。

积分球集光器内壁涂有高反层，可使散射光经多次反射后进入到积分球集光器上的第一光电探测器，产生的光电信号对应表面散射。

一种高灵敏度表面微小瑕疵光学检测装置，所述检测装置包括：连续角扫描机构、聚焦机构、第一集光器、第一光电探测器、反射光集光器、第二光电探测器；

所述连续角扫描机构用以将准直入射光在一定的角度范围内进行连续角扫描；

所述聚焦机构用以将以角度形式进行扫描的准直光束聚焦到一个平面上并将角度扫描转换成线扫描，将激光束聚焦到一个被测平面上并将聚焦激光点在平面上进行线扫描；

经表面反射后的光束沿反射角进入反射光集光器，部分光被附在反射光集光器上的第二光电探测器接收，产生一个光电信号；

所述第一集光器内壁涂有高反层，可使散射光经多次反射后进入到第一集光 器上的第一光电探测器，产生的光电信号对应表面散射。

作为本发明的一种优选方案，所述第一集光器为设有开口的积分球集光器。

作为本发明的一种优选方案，所述积分球集光器设置于被测平面上方，位于聚焦机构及反射光集光器之间；积分球集光器的底部沿入射和反射光方向成倒三角形状或两侧分别设有缺口，缺口对称设置.

作为本发明的一种优选方案，经表面反射后的反射光束将被一个开有狭缝的腔体接收，腔体内壁对反射光有较强吸收，在腔体壁上设有第二光电探测器，用于测量反射光相对光强度；如果表面有任何瑕疵，则入射的光束除反射外，还将被表面瑕疵散射，散射光中的大部分将进入被测平面上方的积分球集光器。

作为本发明的一种优选方案，所述连续角扫描机构为扫描振镜或多面体旋转反射镜。

一种上述高灵敏度表面微小瑕疵光学检测装置的检测方法，所述检测方法包括：

连续角扫描机构将准直入射光在一定的角度范围内进行连续角扫描；

聚焦机构将以角度形式进行扫描的准直光束聚焦到一个平面上并将角度扫描转换成线扫描，将激光束聚焦到一个被测平面上并将聚焦激光点在平面上进行线扫描；

经表面反射后的反射光束将被一个开有狭缝的腔体接收，腔体内壁对反射光有较强吸收，在腔体壁上设有第二光电探测器，用于测量反射光相对光强度；如果表面有任何瑕疵，则入射的光束除反射外，还将被表面瑕疵散射，散射光中的大部分将进入被测平面上方的积分球集光器；

积分球集光器内壁涂有高反层，使散射光经多次反射后进入到积分球集光器上的第一光电探测器，产生的光电信号对应表面散射。

一种上述高灵敏度表面微小瑕疵光学检测装置的检测方法，所述检测方法包括：

连续角扫描机构将准直入射光在一定的角度范围内进行连续角扫描；

聚焦机构将以角度形式进行扫描的准直光束聚焦到一个平面上并将角度扫描转换成线扫描，将激光束聚焦到一个被测平面上并将聚焦激光点在平面上进行 线扫描；

经表面反射后的光束沿反射角进入反射光集光器，部分光被附在反射光集光器上的第二光电探测器接收，产生一个光电信号；

第一集光器内壁涂有高反层，使散射光经多次反射后进入到第一集光器上的第一光电探测器，产生的光电信号对应表面散射。

本发明的有益效果在于：本发明提出的高灵敏度表面微小瑕疵光学检测装置及方法，可提高检测灵敏度、精确度、及检测速度。

附图说明

图1为实施例一中本发明光学检测装置的部分组成示意图。

图2为利用本发明光学检测装置使焦距光束入射在被测表面的示意图。

图3为实施例一中聚焦光束被缺陷散射后被积分球集光器接收的示意图。

图4为实施例二中本发明光学检测装置的部分组成示意图。

图5为实施例二中本发明光学检测装置的另一视角的组成示意图。

图6为实施例二中聚焦光束被缺陷散射后被积分球集光器接收的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

为了提高检测信噪比，本方法采用角度入射的方法，通过一个开口的积分球，收集由表面瑕疵产生的散射光，同时有效阻挡扫描光学系统本身产生的杂散光进入散射光采集系统。图1所示为其中的一种设计，积分球的两侧设有对称的缺口(当然缺口也可以不对称)。

请参阅图1至图3，本发明揭示了一种高灵敏度表面微小瑕疵光学检测装置，所述检测装置包括：连续角扫描机构11、聚焦机构12、积分球集光器13、第一光电探测器14、反射光集光器15、第二光电探测器16。

所述连续角扫描机构11为扫描振镜或多面体旋转反射镜，本实施例中，连 续角扫描机构11为振镜；所述连续角扫描机构11用以将准直入射光在一定的角度范围内进行连续角扫描。

所述聚焦机构12用以将以角度形式进行扫描的准直光束聚焦到一个平面上并将角度扫描转换成线扫描，将激光束聚焦到一个被测平面30上并将聚焦激光点在平面上进行线扫描。本实施例中，聚焦机构12为聚焦透镜。

所述积分球集光器13设置于被测平面30上方，位于聚焦机构12及反射光集光器15之间；积分球集光器13的底部设有缺口，如图3所示，缺口设置于积分球集光器13的下部。

经表面反射后的反射光束将被一个开有狭缝的腔体15接收，腔体内壁对反射光有较强吸收，在腔体壁上设有第二光电探测器16，用于测量反射光相对光强度，该信号反映了表面的反射情况；如果表面有任何瑕疵，则入射的光束除反射外，还将被表面瑕疵散射，散射光中的大部分将进入被测平面上方的积分球集光器13。

积分球集光器13内壁涂有高反层，可使散射光经多次反射后进入到积分球集光器13上的第一光电探测器14，产生的光电信号对应表面散射。

本发明光学检测装置的工作原理如下：

图1中的激光束经一个光学整形系统(图中未标出)将准直光束投射到一个扫描反射镜上，该扫描反射镜可以是振镜，也可以是一个高速旋转的多面反射棱镜，或其他以一定的角速度旋转的反射镜面。光束镜旋转反射镜反射后，扫过一个特定的角度alpha，反射镜面的中心与图中的一个聚焦透镜(可以是一个远心扫描镜或一个F-Theta透镜)的焦点重合，反射光束经聚焦透镜聚焦后以一定的角度汇聚到被测平面上并随旋转扫描的转动而快速扫过平面上的一条线，如图2所示。

如果表面有任何瑕疵，则入射的光束除反射外，还将被表面瑕疵散射，散射光中的大部分将进入其上方的一个积分球(即积分球集光器13)，如图3所示。

积分球内壁涂有高反层，可使散射光经多次反射后进入到积分球上的一个光电探测器，产生的光电信号对应表面散射。经表面反射后的反射光束将被一个开有狭缝的腔体接收，腔体内壁对反射光有较强吸收并在腔体壁上装一个光电探测 器，测量反射光相对光强度。

划痕、麻点等影响表面光洁度的瑕疵对于聚焦的入射光会产生强烈的散射，因此可通过对散射信号的接收实现高灵敏度的瑕疵检测；而对于表面光滑但对入射光的吸收不同于周边的一类瑕疵，散射不明显，此时由于吸收，反射光强将发生变化，通过对反射光的检测，可有效检测这类瑕疵。因此，散射和反射两种检测方法具有一定的互补性，使整个检测装置有更大的适用性。另外，由于瑕疵对入射光的散射会使反射光强减小，因此将散射信号除以反射信号，可大大增强检测的灵敏度。

本发明还揭示一种上述高灵敏度表面微小瑕疵光学检测装置的检测方法，所述检测方法包括：

【步骤S1】连续角扫描机构将准直入射光在一定的角度范围内进行连续角扫描；

【步骤S2】聚焦机构将以角度形式进行扫描的准直光束聚焦到一个平面上并将角度扫描转换成线扫描，将激光束聚焦到一个被测平面上并将聚焦激光点在平面上进行线扫描；

【步骤S3】经表面反射后的反射光束将被一个开有狭缝的腔体接收，腔体内壁对反射光有较强吸收，在腔体壁上设有第二光电探测器，用于测量反射光相对光强度；如果表面有任何瑕疵，则入射的光束除反射外，还将被表面瑕疵散射，散射光中的大部分将进入被测平面上方的积分球集光器；

【步骤S4】积分球集光器内壁涂有高反层，使散射光经多次反射后进入到积分球集光器上的第一光电探测器，产生的光电信号对于表面散射。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，请参阅图4、图5，图4为本发明的另一种设计，与实施例一中的不同之处为散射光采集积分球的设计，本实施例中，在积分球上开了两个狭缝131、132(狭缝131、132可以为对称设置)，使入射光及反射光可进入积分球集光器13，并在被表面反射后完全离开积分球集光器23。图5是本实施例在入射方向的视图。

图6为本实施例中散射光采集积分球示意图。本实施例可以达到与实施例一中检测装置相同的效果。

实施例三

一种高灵敏度表面微小瑕疵光学检测装置，所述检测装置包括：连续角扫描机构、聚焦机构、第一集光器、第一光电探测器、反射光集光器、第二光电探测器。

所述连续角扫描机构用以将准直入射光在一定的角度范围内进行连续角扫描。所述连续角扫描机构为扫描振镜或多面体旋转反射镜。

所述聚焦机构用以将以角度形式进行扫描的准直光束聚焦到一个平面上并将角度扫描转换成线扫描，将激光束聚焦到一个被测平面上并将聚焦激光点在平面上进行线扫描。

所述第一集光器内壁涂有高反层，可使散射光经多次反射后进入到第一集光器上的第一光电探测器，产生的光电信号对于表面散射。

所述第一集光器为设有开口的积分球集光器。所述积分球集光器设置于被测平面上方，位于聚焦机构及反射光集光器之间；积分球集光器的两侧分别设有缺口，缺口对称设置。

经表面反射后的反射光束将被一个开有狭缝的腔体接收，腔体内壁对反射光有较强吸收，在腔体壁上设有第二光电探测器，用于测量反射光相对光强度。

本发明还揭示一种上述高灵敏度表面微小瑕疵光学检测装置的检测方法，所述检测方法包括：

连续角扫描机构将准直入射光在一定的角度范围内进行连续角扫描；

聚焦机构将以角度形式进行扫描的准直光束聚焦到一个平面上并将角度扫描转换成线扫描，将激光束聚焦到一个被测平面上并将聚焦激光点在平面上进行线扫描；

经表面反射后的光束沿反射角进入反射光集光器，部分光被附在反射光集光器上的第二光电探测器接收，产生一个光电信号；

第一集光器内壁涂有高反层，使散射光经多次反射后进入到第一集光器上的 第一光电探测器，产生的光电信号对应表面散射。

综上所述，本发明提出的高灵敏度表面微小瑕疵光学检测装置及方法，可提高检测灵敏度及精确度。

本发明采用扫描振镜或多面体旋转反射镜或其他可有效地将准直入射光在一定的角度范围内进行连续角扫描的装置，结合一个具有聚焦功能的远心扫描镜或F-Theta扫描镜或其他可以将以角度形式进行扫描的准直光束聚焦到一个平面上并将角度扫描转换成线扫描的装置，将激光束聚焦到一个被测平面上并将聚焦激光点在平面上进行线扫描。

采用一个下端开有一个具有一定宽度的长缝的积分球，采集激光在被测平面上被瑕疵散射的散射光，检测表面瑕疵。

采用一个两边开有狭缝，且低部有开口的积分球采集激光在被测平面上被瑕疵散射后的散射光来检测表面瑕疵。

采用一个反射光收集系统，有效收集经被测表面反射的反射光强。

在相对于被测平面法线的不同角度方向上，在积分球面上放置多个光电探测器，采集不同散射角度的散射光。

在光电探测器与散射光之间，放置汇聚透镜，使汇聚透镜的焦点在光电探测器的光敏上，有效收集散射光。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。