差动共焦定面干涉靶丸内、外表面缺陷检测方法与装置

摘要

本发明涉及差动共焦定面干涉靶丸内、外表面缺陷检测方法及装置，属于光学成像与检测技术领域。该方法首次利用差动共焦光强响应曲线高分辨、高灵敏的过零点为判断依据来精准定位靶丸(被测面)和相机(探测面)的轴向位置，以此分别实现靶丸内、外表面的直接、准确对焦成像；采用短相干光源区分内、外表面干涉图，利用移相干涉技术分别测得内、外表面缺陷分布；在成像光路中增加准直‑成像透镜并采用移动干涉相机的原位对焦方式，根据测得外表面缺陷的像素位置精准、原位地剔除其造成的内表面伪缺陷，有效解决内表面伪缺陷的误判问题。本发明为靶丸内、外表面缺陷的高精度直接检测和大批量自动化检测提供第一条可行途径。

说明书

技术领域

本发明属于光学成像与检测技术领域，用于惯性约束核聚变(ICF)中最为核心的关键器件——靶丸的内、外表面缺陷精密检测等。

背景技术

惯性约束核聚变(ICF)不仅是人类未来获取清洁能源的理想技术手段，而且为极端高温、高压条件下凝聚态物理及天体物理等前沿科学研究的开展提供强有力支撑。目前中、美、法、俄、日等国均已大力开展ICF相关研究。ICF 将多路高能激光精确聚焦在一个内部填充DT燃料的微小空心球形靶丸上，靶丸壳层瞬间发生内爆并均匀压缩其内部的DT燃料至高温高压状态，从而实现聚变点火。靶丸是ICF装置中最为核心的关键部件，靶丸内、外表面上的微小形貌变化是导致点火失败的关键因素，而孤立缺陷又是决定内、外表面形貌质量的关键因素，其将严重降低靶丸内爆压缩过程的对称性和稳定性，进而导致点火失败。因此，如何实现靶丸内、外表面缺陷的精密测量是ICF研究中亟待解决的关键问题，具有重要科学意义和应用价值。

目前，靶丸表面缺陷检测方法包括原子力(AFM)扫描法、显微法和干涉法等，但是尚无一种方法可以有效实现靶丸内、外表面缺陷的直接、精密检测。

AFM扫描法利用AFM探针接触靶丸外表面，然后将靶丸绕轴线旋转一周以获得一条靶丸截线形貌，进而通过扫描多条截线来获得测量外表面缺陷。AFM 扫描法的优势在于具有极高的轴向分辨力，但是，其属于接触式测量方法，无法无损测量内表面缺陷。

显微法包括共焦显微镜、全息显微镜和扫描电子显微镜(SEM)等。其采用上述显微镜直接检测靶丸的外表面形貌，进而获得缺陷分布结果。显微法的优势在于技术成熟，有商业化的仪器便于测量系统的集成，测量精度高等。但是，受球差，相干性及透过率等因素的影响，上述方法均无法透过球形的壳层来对内、外表面进行对焦和测量，无法实现内表面缺陷无损精密检测。

干涉法的测量视场大，检测效率高，不易遗漏孤立缺陷，因而在靶丸内、外表面缺陷测量方面获得广泛应用。基于干涉法的靶丸表面缺陷检测最为关键的步骤是精确调整靶丸和相机的轴向位置，即“精准定面”，使被测面精准成像在探测面上，这样从测得波面结果中即可直接、准确地获得缺陷分布。若被测面离焦，直接测得的表面缺陷将发生高度降低和宽度展宽，严重时甚至无法分辨。

现有方法中靶丸和相机的轴向位置固定，只能对外表面对焦，内表面离焦。这就导致内、外表面缺陷无法同时直接测量。针对这一问题，现有技术采用间接计算内表面缺陷的方案，即采用逆向衍射计算获取衍射面复振幅分布，即从模糊的结果中间接地复原出被测缺陷。然而，这种间接计算的技术方案未能从根本上解决内表面离焦的问题，其不仅算法更为复杂，而且精度和效率均不如直接成像测量来得高。

因此，现有干涉法难以实现内、外表面缺陷的直接、精密检测，关键在于难以实现“精准定面”，即精确调整靶丸和相机的轴向位置分别使得内外表面都精准对焦成像在干涉相机上。亟需寻找一种有效途径来精准调整定位被测靶丸和干涉相机的轴向位置，以此实现内、外表面的直接对焦和缺陷精密检测。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有方法难以实现靶丸内、外表面精准对焦和内、外表面缺陷直接精密检测的问题，提出利用差动共焦定位技术实现干涉显微光路中靶丸和相机的精准快速自动定位，进而有效保证内、外表面对焦精度和缺陷测量精度，并为快速自动化检测提供关键技术基础和保障。在此基础上，改进了传统干涉显微成像光路并提出采用原位对焦方式以保证内外表面结果的像素原位对应特性，进而实现内表面伪缺陷的精准原位标记剔除。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

差动共焦定面干涉靶丸内、外表面缺陷检测方法，具体测量步骤如下：

(1-1)打开点光源，点光源发出的测量光束经过准直镜和显微物镜后会聚在显微物镜的焦点处，利用差动共焦高精度定位技术分别准确定位被测靶丸和干涉相机，使靶丸内、外表面分别精确对焦成像在干涉相机上；

(1-2)由近向远地调整参考臂的光学延迟，干涉相机中第一次出现的干涉条纹即外表面干涉条纹，第二次出现的干涉条纹即内表面干涉条纹；轴向步进式地驱动参考镜进行机械式移相，干涉相机采集N帧移相干涉图，移相干涉图的光强表达式可表示为：

其中I

(1-3)利用移相干涉算法从采集的移相干涉图中提取

其中λ表示光源的中心波长，M表示由外表面缺陷对内表面测量光相位调制造成的内表面伪缺陷，外表面缺陷与其造成的内表面伪缺陷具有相同的像素坐标，根据外表面缺陷的像素位置将内表面伪缺陷精准、原位地标记或剔除。

差动共焦定面干涉靶丸内、外表面缺陷检测方法，利用差动共焦技术实现内、外表面精确对焦成像的步骤如下：

(2-1)将靶丸外表面精确定位在猫眼位置：在猫眼位置轴向扫描靶丸，将第一探测器和第二探测器探测的光强差动相减即可得到如公式(3)所述的差动共焦响应曲线，

其中，I

(2-2)将干涉相机定位在外表面共轭成像位置：将靶丸从猫眼位置向靠近物镜的方向移动d

其中I

(2-3)将靶丸精确定位在共焦位置：将靶丸继续向靠近物镜的方向移动至共焦位置附近并轴向扫描靶丸，差动共焦探测系统可探测到差动共焦响应曲线，调整靶丸的轴向位置使差动共焦响应曲线的强度为零，此时实现靶丸外表面精准对焦；

(2-4)将干涉相机定位在内表面共轭成像位置：以干涉相机的外表面共轭成像位置为原点，将干涉相机像靠近成像透镜的方向移动d

差动共焦定面干涉靶丸内、外表面缺陷检测方法，移相的引入还可通过同步瞬态移相技术实现，即无需机械移动参考臂，在成像光路中增加四分之一波片，将干涉相机的每4个像素分为一组，每组像素前依次放置0°,45°,90°,135°的偏振片，进而从一帧干涉图中即可提取出4帧移相量为90度的移相干涉图。

差动共焦定面干涉靶丸内、外表面缺陷检测方法，共焦曲线的单边平移差动处理步骤如下：选取共焦曲线两侧相对强度在0.45-0.65之间的数据点，分别拟合出两条直线l

差动共焦定面干涉靶丸内、外表面缺陷检测方法，共焦曲线的sinc

差动共焦定面干涉靶丸内、外表面缺陷检测方法，相机内外共轭位置之间的距离d

差动共焦定面干涉靶丸内、外表面缺陷检测装置，包括如下器件：短相干激光器，光纤，准直镜，偏振分光棱镜PBS，第一四分之一波片，测量物镜，被测靶丸，第二四分之一波片，参考物镜，参考球，第一分光棱镜BS，第一线偏振片，镜筒透镜，准直成像透镜，干涉相机，第二线偏振片，窄带滤光片，汇聚透镜，第二BS，第一针孔，第一探测器，第二针孔和第二探测器。

短相干激光器发出的短相干线偏振光通过耦合进入光纤一端，由光纤另一端发出的光被准直镜准直为平行光，平行光被PBS分为两路，透过PBS的光束经过第一四分之一波片和测量物镜后汇聚在被测靶丸的球心处，被靶丸内、外表面反射光束再次经过第一四分之一波片和测量物镜后形成测量光。被PBS反射的光束经过第二四分之一波片和参考物镜后汇聚在参考球的球心处，被参考球面原路反射的光束再次经过第二四分之一波片和参考物镜后形成参考光。参考光和测量光分别被PBS透射和反射，然后进入第一BS。

被第一BS反射的参考光和测量光经过透振方向45°的第一线偏振片后发生干涉，干涉条纹先后经过镜筒透镜和准直成像透镜后成像在干涉相机上，干涉相机采集记录干涉图。

被第一BS透射的参考光和测量光进入差动共焦探测系统，经过透振方向S 方向的第二线偏振片后，参考光被滤除，只保留测量光。测量光经过窄带滤光片后被汇聚透镜汇聚，然后被第二BS透射和反射，透射和反射的测量光分别经过第一针孔和第二针孔后被第一探测器和第二探测器收集。第一针孔和第二针孔离焦放置，离焦量大小相等，方向相反。

差动共焦定面干涉靶丸内、外表面缺陷检测装置，原路反射的参考光和测量光最终被准直为平行光打在干涉相机上，干涉相机可以轴向移动调整以实现内、外表面精准对焦成像，并且干涉相机轴向移动调整的过程中干涉图大小保持不变，内外表面检测结果具有像素一一对应的原位对应关系。

有益效果

本发明对比已有技术具有以下创新点：

1)首次提出利用差动共焦曲线的绝对零点实现靶丸和干涉相机的精准定位，有效保证了内、外表面的直接对焦成像和内、外表面缺陷的直接、高精度检测；

2)提出通过轴向移动相机来分别实现内、外表面的原位对焦；在传统干涉显微成像光路中增加了一个准直成像透镜使得原路反射的测量光以平行光打在干涉相机上，以此保证内外表面测量结果之间具有原位像素对应关系；

3)使用短相干光源作为测量光源，有效避免了外表面寄生条纹对内、外表面缺陷测量的影响；使用标准球面作为参考面，与被测内、外表面产生零位干涉，有效扩大了有效测量视场。

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1)相比于传统干涉显微方法，本方法利用差动共焦技术为内、外表面对焦调整提供了清晰准确的判断依据，首次实现了内、外表面的直接、准确对焦；

2)相比于传统干涉显微方法，本方法利用差动共焦技术为对焦调整提供了客观判断依据，为大批量自动化测量提供必要技术保障；

3)相比于传统干涉显微方法，本方法改进了成像光路及对焦方式，通过原位对焦保证内外表面测量结果之间具有原位像素对应关系，进而保证内表面伪缺陷的精准原位剔除；

4)相比于光场衍射计算的方法，本方法直接对内、外表面对焦成像，有效提高了测量精度和测量效率。

附图说明

图1为本发明差动共焦定面干涉检测方法原理图；

图2为本发明内、外表面对焦成像示意图；

图3为本发明内、外表面缺陷测量的流程图；

图4为本发明差动共焦曲线图；

图5为本发明共焦曲线及双边拟合差动处理示意图；

图6为本发明差动共焦定面干涉检测装置；

图7为本发明实施例中测得的外表面缺陷。

图8为本发明实施例中测得的内表面缺陷。

其中：1-短相干激光器，2-光纤，3-准直透镜，4-PBS，5-第一四分之一波片，6-测量物镜，7-被测靶丸，8-第二四分之一波片，9-参考物镜，10-参考球面， 11-第一BS，12-第一偏振片，13-镜筒透镜，14准直成像透镜，15-干涉相机， 16-第二偏振片，17-窄带滤光片，18-汇聚透镜，19-第二BS，20-第一针孔，21- 第一探测器，22-第二针孔，23-第二探测器，24-旋转台，25-靶丸平移台，26- 测长干涉仪，27-压电陶瓷，28-参考臂平移台，29-相机平移台，30-主控计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

结合图1-图6，差动共焦定面干涉靶丸内表面缺陷检测方法及检测装置，其中短相干激光器1发出的短相干线偏振光通过耦合进入光纤2一端，由光纤2 另一端发出的光被准直镜3准直为平行光，平行光被PBS4分为两路，透过PBS4 的光束经过第一四分之一波片5和测量物镜6后汇聚在被测靶丸7的球心处，被内表面反射的光束再次经过第一四分之一波片5和测量物镜6后形成测量光。被PBS4反射的光束经过第二四分之一波片8和参考物镜9后汇聚在参考球面 10的球心处，被参考球面10原路反射的光束再次经过第二四分之一波片8和参考物镜9后形成参考光。参考光和测量光分别被PBS4透射和反射，然后进入第一BS11。

被第一BS11反射的参考光和测量光经过透振方向45°的第一线偏振片12 后发生干涉，干涉条纹先后经过镜筒透镜13和准直成像透镜14后成像在干涉相机15上，干涉相机15采集记录干涉图。

被第一BS11透射的参考光和测量光进入差动共焦探测系统，经过透振方向 S方向的第二线偏振片16后，参考光被滤除，只保留测量光。测量光经过窄带滤光片17后被汇聚透镜18汇聚，然后被第二BS19透射和反射，透射和反射的测量光分别经过第一针孔20和第二针孔22后被第一探测器21和第二探测器23 收集。第一针孔20和第二针孔22离焦放置，离焦量大小相等，方向相反。

差动共焦定面干涉靶丸内表面缺陷检测装置，原路反射的参考光和测量光最终被准直为平行光打在干涉相机15上，干涉相机15可以轴向移动调整以实现内表面精准对焦成像，并且干涉相机15轴向移动调整的过程中干涉图大小保持不变，进而保证内外表面测量结果之间的原位像素对应关系。

被测靶丸7被固定在旋转台24上，旋转台固定在平移台25上。测长干涉仪26用于监测靶丸的轴向位置。参考物镜9和参考球面10共同被固定在压电陶瓷27上，压电陶瓷27被用于驱动参考臂移相。压电陶瓷27则被固定在参考臂平移台28上，参考臂平移台28被用于调整参考光的光学延迟。干涉相机15 被固定在相机平移台29上，相机平移台29被用于轴向调整相机的位置，并带有光栅尺可监测其轴向位移。主控计算机30用于装置中的运动控制和数据采集。

本实施例中实现靶丸内、外表面缺陷测量的过程如下：

(1)打开短相干激光器1，发出的测量光束经过准直透镜2和测量物镜6 后会聚，利用差动共焦高精度定位技术分别准确定位被测靶丸7和干涉相机15，使内表面精确对焦成像在干涉相机15上；

(2)由近向远地调整参考臂的光学延迟，干涉相机15中第一次出现的干涉条纹即外表面干涉条纹，第二次出现的干涉条纹即内表面干涉条纹；轴向步进式地驱动参考臂进行机械式移相，干涉相机采集N帧移相干涉图，移相干涉图的光强表达式可表示为：

其中I

(3)利用移相干涉算法从采集的移相干涉图中提取

其中λ表示光源的中心波长，M表示由外表面缺陷对内表面测量光相位调制造成的内表面伪缺陷，外表面缺陷与其造成的内表面伪缺陷具有相同的像素坐标，根据外表面缺陷的像素位置将内表面伪缺陷精准、原位地标记或剔除。

根据图2，利用差动共焦技术实现内、外表面精确对焦成像的步骤如下：

(1)将靶丸外表面精确定位在猫眼位置：在猫眼位置轴向扫描靶丸，将第一探测器和第二探测器探测的光强差动相减即可得到如公式(3)所述的差动共焦响应曲线，

其中，I

(2)将干涉相机定位在外表面共轭成像位置：将靶丸从猫眼位置向靠近物镜的方向移动d

其中I

(3)将靶丸精确定位在共焦位置：将靶丸继续向靠近物镜的方向移动至共焦位置附近并轴向扫描靶丸，差动共焦探测系统可探测到差动共焦响应曲线，调整靶丸的轴向位置使差动共焦响应曲线的强度为零，此时实现靶丸外表面精准对焦；

(4)将干涉相机定位在内表面共轭成像位置：以干涉相机的外表面共轭成像位置为原点，将干涉相机像靠近成像透镜的方向移动d

根据图5，共焦曲线的单边平移差动处理步骤如下：选取共焦曲线两侧相对强度在0.45-0.65之间的数据点，分别拟合出两条直线l

相机内外共轭位置之间的距离d

在图6所示的测量装置上，采用图3所示的检测流程，最终测得了清晰的内外表面缺陷。测得的外表面缺陷如附图7所示，内表面缺陷如附图8所示，因此证明了本发明的可行性和良好效果。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。