自动化所设计紧凑型检测仪破解难题 实现大口径光学元件表面微粒在线检测

　　8月，自动化所精密感知与控制中心徐德研究员、张正涛研究员在IJAC第4期发表了研究论文：An Effective On-line Surface Particles Inspection Instrument for Large Aperture Optical Element。文章介绍了最新设计的一款新型紧凑检测仪（compact instrument），可用于快速检测LAOE表面的微粒污染，该仪器携带方便，实现在线检测。　　  

　　当前，对于光学元件表面微粒的检测，最基本的方法是肉眼观察，这全凭工人的经验来判断微粒数量和大小，最后的结果往往受很多主观因素影响。现在，还有一些专业的检测仪器，如：激光剪切散斑干涉技术（shearography）---检测薄片（wafer）上的细小缺陷；投射测定法（transmission measurement）---使用THz光谱仪（THz spectrometer）追踪THz脉冲延迟（THz pulse delay），并得出元件表面状况的量化数据；C-CT，即原子力显微镜（atomic force microscopy），也称扫描电子显微镜（scanning electron microscopy）---检测光学元件表面的微粒污染。虽然通过这些仪器测出的结果精度高，但不适用于在线检测几百微米（hundred micrometers）级大小的微粒。　　  

　　现阶段，研究者们设计出了两种可满足美国国家点火装置（NIF）损伤检测要求（the damage detection requirements）的系统：激光光学元件损伤检测系统（laser optics damage inspection system, LODI）用于检测传输光学元件（transport optics）及靶室真空窗（target chamber vacuum window）的损伤情况；终端光学元件损伤检测系统（final optics damage inspection system，FODI）用于检测终端光学元件（final optics）的损伤情况。两系统均采用暗场成象技术（dark-field imaging technology）来增加损伤图像（defect image）间的对比度。FODI系统可检测大小超过50微米的裂缝（flaws），置信度达99%，检测192束光大约需要2小时。但上述系统操作复杂，造价高昂，不易携带，应用于实际时困难重重。  

　　论文设计的用于检测大口径光学仪器表面微粒的设备，基于暗场成像系统，可在远工作距离的条件下，得到LAOEs表面的高清图像。通过步进电机（stepper motor）调整镜头的放大倍率（lens magnification），而后自动对焦。设备易于安装，方便携带，可在线检测。摄像机内部参数和镜头畸变参数离线校正。当前图像和理想图像间的单应矩阵在线校正。当前的变形图像可通过单应矩阵（homography matrix）和图像校正算法（image rectification algorithm）进行校正。借助自适应阈值算法（adaptive thresholding method）和SSE2算法可得到带背景且抽取了微粒（extract particles）的二值图像。通过分别计算子区域的微粒数，可得到微粒分布情况。实验结果表明：该紧凑型设备可满足大口径光学元件的检测要求，过程高效，结果准确。