倪開灶，劉世杰*，吳周令，陳 堅

(1.中國科學院 上海光學精密機械研究所 強激光材料重點實驗室，上海 201800;2.合肥知常光電科技有限公司，安徽 合肥 230000)

激光聚焦線掃描法測量KDP晶體坯片的體缺陷

倪開灶1，劉世杰1*，吳周令2，陳 堅2

(1.中國科學院 上海光學精密機械研究所 強激光材料重點實驗室，上海 201800;2.合肥知常光電科技有限公司，安徽 合肥 230000)

為了快速準確測量磷酸二氫鉀(KDP)晶體坯片的體缺陷，提出了高速激光聚焦線掃描散射成像方法，并建立了相應的測量系統(tǒng)。研究了該系統(tǒng)的測量原理和圖像采集、圖像處理和體缺陷信息提取方法。基于激光散射技術，結合高速運動裝置對晶體坯片內(nèi)部進行三維掃描，用線陣CCD探測器接收氣泡、包裹物等體缺陷產(chǎn)生的散射光。然后利用折射率匹配液消除粗糙表面帶來的不利影響。最后結合數(shù)字圖像處理技術，對采集的圖像進行實時處理。通過去除背景后與設定閾值比較得到具有體缺陷特征的圖像，再對其進行二值化處理，提取得到體缺陷的位置和尺寸信息。利用該檢測裝置對KDP晶體坯片體缺陷進行了測量，結果顯示其檢測分辨率優(yōu)于40 μm，能夠為晶體坯片的精確切割和最大程度的利用提供依據(jù)，從而節(jié)省了大量成本。

磷酸二氫鉀(KDP)晶體;晶體坯片；體缺陷；激光聚焦線掃描；散射測量

1 引 言

隨著大型高功率激光系統(tǒng)輸出的激光能量越來越大，對光學元件生產(chǎn)加工質量的要求也越來越高。其使用的精密光學元件需要有更高的抗損傷能力和更長的壽命[1-2]。然而，光學元件內(nèi)部存在氣泡、鉑金顆粒和其它包裹物等體缺陷，一方面，體缺陷會產(chǎn)生正透鏡或負透鏡的效果，對入射光造成嚴重的調(diào)制作用，使局部區(qū)域光強得到極大增強；另一方面，吸收型體缺陷將吸收入射光能量，引起局部溫升[3-4]。這些光學元件都在近臨界閾值條件下工作[5]，局部光強的稍微增強即有可能引起光學元件的嚴重損傷，使得光學元件的抗損傷能力大幅下降。作為慣性約束聚變(ICF)激光驅動器中的優(yōu)質光開關、二倍頻和三倍頻光學元件，KDP和DKDP晶體的損傷問題直接制約著激光系統(tǒng)運行通量，尤其是工作在紫外波段的混頻晶體的激光損傷[6]。因此，有必要對光學材料、光學元件體內(nèi)存在的缺陷進行檢測。

目前，國內(nèi)對光學元件內(nèi)部的氣泡、包裹物等缺陷的檢測主要依賴目視檢測[7]。在暗室中，用強光照明光源從光學元件側面照射，在與光源入射方向相垂直的通光面一側觀察氣泡、包裹物發(fā)出的散射光，以此判斷光學元件的氣泡度。目視檢測時，檢測人員需要長期的訓練，不能準確量化體缺陷的尺寸和位置，且檢測員容易疲勞，不能連續(xù)工作，效率低。美國LLNL實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory)的J. Wolfe和M. Runkel設計了一套AIM(Automated Inclusion Mapper)系統(tǒng)用于探測大口徑光學玻璃體內(nèi)的氣泡、包裹物[8]，用CCD相機接收體缺陷對入射片狀激光產(chǎn)生的散射光。該方法能夠較快的對元件進行檢測，但是其采用光學元件運動以實現(xiàn)體內(nèi)全部掃描，而樣品口徑大，快速運動不安全。且元件需要拋光，否則會受到粗糙表面散射光的影響。S. G. Demos等人利用熒光顯微成像的方式研究KH2PO4晶體內(nèi)部的缺陷[9-10]，用短波長激光激發(fā)缺陷發(fā)射熒光。該方法同樣需要被檢光學元件拋光，且速度較慢。以上檢測方法均需要光學元件在經(jīng)歷切割、粗拋、甚至部分精拋后才能進行，若檢測不合格，則整塊元件都不能使用，前期的工作都將廢棄，浪費了大量的人力、物力和時間。

綜上所述，本文提出一種用于晶體坯片體缺陷檢測的激光聚焦線光束掃描散射成像方法。利用聚焦線激光束對晶體坯片內(nèi)部進行掃描，線陣探測器獲得坯片內(nèi)部缺陷圖像，結合數(shù)字圖像處理技術對獲取的圖像進行實時處理，得到體缺陷的尺寸和位置信息。該方法能夠直接對晶體坯片進行快速無損檢測，為晶體坯片選擇最佳位置進行切割提供依據(jù)，使晶體坯片得到最大程度的利用。

2 測量原理

晶體坯片體缺陷檢測原理如圖1所示。聚焦線激光束入射到晶體坯片內(nèi)部，位于側面，與激光入射方向相垂直的探測系統(tǒng)通過光學系統(tǒng)對聚焦線激光束位置處缺陷產(chǎn)生的散射光進行收集成像。若無缺陷存在，則沒有散射光進入成像系統(tǒng)，圖像呈現(xiàn)暗背景；否則成高對比度的暗背景亮像。沿著圖中所示掃描方向，聚焦線形激光束與探測系統(tǒng)進行同步掃描，通過圖像處理，從而獲得晶體坯片體缺陷的三維分布信息。由于所測材料為坯片，為避免粗糙表面對入射聚焦線激光束產(chǎn)生嚴重的散射，從而影響對晶體內(nèi)部缺陷的探測，將晶體坯片放在折射率匹配液里。

圖1 晶體坯片體缺陷檢測原理圖Fig.1 Schematic of measuring crystal billet bulk defects

根據(jù)Mie散射理論[11]，散射截面為：

(1)

其中:波數(shù)kmed=2πnmed/λ，nmed為材料折射率，λ為入射光在真空中的波長。系數(shù)an和bn分別為：

(2)

(3)

其中：jn為第一類球形Bessel函數(shù)，hn為球形Hankel函數(shù)，μ1和μ分別為體缺陷和晶體材料的磁導率，取μ1=μ。x=2πnmeda/λ，a為體缺陷半徑，m=ndef/nmed，ndef為體缺陷折射率。

圖2 歸一化散射截面分布曲線Fig.2 Normalized scattering cross section distribution curve

設置體缺陷為球形，由式(1)～(3)模擬得到如圖2所示的曲線。當mx?1時，在光學散射區(qū)內(nèi)，σ/πa2趨近與常數(shù)。當mx?1時，在瑞利散射范圍內(nèi)，散射截面σ隨著波長減小而增大，由文獻[11]可知，散射截面σ與λ-4呈正比。而在兩者之間的米氏散射截面呈現(xiàn)震蕩特性。所以，當體缺陷尺寸一定時，入射光波長越短，散射截面和散射光強越大。對于一定尺度的體缺陷，短波長具有更高的檢測靈敏度。但另一方面，入射光波長越大，其產(chǎn)生的體散射效應越小[8]。

3 晶體坯片體缺陷測量裝置

晶體坯片體缺陷檢測裝置如圖3所示，主要由高速掃描系統(tǒng)、掃描同步系統(tǒng)、樣品裝夾系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。

為除去粗糙表面產(chǎn)生的散射給測量造成影響，KDP晶體坯片浸在折射率匹配液中。折射率匹配液容器在XYZ方向均為晶體坯片留下足夠空間，保證入射激光不被容器邊緣阻擋。此外，在匹配液容器中，精確測量容器邊緣至晶體坯片邊緣的距離，為晶體坯片體缺陷定位提供坐標數(shù)據(jù)。

圖3 晶體坯片體缺陷檢測裝置Fig.3 Measuring setup of crystal billet bulk defects

高速掃描系統(tǒng)主要分為激光入射系統(tǒng)和探測系統(tǒng)。激光入射系統(tǒng)主要由激光器、半波片、偏振片、分束器、光功率計、光束整形系統(tǒng)、柱面鏡等組成。探測系統(tǒng)主要包括陣列探測器等。激光器輸出光束經(jīng)過半波片和偏振片后，其偏振態(tài)和入射光強受到調(diào)節(jié)。然后，入射激光束經(jīng)過分束器分成兩束，一束通過光束整形系統(tǒng)，將高斯光束整形為平頂線光束。另一束直接被光功率計接收，用于實時監(jiān)測入射激光光強的變化，實時修正入射激光強度，避免因入射激光功率發(fā)生變化引起體缺陷產(chǎn)生的散射光強發(fā)生變化，從而造成誤判。平頂線光束經(jīng)過柱面鏡被聚焦成沿X方向的線光束，入射到晶體坯片內(nèi)部。位于側面與入射激光方向垂直的陣列探測器接收體缺陷產(chǎn)生的散射光，透射光被吸光幕遮擋掉。

為實現(xiàn)對整個晶體坯片內(nèi)部進行檢測，同時保證晶體坯片在折射率匹配液中位置固定，采用同時移動激光入射系統(tǒng)和探測系統(tǒng)。掃描同步系統(tǒng)用于保證掃描同步性，避免入射光聚焦位置與陣列探測器探測物面不重合，導致采集的圖像失真。

掃描路徑如圖4所示，首先激光入射系統(tǒng)和探測系統(tǒng)沿Y方向同步移動，如圖4(a)所示；第一層掃描完成后，沿Z方向移動1個步長，繼續(xù)對第二層進行掃描，如圖4(b)所示。為保證晶體坯片內(nèi)部所有部分均能被探測到，不產(chǎn)生漏檢，沿Z方向相鄰兩層之間有一定重疊。若入射聚焦線光束的線長比晶體坯片在X方向的尺寸小，在掃完一個線長后，激光入射系統(tǒng)和探測系統(tǒng)沿X方向同步移動，重復前面掃描過程。同樣，為了避免漏檢，相鄰兩個線長之間有一定重合，圖中斜線部分為重疊區(qū)域。

圖4 聚焦線光束掃描路徑Fig.4 Scanning path of focused line laser beam

(4)

其中：M×N為單次掃描圖像像素點，I(i,j)為像素點灰度值。然后將背景減去，得到去除背景后的圖像I′：

(5)

去除背景后的單層掃描圖像與設定的閾值比較，若有像素點的灰度值超過閾值，保留該層圖像進行下一步處理；否則，停止對該層圖像的進一步處理。對保留的圖像利用圖像梯度和Otsu算法進行二值化處理[12]。根據(jù)圖像位置以及體缺陷在圖像中的位置計算體缺陷在全局坐標系中的位置，根據(jù)體缺陷的像素面積計算其尺寸信息。

圖5 圖像處理過程Fig.5 Flowchart of image processing

4 測量結果與分析

考慮入射光波長對體缺陷的散射截面和體散射的影響，實驗所用激光器波長為532 nm。激光器發(fā)出的光束經(jīng)過整形系統(tǒng)和柱面鏡聚焦后，聚焦線激光束線長為100 mm，線寬約為20 μm。探測器為線陣CCD，分辨率為6 144 pixel×1 pixel，單個像元大小為7 μm×7 μm。實驗樣品為KDP晶體坯片，尺寸為100 mm×100 mm×10 mm，將KDP晶體坯片固定在折射率匹配液中，并通過軟件控制電機平臺沿KDP晶體Z軸方向進行連續(xù)層掃描，激光入射系統(tǒng)的橫向速度設置為7 mm/s，探測系統(tǒng)的橫向速度設置為3mm /s，掃描間距為2 mm。同步掃描系統(tǒng)使用的電機定位精度均為20 μm。如圖6所示，位置0為KDP晶體坯片前表面層，位置1為坯片內(nèi)部，距離前表面2 mm，位置2、3、4分別距離樣品前表面4 mm、6 mm和8 mm，位置5為晶體坯片后表面層。

圖7所示為未將KDP晶體坯片浸入折射率匹配液和浸入折射率匹配液后測量的對比結果。從圖7(a)中可以看出，未浸入折射率匹配液時，距表面0.5 mm處，CCD未探測到有效信號，顯示為暗背景。而浸入折射率匹配液后如圖7(b)所示，在距表面0.5 mm處，CCD探測到很多點狀缺陷。但在距表面1 mm處，圖像中已基本沒有信號，顯示為暗背景，如圖7(c)所示。這主要是由于未浸入折射率匹配液時，坯片表面很粗糙，入射激光被表面嚴重散射掉，只有很少一部分入射到坯片內(nèi)部，并且CCD所在側的坯片表面也為粗糙表面，若存在缺陷，其產(chǎn)生的散射光也較難通過坯片表面被探測器收集。由于坯片表面沒有進行清潔，粗糙表面的凹坑里會存在雜質顆粒。浸入匹配液后，雜質顆粒折射率與匹配液以及晶體的折射率存在很大的不同，入射聚焦線激光束在雜質顆粒處會產(chǎn)生較強的散射信號。CCD所在側表面由于有匹配液存在，散射信號能夠通過側面被CCD接收成像。但在表面以下1 mm處，圖7(b)中產(chǎn)生的眾多散射信號基本消失，如圖7(c)所示。這表明表面產(chǎn)生的散射信號對后面的體內(nèi)缺陷檢測不會造成影響。

晶體坯片內(nèi)部掃描結果如圖8所示，圖8(a)～8(d)分別為晶體坯片內(nèi)部(對應圖6位置1～4)采集到的體缺陷信息圖像，結果已經(jīng)過圖像處理算法的處理，圖中白色區(qū)域為體缺陷區(qū)域。根據(jù)體缺陷占據(jù)的圖像像素個數(shù)，以及CCD單個像素對應的物方尺寸， 計算得到不同層上的體缺陷

的最大長度和最大寬度等尺寸信息，并進行標注。從圖中可以看出，有一個尺寸較大的體缺陷①在4幅圖像對應位置上都出現(xiàn)，在圖8(d)中斷開成2個。其最大橫向尺寸出現(xiàn)在圖(a)上，其最大長度達到21.31 mm，最大寬度為6.05 mm。體缺陷②則出現(xiàn)在圖8(a)～(c)中，表明其沿Z方向尺寸約為6 mm。體缺陷③則只出現(xiàn)在圖8(c)中，說明其沿Z方向尺寸不大于2 mm。同時從圖8(a)和(b)可以看出，系統(tǒng)測量到的最小體缺陷尺寸為40 μm，說明系統(tǒng)至少可以分辨尺寸為40 μm的體缺陷。

圖6 掃描層析示意圖Fig.6 Diagram of scanning chromatography

圖7 KDP晶體坯片浸入和未浸入折射率匹配液測量結果Fig.7 Measuring results of KDP crystal billet immersed in and not immersed in index matching fluid

圖8 KDP晶體坯片不同層掃描結果圖Fig.8 Results of KDP crystal billet at different layers

5 結 論

針對KDP晶體坯片體缺陷量化檢測問題，本文提出了一種激光聚焦線掃描散射成像方法。通過聚焦線激光束與線陣探測系統(tǒng)進行同步快速掃描，得到高對比度的體缺陷的三維分布圖像。對單次掃描得到的圖像進行實時去除平均背景，對每一層圖像進行閾值判斷和二值化處理，提取出晶體坯片體缺陷的分布信息。KDP晶體坯片實驗測量結果表明，該系統(tǒng)能夠有效檢測出坯片內(nèi)部的缺陷，并提取出體缺陷的尺寸信息。能夠為晶體坯片選擇最佳位置進行切割，使其得到最大程度利用提供支撐。實驗中檢測到的最小體缺陷尺寸為40 μm，通過優(yōu)化改進，系統(tǒng)的檢測能力可以得到進一步提升。

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Measurement of bulk defects for KDP crystal billet with focused line scanning

NI Kai-zao1, LIU Shi-jie1*, WU Zhou-ling2, CHEN Jian2

(1.KeyLaboratoryofMaterialsforHighPowerLaser,ShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201800,China; 2.ZCOptoelectronicTechnologies.Co.,Ltd.,Hefei230000,China) *Correspondingauthor,E-mail:shijieliu@siom.ac.cn

To detect the bulk defects in crystal billet of a KDP(potassium dihydrogen phosphate)crystal quickly and exactly, a laser focusing scanning scattering imaging method was proposed and a corresponding high speed line scanning measurement setup was constructed. The principle of detection, image acquisition, image processing and the extraction of bulk defects were investigated. Based on laser scattering technique, a focused line laser beam was used to scan all parts of the crystal billet with a high-speed movement device. The scattering light caused by bulk defects such as bubbles and inclusions was collected by a linear array CCD. The adverse effect caused by rough surface was eliminated with the index-matching fluid. Combined with digital image processing technique, the captured image was processed in real time. An averaged background was subtracted from the original image, then the image was compared with a threshold to judge the existence of bulk defects. The image with bulk defects was binarized to exact the positions and sizes of bulk defects. Finally, the setup was used to test the crystal billet of a KDP, results show that the sensitivity by proposed method is superior to 40 μm. It verifies that this method provides supports for accurately cutting and making the most use of crystal billet and also saves a lot of costs.

Potassium Dihydrogen Phosphate( KDP) crystal;crystal billet; bulk defect; focused line laser beam; scattering measurement

2016-10-18；

2016-11-20.

國家自然科學基金青年科學基金資助項目(No.11602280)

1004-924X(2016)12-3020-07

O77；TN247

:Adoi:10.3788/OPE.20162412.3020

倪開灶(1989-)，男，江蘇鹽城人，碩士，實習研究員，2015年于蘇州大學獲得碩士學位，主要從事光學元件缺陷檢測技術方面的研究。E-mail: nikaizao@siom.ac.cn

劉世杰(1979-)，男，陜西漢中人，博士，副研究員，2008年于中國科學院上海光學精密機械研究所獲得博士學位，主要從事精密光學檢測技術、衍射光學和光學薄膜等方面的研究。E-mail: shijieliu@siom.ac.cn