《Optics & Laser Technology》：Automated centering and annular scanning strategy for surface defect detection of large-aperture curved optical components
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大孔径曲面光学元件表面缺陷检测方法研究。提出基于暗场散射成像的简化全孔径扫描检测方案，通过位移传感器实现自动中心定位与曲率半径确定，设计环形子孔径扫描策略并集成Z轴补偿技术，构建原型系统验证扫描误差与子孔径尺寸对检测效率的影响。相较传统旋转扫描法，该方法采用标准三轴位移平台，显著降低硬件复杂度和维护成本，适用于工业级高效检测。
Fengwei Zhang|Zedong Wang|Shiling Wang|Shuke Huang|Xiyuan Li|Xiongtao Lv|Jipeng Guo|Lulu Li|Kuo Hai|Zhongming Zang|Dong Liu
中国浙江省杭州市浙江大学光学科学与工程学院极端光子学与仪器国家重点实验室，310027
摘要
目前，超精密大口径曲面光学元件在激光系统中的应用日益广泛。然而，制造过程中产生的缺陷会严重影响系统性能和使用寿命。虽然平面光学元件的表面缺陷检测方法已经成熟，且宽场散射成像已成为检测光学元件表面质量的关键技术，但曲面光学元件的表面缺陷检测问题仍未得到解决。商用检测仪器在大口径检测方面存在局限性，而现有的曲面元件亚孔径扫描方案则面临复杂的机械结构和对准挑战。为了解决这些问题，本研究提出了一种基于暗场散射成像的简化全孔径表面扫描检测方案。对于大口径曲面光学元件，采用位移传感器实现自动对中，从而确定元件的中心位置和曲率半径。设计了一种环形亚孔径扫描策略，并结合了亚孔径之间的高度差计算。集成路径规划模型和Z轴补偿机制，以确保成像在景深范围内。构建了一个原型检测系统进行扫描测试，揭示了扫描误差偏移、全孔径扫描时间和亚孔径尺寸之间的关系。在实际应用中，可以根据需要调整亚孔径范围以优化检测效果，为高效检测大口径曲面光学元件提供了一种新方法。
引言
随着光学系统性能要求的不断提高，超精密大口径曲面光学元件（如球面/非球面光学元件）在激光设施[1]、[2]和集成电路制造[3]等前沿领域的应用日益广泛。然而，受当前加工技术的限制，在切割、研磨和抛光等关键制造过程中不可避免地会出现各种缺陷。这些缺陷会显著影响光学系统的运行稳定性和使用寿命。因此，高精度光学元件的表面缺陷检测对于有效控制表面缺陷、提高元件质量和优化制造过程至关重要。
目前，平面光学元件的表面缺陷检测方法主要分为接触式和非接触式两种。接触式检测技术（如原子力显微镜[AFM][4]）通过高分辨率扫描实现对缺陷的全面形态分析，但在全孔径缺陷检测方面存在固有限制，尤其是在检测大尺寸元件时受到机械结构的限制。相比之下，非接触式检测技术依赖于全内反射（TIR）[5]、光学相干断层扫描（OCT）[6]、动态激光散斑扫描（DLSS）[7]等成熟方法。尽管这些方法在不同程度上提供了表面表征能力，但在实际应用中普遍面临检测精度与全孔径检测效率之间的权衡，严重限制了其应用范围。因此，宽场成像[8]已成为大口径光学元件表面缺陷检测的关键发展方向。特别是暗场散射技术[9][10]在百毫米级别尺度上实现了微米级缺陷的精确检测，展现出广阔的应用前景。
虽然平面光学的表面缺陷检测技术已趋于成熟，但针对曲面光学元件的研究相对较少。这一差距严重阻碍了曲面光学元件的高效制造和实际应用。现有的商用系统（如ADIOPTIC GmbH公司的AR-GOS2仪器）最大孔径仅为45毫米，分辨率为2.5微米；西安技术大学的刘等人开发了一种旋转扫描成像方法，可实现曲率半径为50-100毫米、孔径为20-50毫米的球面元件的全表面缺陷检测[11]；浙江大学的杨等人通过集成反射式对中装置（通过可调倾斜平台将光轴与旋转轴对齐[12]，提高了曲面检测的精度，并为该领域的研究提供了新的方法和见解。
对于大口径光学元件，单次成像帧的有限视场范围需要采用亚孔径扫描策略来实现全孔径图像采集[13][14]。与平面光学不同，曲面元件的亚孔径扫描需要三维路径规划。现有扫描方法通常包含旋转平台，确保成像系统的光轴和元件的几何中心在整个扫描过程中保持对齐。这种对齐方式保证了相邻亚孔径之间的高度差在系统的景深范围内，从而保持成像的一致性。然而，这些方法存在机械复杂性高和操作对准繁琐的固有局限。
本研究创新性地提出了一种基于暗场散射成像的简化全孔径缺陷检测方法。以球面光学元件为例，利用位移传感器开发了曲面元件的自动对中方法；同时构建了环形亚孔径扫描方案，并结合路径规划模型，通过Z轴补偿确保亚孔径图像始终在景深范围内。基于表面方程和几何关系，该方法可扩展到任意旋转对称的二次曲面。本研究还构建了暗场检测系统，对大口径曲面光学元件进行了全面扫描测试。通过系统的实验验证和详细的比较数据分析，深入研究了检测系统的扫描误差偏差以及全孔径扫描时间与亚孔径尺寸的变化规律。实际应用表明，根据具体检测需求调整亚孔径范围可实现最佳检测效果。与传统依赖复杂旋转或多轴联动机构的方法不同，该方法仅使用标准XYZ三轴位移平台实现，大大简化了硬件集成和安装流程。通过减少频繁的多轴协调需求，降低了路径规划和运动控制的计算负担，从而降低了硬件和维护成本。从工程角度来看，这种简化方案不仅提高了检测效率，还延长了系统的使用寿命，非常适合实际工业应用。
基本理论
暗场散射成像[15][16]是一种高灵敏度的缺陷检测方法，其工作原理如图1(a)所示。通过用平行侧向光束照射光学元件表面，成像系统被策略性地置于入射光的镜面反射路径之外，从而在光滑表面成像时产生暗背景。在表面缺陷位置，入射光
实验装置
整个检测系统主要由显微成像模块、对中模块和扫描运动模块组成。实验装置的详细示意图见图6(a)。显微成像模块包括环形光源、成像物镜和图像探测器。选择中心波长为455纳米的LED作为暗场光源，这种选择提供了高检测灵敏度
结论
本研究开发了一种基于暗场散射成像的曲面光学元件表面缺陷检测方法，实现了对曲面光学元件的全孔径图像采集。通过位移传感器实现了曲面光学元件的自动对中，并通过实验验证了该方法的有效性。环形扫描策略的采用使得亚孔径的合理划分成为可能
作者贡献声明
Fengwei Zhang：撰写初稿、进行形式分析、数据整理、概念构思。Zedong Wang：撰写初稿、可视化处理、数据整理、概念构思。Shiling Wang：监督工作、方法论制定、资金争取。Shuke Huang：监督工作、项目管理、资金争取。Xiyuan Li：可视化处理、数据整理。Xiongtao Lv：软件开发、形式分析。Jipeng Guo：软件开发。Lulu Li：结果验证、方法论研究。Kuo Hai：撰写、审稿与编辑。
资助
国家自然科学基金（项目编号52441508）；国家重点研发计划（2022YFB3403404）；浙江省自然科学基金（LQ24F050007）。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢匿名审稿人提供的宝贵建议，这些建议有助于提高本文的质量。
