中华人民共和国国家标准
GB/T41805—2022
光学元件表面疵病定量检测方法
显微散射暗场成像法
Methodology for the quantitative inspection of the defect on optics
surface--Microscopic scattering dark-field imaging
2022-10-12发布
2023-05-01实施 前言
本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。 本文件由中国机械工业联合会提出。 本文件由全国光学和光子学标准化技术委员会（SAC/TC103）归口。 本文件起草单位：浙江大学、杭州晶耐科光电技术有限公司、中国科学院大连化学物理研究所、中国
工程物理研究院激光聚变研究中心、中国科学院上海光学精密机械研究所、中国兵器工业标准化研究所、江苏皇冠新材料科技有限公司、福建福特科光电股份有限公司。
本文件主要起草人：杨甬英、曹频、李刚、杨李茗、刘旭、刘世杰、胡丽丽、徐晓飞、李炜娜、麦启波黄木旺。 引言
GB/T1185一2006是光学元件表面病自视法检测标雅，其主要采用在强光或一定的光照条件
下，利用比较标板人眼自视观察确定症病尺度的方法。自视法的主观性强且重复性差，落后的检测方法已经严重制约现代科学研究及工业化在线检测的发展。本文件保留GB/T1185一2006对光学元件表面疵病的评定标准，提出显微散射暗场光学成像系统及数字化处理的定量评价方法，该标准的建立将为我国对各类精密光学元件在加工工艺，光学镀膜，工业化在线检测等各个环节提供有效的数字化定量检测方法
本文件介绍了光学元件显微散射暗场成像中的术语及定义，描述了环形照明光源及显微散射暗场成像系统组成的检测设备原理及搭建方法、试验条件、光学元件样品类型、图像采集、图像预处理、图像阅值分割，图像形态学处理、症病分类、数字化定标方法。试验数据处理和检测报告形式，基本可适用于所有光学元件表面症病的定量化检测。
针对数字化的定量检测方法，在附录A中介绍了检测重复性与相对误差测量方法。针对大口径平面光学元件的检测，在附录B中介绍了利用显微散射暗场成像的子孔径的扫描拼接方法。在附录C中介绍了用于症病尺度评价的比较标板的制作方法。
为避免技术壁垒，本文件中只推荐并介绍平面光学元件表面疵病定量检测装置的布局，对检测装置如显微散射暗场光学成像系统、子孔径扫描所需的机械移导装置等具体结构类型不做限制，只要能满足显微散射暗场成像环境即可。 光学元件表面疵病定量检测方法
显微散射暗场成像法
1范围
本文件描述了采用显微散射暗场成像法对光学元件表面疵病进行定量检测的检测原理、试验条件、 仪器设备、样品，检测步骤，试验数据处理和检测报告。
本文件适用于平板类双面抛光光学元件表面症病的长度、宽度，挡光面积以及症病位置检测。
2规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件：不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T1185--2006 光学零件表面症病
3术语和定义
GB/T1185一2006界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
环形光源 ring lighting 由环状分布的高亮度LED或其他高亮度光源构成的照明系统，以提供均匀的暗场照明。
3.2
显微散射暗场成像 microscopic scattering dark-field imaging 使用工业相机和光学系统作为成像组件，用高亮度光源激发元件表面疵病的散射光，并由成像镜头
收集，最终在暗背景下形成亮症病图像的成像方式。 3.3
成像分辨率 image resolution 图像单个像素所对应的物面几何尺寸。
3.4
定标 calibration 使用可精确溯源及可量化缺陷尺寸的表面疵病比较标板，建立物面实际尺寸与成像系统的像素之
间的映射关系。
注：GB/T1185一2006的C.4规定了比较标板的型号以及疵病尺寸参数。
3.5
脏病像素面积 pixel area 图像中疵病连通域的像素个数表征的面积。 3.6
症病像素周长pixelperimeter 图像中症病连通域外轮廓相邻像素质心距离之和的表征长度。
4检测原理
基于显微散射暗场成像的光学元件表面疵病定量检测原理示意图见图1。被检样品或比较标板水
平放置于哑光黑色背景上方，由环形光源倾斜照明。表面疵病发出的散射光被显微镜收集成像，成像系统仅接收到表面疵病诱发的散射光使得疵病会在暗背景下呈现高亮区域。在定量测量被检样品之前，首先使用比较标板进行定标，测量比较标板的疵病标样以建立图像像素尺寸和症病标样实际尺寸或级数之间的映射关系，按照附录A描述的方法计算比较标板的检测重复性与计算结果的相对误差，如果满足用户要求则完成定标。随后在与定标相同的条件和流程下，测量被检样品的表面疵病，并换算成疵病基本级数。整个表面检测完成后，统计各级疵病的数量，验证被检样品是否满足设计公差的要求。
标引序号说明： 1—工业相机 2—显微镜； 3 -环形光源：
被检零件或比较标板；哑光黑色背景；
4
5-
6 一计算机。
图1光学元件表面疵病定量检测原理示意图
5试验条件
除特殊要求外，试验应在下述环境条件下进行：
环境温度：23℃士3℃；
a)
b）相对湿度：不大于60%； 9 洁净度：工作环境级，测试区域局部根据样本特殊测试需求确定。 6仪器设备
根据图1的光学元件表面疵病定量检测原理示意图搭建显微散射暗场成像检测装置。试验所需最低成像分辨率按GB/T1185一2006中4.2.1.3和4.2.2.2规定的不予计算的疵病级数。例如一般疵病级数小于一般疵病公差级数的0.16倍可忽略不计，对于一般疵病公差B/1×0.63，成像分辨率应优于 0.1 mm.
待检疵病级数属于GB/T1185一2006中表C.1的1号标板、2号标板和3号标板时，试验设备应符合表1的要求。
表1试验设备所需条件
环形光源照明角度α 约30° 约30°
光源照度稳定性 ≤2% ≤2%
成像分辨率
样品表面照度
比较标板型号
1x 8 000~20 000 3000~10000
μum 3 ≤20
1号标板 2号或3号标板
试验中应避免光源反射光直接进人视场。在满足检测所需成像分辩率的前提下，如果相机视场不能覆盖整个有效检测口径，应通过控制移导机构移动待测元件，使症病位于视场内。逐次扫描及拼接过程按附录B描述的子孔径扫描和拼接过程。
7样品
待检测的样品为平板类双面抛光光学元件，需满足以下条件： a）样品表面清洁度应不影响测量： b）样品厚度大于光学成像系统的景深； c）样品表面对可见光不会产生衍射。
8检测步骤
8.1 仪器设备搭建
首先固定相机和光学系统，然后按照表1的要求布置光源，最终将待检测的样品移动到成像系统视场内，调节相机与样品表面的距离，使成像系统对焦于物体表面。对于被检样品口径超出视场的区域，按附录B规定的子孔径扫描和拼接的说明。对样品表面进行全口径图像采集。 8.2图像采集
在暗场环境下采集待测光学元件的图像。
8.3 3图像预处理 N-—疵病像素面积，单位为像素（Pixel）; C-—疵病像素周长，单位为像素（Pixel)。
8.7定标
定标时需要使用已知疵病实际尺寸的比较标板作为待测光学元件，该比较标板的加工制作可参照附录C的方法，定标过程是保证最终测量结果准确的关键步骤，该过程要求：
a）待测光学元件和比较标板在相同的光照环境条件下进行图像采集： b）待测光学元件表面垂直于成像系统光轴，并与相机像面平行； c）若使用二维移动导轨移动光学元件，移动过程中要保持光学元件表面与相机像面平行。 在采集比较标板上的擦痕图像后，根据8.3～8.5的步骤，对擦痕图像进行处理，如图3a）所示，得到
一系列相机成像后的擦痕像素宽度数据u1.u2， ui ，un，这些擦痕实际宽度已知，分别为w1 Wz,..,Wi,...,Wno 擦痕实际宽度/mm
M
中
U
:
-
1
1
-
W
42
4y
4
H.
擦痕像素宽度/Pixel
us
u
u
4.
擦痕像素宽度U./Pixel
a）定标擦痕图像采样示意图
b）定标擦痕像素宽度和实际宽度线性拟合示意图
图3比较标板定标示意图
使用最小二乘法对比较标板上的擦痕像素宽度与其实际宽度进行线性拟合，如图3b）所示，得到擦痕像素宽度与实际宽度的拟合直线，拟合直线的斜率为所需要的定标系数。。拟合直线表达式见公式（2）所示：
W.=k.U.
（2)
式中： W.一一比较标板擦痕实际宽度，单位为毫米（mm）； 。—一拟合直线斜率，记为定标系数； U。一一比较标板擦痕像素宽度，单位为像素（Pixel）。 定标完成后，随机选取比较标板上的疵病样本，按照附录A的方法，计算检测重复性与测量的相对
误差，如果满足检测要求，实际检测时，应按照与定标相同的条件做图像采集与图像处理，否则，应调整图像预处理与图像分割的算法，重新定标。
9试验数据处理
9.1一般症病面积计算