亚表面的成像装置

技术领域

本发明涉及成像领域，特别涉及一种亚表面的成像装置。

背景技术

大型高功率激光装置如美国国家点火装置、法国兆焦耳激光装置以及中国神光系列装置等通常都需要使用一定数量的大口径光学元件。光学元件的缺陷不仅影响了其长期稳定性、镀膜质量和面形精度，而且直接降低了光学系统的抗激光损伤阈值，影响了其光束质量和使用寿命。对光学元件的亚表面成像，特别是针对亚表面缺陷的表征方法，能够有效地检测光学元件内的缺陷，从而显得尤为重要。

目前亚表面缺陷的表征方法可以分为两大类：有损探测法和无损探测法。相对于有损探测法，无损方法更为迅速，效率更高。常用的无损探测亚表面缺陷的方法主要有：共聚焦显微技术、光学相干层析技术以及全内反射显微技术等。共聚焦显微技术探测亚表面缺陷时必须做逐点扫描，效率很低；另外，其工作于荧光模式时，样品在抛光过程中必须引入荧光物质。光学相干层析技术的深度分辨率依赖于光源的相干长度，其典型的纵向分辨率为十几微米，难以用来表征熔石英等光学元件的亚表面缺陷。全内反射显微装置由全内反射照明单元与显微单元组成，具有结构简单、成本低、容易实现大面积快速检测及在线检测等优点。

全内反射照明单元所产生的光波在待检测的透明介质中以导波模式(guidedmode)进行传播时，在透明介质界面的隐失波(Evanescent wave)对透明介质表面的微小缺陷非常敏感；当表面缺陷的几何尺度达到或超过光波长度时，隐失波的正常传播就会受到严重破坏，从而产生明显的散射光。因此导波模式的光波对透明介质表面进行照明，可以探测几何尺度小至光波长度的微小缺陷，灵敏度非常高。

但是现有采用全内反射原理实现亚表面成像的装置，往往存在成像难度大、速度慢、效率低的问题。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种亚表面的成像装置以实现多角度、大面积成像，从而提高成像效率。

为解决上述问题，本发明提供一种亚表面的成像装置，用于对具有相背设置的相互分离的第一表面和第二表面的待成像件进行成像，其中所述成像装置包括：光源组件，所述光源组件适宜于产生照明光，所述照明光至少在发散面内具有预设发散角，其中所述发散面垂直所述第一表面或第二表面中至少一个；所述照明光耦合入所述待成像件中以形成波导光，所述波导光在所述第一表面和所述第二表面之间以导波模式传播；所述波导光经待成像件中的目标物散射后被采集以成像。

可选的，所述待成像件还包括：位于所述第一表面和第二表面之间的侧面，所述侧面与所述第一表面和第二表面均相交，所述照明光经所述侧面耦合入所述待成像件以形成波导光。

可选的，所述照明光无接触耦合入所述待成像件的侧面。

可选的，所述光源组件为点状光源组件、一维点阵光源组件或线状光源组件。。

可选的，所述光源组件为垂直所述发散面的一维点阵光源组件；或者，所述光源组件为垂直所述发散面的线状光源组件。

可选的，所述光源组件包括：发光模块，所述发光模块适宜于产生光线；耦合模块，所述耦合模块适宜于对所述发光模块所产生的光线整形以形成所述照明光。

可选的，所述耦合模块包括：光纤、光波导或柱状透镜中的至少一个。

可选的，还包括：耦合检测组件，所述耦合检测组件适宜于调节所述照明光耦合入所述待成像件中的耦合效率。

可选的，所述耦合检测组件包括：感光元件，沿导波延伸方向，所述感光元件与所述光源组件分别位于所述待成像件的两侧。

可选的，还包括：辅助光源组件，所述辅助光源组件适宜于产生辅助照明光，所述辅助照明光投射至所述第一表面和所述第二表面中至少一个。

可选的，所述辅助照明光掠入射至所述第一表面和所述第二表面中至少一个。

可选的，所述辅助光源组件为平行光光源组件。

可选的，所述辅助光源组件产生发散角小于10°的光线。

可选的，所述待成像件中，沿导波延伸方向的尺寸为所述待成像件的长度，垂直波导延伸方向且平行所述发散面的尺寸为所述待成像件的厚度；所述待成像件的长度大于所述待成像件的厚度。

可选的，所述照明光的预设发散角在α＝2tan

可选的，还包括：成像组件，适宜于采集经散射的波导光以进行成像。

可选的，所述成像组件包括：图像传感器。

可选的，所述图像传感器为面阵列图像传感器。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明技术方案中，所述照明光至少所述发散面内具有较大的预设发散角，耦合入所述待成像件中所形成的波导光经待成像件中的目标物散射后被采集成像。首先，待成像件本质上是多模波导，本发明的照明光耦合方式，使得波导光在所述待成像件内填充了所有可能的导波模式，其照明范围可以同时无缝地覆盖第一表面和第二表面、实现大面积成像，从而提高成像速度和效率；其次，照明光耦合方式使得所述照明光具有较大的预设发散角，耦合入所述待成像件中的波导光可分解为许多不同传播方向的平面光波，因此所述波导光能够实现多角度成像，有利于提高图像传感器在固定空间立体角内获取图像的效率；最后，利用波导光进行成像的方法，使照明光的能量局限在有限尺寸的波导中，大大提高投射至所述目标物的光强，从而提高散射后所形成光线的强度和信噪比，有利于改善成像质量。

本发明可选方案中，所述照明光经所述待成像件的侧面耦合入所述待成像件中，从而能够对完整的所述待成像件进行成像，不会出现被遮挡的部分，有利于无死区成像的实现。

本发明可选方案中，所述照明光无接触耦合入所述待成像件的侧面，所述照明光直接投射至所述待成像件的侧面，无需经过固体、液体或者胶体的凝聚态介质，不会对待成像件的表面造成破坏。

本发明可选方案中，所述成像装置还包括：辅助光源组件，所述辅助光源组件适宜于产生掠入射至所述第一表面和所述第二表面的辅助照明光。所述辅助照明光能够对所述第一表面和所述第二表面的表面形态进行成像，从而能够在亚表面成像过程中排除表面形态的影响，能够有效提高成像精度。

本发明可选方案中，所述成像装置还包括：成像组件，所述成像组件包括面阵列像传感器。采用面阵列图像传感器，结合具有较大预设发散角的照明光，不仅能够有效提高成像效率，还能够减少机械振动的干扰，有利于提高成像精度。

附图说明

图1是一种亚表面的成像装置的光路示意图；

图2是另一种亚表面的成像装置的光路示意图；

图3是图2所示成像装置中波导光被缺陷散射的光路示意图；

图4是本发明成像装置一实施例的结构示意图；

图5是图4所示成像装置实施例的光路示意图；

图6是图4所示成像装置实施例所形成波导光被散射的光路示意图；

图7是图4所示成像装置实施例所形成波导光被平面波展开后的波阵面示意图；

图8是本发明成像装置另一实施例的结构示意图；

图9是本发明成像装置再一实施例的结构示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有技术中全内反射原理实现亚表面成像的装置存在成像速度慢、成像效率低的问题。现结合一种基于全内反射原理的成像装置分析其成像速度慢、成像效率低问题的原因：

参考图1，示出了一种亚表面的成像装置的光路结构示意图。

光源(图中未示出)产生的照明光21入射至待成像件22的表面上；所述成像组件25通过分光装置24采集投射至所述待成像件22表面的照明光21的背向散射的光线23以进行成像。

为了提高局部照明光强，所述成像装置一般采用线光源产生照明光21，因此所形成的照明光21为垂直纸面方向上的一维光线；为了实现对所述待成像件22整体的成像，所述照明光21入射的位置需要不停地变换、以扫描的方式对所述待成像件22进行成像。

可见，所述成像装置进行成像的过程中，所述照明光21、待成像件22以及所述成像组件25三者之间的位置关系会发生变化，因此容易受到机械振动干扰。因此，所述照明光21、待成像件22以及所述成像组件25三者之间的位置变化需要同步控制，存在成像速度慢、效率低等问题。

此外，所述成像装置所产生照明光21的传播方向固定在较小范围，在不改变光源以及光学元器件的前提下，所述照明光21经目标物散射形成的散射光的角度分布范围较窄，在某些立体角方向上造成成像死角的问题。

参考图2，示出了另一种亚表面的成像装置的光路结构示意图。

光源(图中未示出)产生的照明光11借由耦合棱镜15入射至待成像件12内，然后以大于全反射临界角的角度在待成像件12的第一表面12a和第二表面12b之间被多次反射(全反射)，形成波导光13。所述波导光在所述待成像件，以导波模式(guided mode)传播。所述波导光13在传播过程中受到散射后，被成像系统14采集从而实现成像。

在所述待成像件12中传播的过程中，所述波导光13通常情况下被局限在所述待成像件中12，无法被所述成像系统14采集到，因此所述成像系统14所采集到光信号的强度很弱，成像系统14成暗像，甚至接近黑色；当遇到目标物16(所述目标物16为亚表面目标物，可以是气泡、杂质、面崩等亚表面缺陷)时，所述波导光13会被所述目标物16散射，所形成的散射光能够从所述待成像件12出射，从而被所述成像系统14采集到，因此所述成像系统14能够采集到暗背景下存在亮点的图像，从而实现对所述待成像件亚表面缺陷的成像。

所述成像装置中，所述棱镜15与所述待成像件12之间需要设置具有一定折射率、液体或胶体状态的填充剂(图中未示出)。因此，所述待成像件12的表面中，即图2中所述第一表面12a中，设置有所述填充剂的部分与未设置所述填充剂的部分相比，所述波导光13的反射条件并不相同，换句话说，所述填充剂的存在会对所述待成像件12的表面成像条件造成破坏，从而造成设置有所述填充剂的部分表面无法正常成像，形成成像死区。

另一方面，为了减小所述成像死区的范围，如图2和图3所示，所述成像装置中的所述棱镜15需要尽可能减小几何尺寸。可见，为了保证耦合效率，所述照明光11的入射角度受到所述棱镜15有限尺寸的限制，也就是说，所述照明光11的入射方向无法随意改变，所形成波导光13的传播方向也是固定在较小的立体角范围以内，因此，经目标物散射形成的散射光的角度分布范围也较窄，在某些立体角方向上造成成像死角的问题。

为解决所述技术问题，本发明提供一种成像装置，待成像件包括：相背设置的相互分离的第一表面和第二表面；所述成像装置包括：光源组件，所述光源组件适宜于产生照明光，所述照明光至少在发散面内具有较大的预设发散角，其中所述发散面垂直所述第一表面或第二表面中至少一个；所述照明光耦合入所述待成像件中以形成波导光，所述波导光在所述第一表面和所述第二表面之间以导波模式传播；所述波导光经待成像件中的目标物散射后被采集以成像。

本发明技术方案中，利用波导光进行成像，能够使照明光的能量局限在有限尺寸的波导中，有效提高投射至所述目标物上的光强，从而提高散射后所形成光线的强度，有利于改善成像质量、降低成像难度；而且，所述照明光还是具有较大的预设发散角的光束，耦合入所述待成像件中能够形成不同传播方向的波导光，即所述波导光能够实现多角度成像，从而使所述待成像件中的目标物均能够同时通过散射波导光以实现成像(大面积同时成像)，而且同一目标物能够散射不同传播方向的波导光，因此所述待成像件中的所有目标物均能够实现成像(无成像死区)，而且所形成散射光线的出射角度分布较广(无成像死角)，有利于提高成像质量、速度和效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参考图4至图6，其中图4示出了本发明成像装置一实施例的结构示意图，图5是图4所示成像装置实施例的光路示意图；图6是图4所示成像装置实施例所形成波导光被散射的光路示意图。

所述成像装置适宜于对待成像件100中的目标物100a/100c进行成像。

所述待成像件100为平板状的导光材料。所述待成像件100包括：相背设置的相互分离的第一表面101和第二表面102。本实施例中，所述待成像件100为平板玻璃。所述待成像件100的第一表面101和第二表面102相互平行且相背设置；所述发散面垂直所述第一表面101，也垂直所述第二表面102(图4示出的即为所述发散面内的视图)。

本发明其他实施例中，所述待成像件还可以为，但不限于，平板状的蓝宝石层、介质膜层，甚至所述待成像件还可以为诸如聚酯薄膜(PET薄膜)、聚酰亚胺薄膜等平整的柔性材料膜层。

所述目标物100a/100c为亚表面目标物。本实施例中，所述目标物100a/100c为所述平板玻璃中的表面下缺陷。本发明其他实施例中，所述目标物还可以是所述待成像件中的纹理、部件等其他亚表面目标物。

所述成像装置包括：光源组件(图中未标示)，所述光源组件适宜于产生照明光111，所述照明光111至少在发散面(图中未示出)内具有预设发散角α，其中所述发散面垂直所述第一表面101或第二表面102中至少一个；所述照明光111耦合入所述待成像件100中以形成波导光112，所述波导光112在所述第一表面101和所述第二表102面之间以导波模式传播；所述波导光112经待成像件100中的目标物100a/100c散射后被采集以成像。

所述照明光111至少在所述发散面内具有预设发散角α，耦合入所述待成像件100中所形成的所述波导光112经所述待成像件100中的所述目标物100a/100c散射后被采集成像。首先，所述待成像件100本质上是多模波导，所述波导光112在所述待成像件100内填充了所有可能的导波模式，如图6所示，所述波导光112的照明范围可以同时无缝地覆盖所述第一表面101和所述第二表面102上的所述目标物100a/100c、实现无死区的大面积成像，从而提高成像速度和效率。其次，所述照明光111具有较大的所述预设发散角α，耦合入所述待成像件100中的所述波导光112可分解为许多不同传播方向的平面光波，因此所述波导光112能够实现多角度成像(如图6中波导光112a和波导光112b所示)，即，同一所述目标物100a/100c能够散射不同传播方向的所述波导光112，有利于提高图像传感器在固定空间立体角内获取图像的效率(无死角成像)。最后，利用所述波导光112进行成像的方法，使所述照明光111的能量局限在有限尺寸的波导中，大大提高投射至所述目标物100a/100c的光强，从而提高散射后所形成光线的强度和信噪比，有利于改善成像质量。

从另一角度看，如图7所示，耦合入所述待成像件100中后所形成的波导光112，实际上是由不同传播方向的平面波112a/112b组成。由不同传播方向的所述平面波112a/112b组成的所述波导光112的能量被局限于尺寸有限的波导中，即使不改变光源和光学元件，所述待成像件100中所传播的所述波导光112的强度也很大(如图7中虚线114示意出了所述待成像件100中的光场以及所形成隐失波的光场的光强分布)，从而能够有效提高成像质量。所述波导光112在所述待成像件中传播时，所述第一表面101上和所述第二表面102上形成隐失波(Evanescent wave)。所述隐失波的光场无缝覆盖所述第一表面101和所述第二表面102的范围，受亚表面目标物的散射，形成出射方向角分布较广的散射光，实现无死角的高质量、高速度、高效率成像。

继续参考图4和图5，本发明一些实施例中，所述待成像件100还包括：位于所述第一表面101和第二表面102之间的侧面103，所述侧面103与所述第一表面101和第二表面102均相交，所述照明光111经所述侧面103耦合入所述待成像件100以形成波导光112。具体的，如图4和图5所示，本实施例中所述侧面103垂直所述第一表面101和所述第二表面102。

所述照明光111经所述待成像件100的侧面103耦合入所述待成像件100中，从而能够对完整的所述待成像件100进行成像，不会出现被遮挡的部分，有利于无死区成像的实现。

此外，本实施例中，所述照明光111无接触耦合入所述待成像件100的侧面103，也就是说，所述照明光111未经凝聚态介质传导即直接耦合入所述待成像件100的侧面103。

所述照明光111无接触耦合入所述待成像件100的侧面103，所述照明光111直接投射至所述待成像件100的侧面103，无需经过液体或者胶体的凝聚态介质，不会对待成像件100的表面造成破坏。

本发明一些实施例中，所述光源组件为点状光源组件。具体的，所述光源组件包括：发光模块(图中未示出)，所述发光模块适宜于产生光线；耦合模块110b，所述耦合模块110b适宜于对所述发光模块所产生的光线整形以形成所述照明光111。此外，本实施例中，所述耦合模块110b还适宜于将所述照明光111耦合入所述待成像件100以在所述待成像件100中以导波模式传播的波导光112。如图4所示，本实施例中，所述耦合模块110b为光纤。

本发明一些实施例中，所述成像装置还包括：耦合检测组件(图中未标示)，所述耦合检测组件适宜于检测并调节所述照明光111耦合入所述待成像件100中的耦合效率。

具体的，如图4所示，所述耦合检测组件包括：感光元件121，沿导波延伸方向A，所述感光元件121与所述光源组件分别位于所述待成像件100的两侧。

由于所述波导光111在所述待成像件100中以导波模式传播，除了在所述待成像件100中被散射的部分，大部分波导光111会沿着导波延伸方向A传播至所述待成像件100的另一侧。所述感光元件121在所述导波延伸方向A的另一侧接收未被散射的波导光111的强度，从而能够监测并调节所述照明光111耦合入所述待成像件100中的耦合效率，以确保耦合效率达到最优。

继续参考图4，本发明一些实施例中，所述成像装置还包括：辅助光源组件130，所述辅助光源组件130适宜于产生分别投射至所述第一表面101和所述第二表面102的辅助照明光。

所述辅助光源组件130所产生的辅助照明光用以对所述第一表面101和所述第二表面102的表面形态进行成像，从而能够在所述待成像件的亚表面成像中排除所述第一表面101和所述第二表面102的表面形态的影响，以提高亚表面成像的精度。

本实施例中，所述辅助照明光掠入射至所述第一表面101和所述第二表面102。其中，掠入射的意思是指，所述辅助照明光以接近于90°的入射角投射至所述第一表面101和所述第二表面102。具体的，所述辅助光源组件可以为平行光光源组件，即所产生的辅助照明光可以为平行光。所述辅助光源组件130产生发散角小于10°的光线，即所述平行光指发散角小于10°的光线。

本实施例中，所述待成像件100为平板玻璃，所述成像装置实施例用以对所述平板玻璃中的表面下缺陷进行成像。因此所述辅助照明光源130所产生的辅助照明光能够对所述第一表面101和所述第二表面102上的表面附着物(例如灰尘)进行成像，从而能够在最终的缺陷成像结果中剔除表面附着物所引起的假信号，能够有效提高缺陷检测精度，有效避免缺陷检测中的误判。

需要说明的是，所述待成像件100中，沿导波延伸方向A的尺寸为所述待成像件100的长度L，垂直导波延伸方向A且平行所述发散面的尺寸为所述待成像件100的厚度D。本发明一些实施例中，所述待成像件100的长度L大于所述待成像件100的厚度D。如图4所示，本实施例中，所述待成像件100的长度L与所述待成像件100的厚度D的比值大于10。具体的，所述待成像件的厚度D小于等于5mm。

还需要说明的是，所述照明光111的发散角α需要与所述待成像件的厚度D相适应，以优化耦合效率、降低光能损耗。具体的，所述发散角α＝2tan

继续参考图4，本发明一些实施例中，所述成像装置还包括：成像组件，适宜于采集经待成像件中的目标物散射的波导光以进行成像。

所述成像组件包括：图像传感器141/142。所述图像传感器141/142适宜于所述目标物散射波导光所形成的光线以进行成像。

如图4所示，本发明一些实施例中，所述成像组件包括多个图像传感器141/142，所述多个图像传感器141/142分成两部分，分别朝向所述第一表面101和所述第二表面102。具体的，所述图像传感器为面阵列图像传感器。采用面阵列图像传感器，结合具有预设发散角的照明光，不仅能够有效提高成像效率，还能够减少机械振动的干扰，有利于提高成像精度。

具体的，本实施例中，所述待成像件100为平板玻璃，所述成像装置实施例用以对所述平板玻璃中的表面下缺陷进行成像。因此采用面阵列图像传感器，能够有效避免待成像件100、所述光源组件以及所述成像组件三者之间位置的连续频繁变化，即避免在成像过程中三者的运动，以排除机械振动的干扰、降低系统复杂度。

需要说明的是，所述光源组件设置为点状光源组件的做法仅为一实例。本发明其他实施例中，所述光源组件还可以设置为其他形状。

参考图8，示出了本发明成像装置另一实施例的结构示意图。

本实施例与前述实施例相同之处，本发明在此不再赘述。本实施例与前述实施例不同之处在于，如图8所示，本实施例中，所述光源组件为一维点阵光源组件。

需要说明的是，图8是俯视所述待成像件200的第一表面201的视图。

如图8所示，本实施例中，所述光源组件的耦合模块210b包括：多个光纤211b，所述多个光纤211b在平行所述第一表面201的表面内，沿平行所述侧面203的方向平行分布。因此，本实施例中，所述光源组件为垂直所述发散面的一维点阵光源组件。

还需说明的是，将所述光源组件中的耦合模块210b设置为多个光纤211b的做法仅为一示例。本发明其他实施例，所述光源组件中的耦合模块也可以是光波导或柱状透镜中的至少一个，即所述光源组件为为垂直所述发散面的线状光源组件(如图9中设置为光波导的所述耦合模块310b所示)。

综上，本发明技术方案中，所述照明光至少在所述发散面内具有较大的预设发散角，耦合入所述待成像件中所形成的波导光经待成像件中的目标物散射后被采集成像。一方面，待成像件本质上是多模波导，本发明的照明光耦合方式，使得波导光在所述待成像件内填充了所有可能的导波模式，其照明范围可以同时无缝地覆盖第一表面和第二表面、实现大面积成像，从而提高成像速度和效率；另一方面，照明光耦合方式使得所述照明光具有较大的预设发散角，耦合入所述待成像件中的波导光可分解为许多不同传播方向的平面光波，因此所述波导光能够实现多角度成像，有利于提高图像传感器在固定空间立体角内获取图像的效率；最后，利用波导光进行成像的方法，使照明光的能量局限在有限尺寸的波导中，大大提高投射至所述目标物的光强，从而提高散射后所形成光线的强度和信噪比，有利于改善成像质量。本发明可选方案中，所述照明光无接触耦合入所述待成像件的侧面，所述照明光直接投射至所述待成像件的侧面，无需经过液体或者胶体的介质，不会对待成像件的表面造成破坏。本发明可选方案中，所述成像装置还包括：辅助光源组件，所述辅助光源组件适宜于产生掠入射至所述第一表面和所述第二表面的辅助照明光。所述辅助照明光能够对所述第一表面和所述第二表面的表面形态进行成像，从而能够在亚表面成像过程中排除表面形态的影响，能够有效提高成像精度。本发明可选方案中，所述成像装置还包括：成像组件，所述成像组件包括面阵列像传感器。采用面阵列图像传感器，结合具有预设发散角的照明光，不仅能够有效提高成像效率，还能够减少机械振动的干扰，有利于提高成像精度。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。