一种光学仪器内部光学元件状况的检测方法及装置 【技术领域】
本发明属于光学仪器领域，它特别涉及内部具有复杂光路的光学仪器内部光学元器件状况的检测方法。
背景技术
对于潜望镜、望远镜等使用频率高、使用条件相对恶劣的光学仪器，日久天长，其光学元件难免发生基质玻璃破损、镀膜脱落、表面污斑等严重影响光学仪器使用效果的不利情况，对于光学仪器入射、出射两端的光学元件，上述污损状态很容易检测，自然也就容易处理。光学仪器内部光学元件的状态如何？有无损伤、缺陷、污斑？人们常常希望在不拆卸光学仪器的条件下，确切了解光学仪器内部光学元件的状况，以确保光学仪器的正常运行。因此，如何对光学仪器内部光学元件的状况进行方便、迅速、有效的检测，是一个亟待解决的问题。据我们所知，现有检测复杂光学仪器内部光学元件状况的方法如图1所示，让普通光源发出地光从光学仪器的一端入射，在另一端利用透射光进行检测。这种检测方式的特点是：
(1)利用的是强透射光(光源1)，因此很难检测内部元件的状况(原因见“本发明的工作原理”部分所述)，通常只有经验非常丰富的操作人员才能检测到内部元件的实际情况；此外，长期接受强透射光还容易造成操作人员眼睛的伤害，较严重的甚至可能导致息肉生成。
(2)采用普通光源，光束发散角大，光束横截面积难于控制，这也不利于内部元件状况的检测。
(3)对于比较大型的潜望镜一类的光学仪器，光入射端和出射端相距较远，检测人员无法自行调整光源。因此，光入射端和检测端还要求两人配合工作，这就大大降低了检测的速度和效率。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种对光学仪器内部光学元件进行安全、有效、简便、实用的检测方法及设备，只要一般的操作人员就能方便地掌握，检测者的眼睛还能免受强光伤害，而且勿须他人配合，从而大大提高检测效率。
本发明由激光器6、激光器载物台7、激光器保护电源8、端盖物9组成，本发明的任务是采用如下步骤实现的(如图2所示)：
步骤1.用端盖9将光学系统2的非检测端遮盖住，防止外界干扰光入射；
步骤2.采用激光光源6，将激光由光学系统检测端射入，其中激光器安装在五维(x、y、z、方位角和俯仰角)调节载物台7上，使得激光器发出的激光束可以对光学系统中的光学元件表面进行全场地扫描；激光器由电源8提供电源；
步骤3.检测者在激光入射的同一端检测，通过载物台7调整激光入射点和入射方向，让激光扫描到光学仪器中镜面的不同部分，同时，检测位置也做相应地调整，就能检测到检测的整个元器件的状况。这里，检测者实际上是通过被检测元件的反射光或散射光进行检测的。
本发明的特点是：(1)利用反射光或散射光进行检测；(2)使用激光作为光源；(3)利用五维调节载物台7调整激光光源的入射点和入射方向，对光学系统中的光学元件进行扫描。
本发明的工作原理是：
1.利用反射光或散射光而不是透射光，更便于观察、检测，其主要原因在于：
(1)用透射光检测是在亮背景中观察很小的“暗”图样(损伤)，用反射光或散射光检测则是在暗背景中观察很小的“亮”图样。而观察暗背景中的亮图样比观察亮背景中的暗图样容易得多。
为简化计，将激光入射光近似为平行平面光，正入射，而且不考虑散射和吸收，如图3所示，计光学玻璃的折射率n2＝1.5，空气折射率n0＝1，即使不镀增透膜，依据公式(见文献《物理光学》1987梁辁廷 机械工业出版社)
R＝((n2-n0)/(n2+n0))2 (1)
和 T+R＝1 (2)
其透射率也高达 T0＝96％ (3)
反射率仅 R0＝4％ (4)
如果镀上增透膜n1，透射率会更高，反射光会更弱。保守地估计，透射率也应高于98％，即 T1≥98％ (5)
反射率不会高于2％，即
R1＜2％。 (6)
因此，用透射光检测时，背景光很强，很难观察光学元件上的细小污损。本发明将传统的透射检测改为反射检测，在很弱的反射光背景中检测，即使很微小的污损也不难发现。事实上，人们在研制、使用其它光学仪器时，同样都尽可能设法在暗背景中检测细小的亮图样。例如，人们使用传统的法布里-伯罗(F-P)干涉仪时，总是利用其透射光形成的干涉图样，在暗背景中观察很窄的亮线，而不会应用其反射光形成的干涉图样，在亮背景中去观察很窄的暗线。
(2)对于反射光，污损部位与非污损部位具有更大的反差。下面以图3中所示A区镀膜脱落为例进行分析。
对于镀膜脱落的A区，就相当于不镀膜的光学玻璃，由(3)、(4)式得A区反射率和投射率，分别为 RA＝4％ (7)
TA＝96％； (8)
对于A周围，镀膜完好的区域，由(5)、(6)式得镀膜区的反射率和投射率
Rf≤2％， (9)
Tf≥98％ (10)
不难看出，对于透射光，镀膜脱落处与完好处的功率密度比为
KT＝TA/Tf＝96％/98％≈1 (11)
(11)式表明两者相差甚微，反差极小，因而检测非常困难。而对于反射光，镀膜脱落处与完好处的功率密度比为
KR＝RA/Rf＝4％/2％＝2 (12)
(12)式表明反差大大提高；如果增透膜使T2更接近于1，KR还会进一步提高，意味着反射光的反差会更大，更有利于损伤检测。
对于光学玻璃裂损、表面尘埃附着(污斑)等情形，也都可以分析得到类似的结果，这里不一一赘述。
2.光源由普通光源改为激光，利用激光光束截面易于控制、发散角小的特点，配以合适的光路，容易使介于检测者和检测元件之间的其他光学元件上相应于检测视角的面元(即图5中∑3、∑4)呈现暗场，其反射光或散射光很弱，实际上也就是使内部检测面的反射光或散射光相对增强，因而更便于复杂光学系统中内部元器件状况的检测。(见文献《激光原理》2000周炳琨 国防工业出版社)
如用普通光源，即使用反射光或散射光检测，也难于观察复杂光学装置内部的元器件状况。这主要是由于两个方面的原因。一是普通光的发散角大，难于限制光束截面，其二是如图4所示，内部元件L2反射和/或散射再经L1透射的光远弱于L1直接反射和/或散射的光强度。这就使得人们无论从哪个方位去检测，L1的反射和/或散射光都远强于L2的反射和/或散射光。因而要透过L1去检测L2的损伤就显得相当困难。上述第一个原因是显而易见的，对于第二个原因，下面以反射光为例略加说明。
采用普通光源时，有以下几个因素使图4、图5中L2的反射光强度弱于L1的反射光强度。
第一是因波面的发散。为简化计，暂不考虑吸收、散射、L1的反射等损耗机制及L1对光传播方向的影响，把图4中A、B的光场视为点光源O发出的球面波(普通的光源或线光源辐射场可视为点光源辐射场的线积分或面积分)，且L1、L2入射光强之比为
I1/I2＝OB2/OA2 (13)
因为OB＞OA，显然， I1＞I2 (14)
上式表明，即使不考虑光在传播途中的吸收散、射等损耗，仅由于光波的发散，L2的入射光强度也低于L1的入射光强度，再合理地假定L1、L2有相近的反射率，即R1＝R2，即可得出L2反射光弱于L1反射光的结论，即I1R1＞I2R2
第二，是光在L1前、后界面的反射引入的损耗。设L2前、后界面的反射率、透射率分别为R1、T1、R1′、T1′，L2前界面的反射率为R2，L1入射光强为I0。为使问题简化，仍不考虑光从A到B再到C传播途中的吸收及散射等损耗，如图4所示，如果不考虑光的发散，L1前界面的反射光强度为
I1R＝I0·R1 (15)
L1的透射光经L2反射再经L1透射的光强度
I2R＝I0(T1·T1′)2R2 (16)
由(15)、(16)，仍合理地假定R1＝R，则
I2R/I1R＝(T1·T1′)2 (17)
由于T1、T1′都小于1，显然有I2R＜I1R (18)
上式表明即使不考虑光在A到B到C传播途中的吸收、散射损耗，也不考虑光波的发散，L2的反射光强度也弱于L1的反射光强度。
若同时考虑光波的发散和L1前、后界面的反射这两个因素，再加上光在A到B到C途中传播时的吸收、散射等损耗，入射光透过L1再经L2反射和/或散射，并再次透过L1的光强度，就比直接经过L1反射和/或散射的光强度弱得多。这自然使内部元件L2的检测非常困难。
用激光作检测光源，情况就大不一样了，这里关键是激光束的发散角小，如图5所示，光束横截面积易于限制。在L1，由∑1入射的光投射到L2的∑2，人们可以通过L1上∑3借助∑2的反射光进行检测，也可以取其它方位。通过L1上其它面元，如∑4借助∑2的散射光进行检测，根据激光入射点和入射方向选择合适的观察方向，不难使∑3、∑4都远离∑1。于是，虽然∑2的反射光仍弱于∑1的反射光，但在人们检测视角内的∑3或∑4都在入射激光束∑1之外，因而∑3、∑4都显暗场，即入射光强近于0，当然，在∑3或∑4的反射光、散射光也就都近于零，自然使L2上∑2的检测显得非常容易。
通过激光束扫描，改变激光束的入射位置和入射方向，可以对整个L2进行扫描检测。
需要说明的是，这里只分析了三块镜面，多个镜面的原理分析相同。
3.由非检测端来的透射光本质上应视为背景噪声，因此要在光学系统的非检测端加上端盖，防止透射光的入射干扰。
纵上所述，本发明具有如下优点：
1)本发明所需设备简单且易操作，不需要特殊的操作技巧，一般人员都能对复杂光学仪器内部元器件的状况进行检测；
2)反射光强度很小，可以避免对检测者眼睛的伤害；
3)检测者可自行调整入射光的入射点和入射方向，不需他人配合，因而可大量节省人力和时间，大大提高检测效率。
因此，本发明是一种对光学仪器内部元器件进行安全、有效、简便、实用的检测方法，能够让一般的工作人员方便地掌握而且对检测者不造成任何伤害。它特别适用于复杂光路内部光学元件状况的检测。
附图及附图说明
图1是光学元件的现用检测方法原理图，
图中，1是面光源，2是光学系统，3是光学元件L1，4是光学元件L2，5是光学元件L3；
图2是本发明的装置原理图，
图中，6是激光器，7是激光载物台，8是激光器保护电源，9是端盖物；
图3是镀膜脱落原理分析图
图中，10是增透膜，11是光学元件，A是镀膜脱落区域；
图4是内部元件的检测(一般光源)；
图5是内部元件的检测(激光光源)。