精密表面光学元件在诸多高精尖仪器和设备系统中都扮演着重要的角色,而表面缺陷检测是光学元件质量控制的重要环节。缺陷不仅影响元器件的美观,还会降低所属光学系统的性能,尤其对于高能激光系统,缺陷甚至会造成致命的危害。随着光学元件的广泛应用,表面缺陷检测的自动化、定量化变得愈加迫切。相比传统的人工目视检测法和其他检测技术,基于暗场散射技术建立的表面缺陷检测系统灵敏度高,同时还能兼顾检测效率和精度,逐渐成为当前实现精密表面缺陷自动化检测的最佳方案。然而,随着惯性约束核聚变、极紫外光刻等光学系统工程的精密程度不断提高,以及磁流变抛光、单点金刚石车削等光学加工技术的不断发展,表面缺陷的检测要求变得越来越高。一方面,检测系统要具有足够高的检测灵敏度,能检出更微小、更微弱的表面缺陷,以确保光学元件的性能和使用安全;另一方面,检测系统要具有足够强的定量检测能力,包括准确的缺陷定位、缺陷尺寸度量、缺陷类别判定等,从而给出有效的危害评估和修复方法,回溯缺陷产生的原因,为光学加工工艺的改进提供反馈和指导。现有的暗场散射检测系统难以满足日益增长的检测要求,因此对检测能力的提升技术进行研究具有重要的意义。为此,本论文分别从光学层面如何提高缺陷的散射信号质量,算法层面如何构建准确的缺陷图像,以及如何提高缺陷类别的区分能力三个方面展开对基于暗场散射精密表面缺陷检测系统的检测能力提升技术的研究,主要包括表面缺陷暗场散射的理论模型与仿真分析,基于点扫描和多通道的改进系统方案与标定技术,基于偏振特性的表面缺陷分类方法等。具体研究内容包括:首先,从课题组已有的表面缺陷评价系统出发,介绍了暗场散射缺陷检测技术的基本工作原理和优势,并指出这类典型的系统在当前检测需求下存在的局限性。为了探究系统性能的提升方法,构建表面缺陷暗场散射模型,仿真分析不同种类、尺寸、方向缺陷的散射场分布特性,并建立有限孔径内的散射强度模型,模拟暗场散射环境下光学系统实际接收的信号强度。依据理论模型和仿真结果,总结了提升系统检测能力的主要手段,提出了具体的改进方向,为基于暗场散射的缺陷检测系统的设计与改进提供可靠的理论指导。在此基础上,提出并建立了一套基于点扫描的多通道表面缺陷检测系统,并分别从光学系统设计、扫描方式、图像重构方法三个方面进行了详细的介绍。其中提出了一种基于权重均值的图像重构方法,能够有效地提升缺陷图像的噪声水平。大孔径收集光路的设计提高了系统对微小尺寸缺陷的检测灵敏度,多通道的设计使系统能够获取额外维度的信息,用于缺陷的准确分类。此外,针对点扫描检测系统中存在的偏差造成重构图像失真的问题,建立了实际扫描轨迹的数学模型,提出了一种基于直线度和尺度约束的系统偏差标定算法,以及相应的基于标定结果的系统调整方法,从而获得完整无形变的表面缺陷图像,为高精度的定量检测奠定基础。针对传统暗场散射检测方法中灰尘和麻点这两类微小点状缺陷难以区分的问题,提出了一种基于偏振特性的灰尘麻点分类方法。分析了灰尘麻点的偏振特性差异和基于此差异进行分类的可行性,建立了暗场散射偏振测量系统的一般结构,通过理论推导确定了只与缺陷偏振特性有关的偏振特征的提取方法;提出了基于Mueller矩阵样本集的偏振特征区分度优化算法,包括一种基于概率密度最大可分法的区分度定量评价函数的构建,和基于遗传算法的非线性最小化问题的求解,从而获取系统的最优偏振测量态,并建立基于偏振特征的灰尘麻点分类器;最后探讨了本方法在不同暗场散射表面缺陷检测系统中的实现方案。该分类方法充分利用了灰尘和麻点在偏振特性上的差异,提取的特征具有很高的区分度,能够有效地提升系统的缺陷分类能力。对本论文提出的系统和方法进行了实验验证。搭建了基于点扫描的多通道表面缺陷检测系统的实验装置,制作了标准缺陷板,对系统进行了标定和图像重构实验,重构图像的最大直线度误差从标定前的大于50像素降低到标定后的小于1.8像素,尺度误差控制在0.7像素以内;对不同深度的微小尺寸表面缺陷进行了检测实验,并使用已有的表面缺陷评价系统进行成像效果对比,结果表明本论文提出的系统在检测灵敏度、成像均匀性和信噪比上均具有更好的表现,对于深度为几十纳米的微弱缺陷,系统的最小可检麻点直径优于1.6μm,最小可检划痕宽度优于0.5μm;最后,搭建了暗场散射偏振测量的验证系统,通过实验测量建立了灰尘麻点归一化Mueller矩阵样本集,在此基础上,对提出的基于偏振特性的灰尘麻点分类方法开展实验,结果表明其对样本集的预测分类错判率仅为0.46%,对实际灰尘麻点的分类准确度达到90.5%,相比原有的基于传统暗场图像的分类方法有了明显的提升。总结了本论文的研究内容,并对未来的研究方向进行了展望。