前言

表面缺陷（划痕、麻点及气泡类瑕疵）的数字化定量检测是先进光学制造和超精密加工技术可持续发展的重要环节，在国民经济领域为了保持产品质量和竞争力，制造业广泛采用机器视觉技术实现机器换人将是必然趋势。各类精密元件的表面质量评价参数主要有表面面形、粗糙度、表面缺陷等。然而表面缺陷的数字化检测至今尚无成熟标准化的商用仪器。虽然先进光学制造超精密加工技术在20世纪得到了飞速发展，但直至21世纪初，才有越来越多的科学工作者发现： 在表面面形及粗糙度得到良好控制时，表面缺陷越来越成为制约先进光学制造超精密加工工艺和水平的主要因素。并且表面缺陷的影响在很多光学相关的超高精度领域都是致命的，如惯性约束聚变系统、超大规模集成电路领域、高端制造业的质量管控等，而这些领域恰恰是各个国家综合国力的重要体现。

作者团队的研究工作源于惯性约束聚变对大口径超光滑元件表面缺陷的定量评价，对几百毫米口径的全表面检测出亚微米量级的缺陷，任何孤立的微观缺陷都可能对系统带来灾难性的损伤。为此20余年来，作者团队专注于利用机器视觉的方法实现划痕麻点类瑕疵的评价。与大多数机器视觉多关注于图像处理算法类的书不同，本书的重点在于： 在理论上，对于微观亚微米量级瑕疵在强光照射下，建立基于有限时域（FDTD）的高次曲面光学元件的表面微观缺陷显微散射暗场成像模型，通过建立表面微观缺陷散射光近场、远场场分布逆向识别数据库，实现微观缺陷的逆向标定和检测。提出了基于光线追迹的机器视觉成像仿真理论、基于辐度学的散射场表征方法，分析各类缺陷的散射特性； 建立了直接光照场景建模，即把实际的表面机器视觉检测系统进行参数化和虚拟化的过程，提倡研究人员使用计算机模拟缺陷成像、计算相机的视场景深限制、调整器件空间位置以完善表面扫描路径等，取代实验上繁琐的调整、测量和验证工作。同时本书的特点更注重于光学方向对微观缺陷深层次的光学照明、光学成像系统布局的理论探讨作为瑕疵的定量评价的依据。作者在表面缺陷数字化定量检测领域探索多年，一直致力于各种材料及表面缺陷的定量评价研究，历经多年科研，建立了完整的表面缺陷数字化定量评价体系。

本书内容基于国家自然科学基金委员会项目“基于散射光电磁场分布逆向识别数据库的高次曲面表面缺陷定量检测仪”(重大科研仪器研制项目，项目号： 61627825)，“精密表面缺陷的数字化评价系统研究” (项目号： 10476026)。

感谢庄松林院士一直以来对作者团队光学元件表面疵病数字化检测工作给予的指导、鼓励和大力支持！感谢白剑教授、沈亦兵教授、许乔所长的大力支持！我们一起努力圆满完成了重大科研仪器研制项目。感谢国家标准化管理委员会、全国光学和光子学标准化技术委员会光学材料和元件分技术委员会给予的支持！作者团队因此将科研成果撰写成了新国家标准GB/T 41805—2022《光学元件表面疵病定量检测方法显微散射暗场成像法》，并得以在2023年5月正式实施，为光学元件表面疵病的数字化评价提供了可靠的定量检测方法。感谢中国工程物理研究院激光聚变研究中心领导和专家们一直以来给予的研究项目的支持！使得所有的理论及研究得以实施和论证。

本书由浙江大学光电学院杨甬英教授著述第1、2、3、6章，由曹频博士著述第4章，江佳斌博士著述第5章。浙江大学光电学院楼伟民、张鹏飞博士参与了大量的资料收集、整理及编撰等工作。感谢团队所有参与了书中研究及项目研发的王世通、张毅辉、柴惠婷、李晨、高鑫、吴凡、王凡祎、陈晓钰等博士及硕士研究生的倾情贡献！感谢同行胡殿浒为本书所做的图文整理工作。由于作者水平有限，本书如有不足之处，敬请指正！

我们一起努力在机器视觉研究的科研道路上善于创新、勤于钻研，才有了所有的研究成果。在此对所有为本书的撰写和出版做出贡献的人表示最衷心的感谢！

杨甬英曹频江佳斌

2024年7月于求是园