一种基于阵列相机的序列光学元件表面缺陷在线检测装置及方法与流程

本发明属于光学元件缺陷检测技术领域，具体为一种基于阵列相机的光学元件表面缺陷在线检测系统及方法，可应用于光学元件表面缺陷在线检测。

背景技术：

多个光学元件在光学系统工作状态下，由于环境影响等原因导致光学元件表面出现缺陷，此时不可能进行离线检测，但是光学元件表面缺陷对光场的影响不容忽视。常规的基于机械调焦方式的缺陷在线检测方式存在着检测耗时长，对平台的位移精度要求高等其他不足之处。由于光学元件表面的缺陷不仅会使光学透过率下降，产生杂散光，还会严重影响光束质量，在光学系统中传输光场的作用下，缺陷分布会不断变化直到系统无法正常使用，有必要在缺陷形成的初始阶段就进行监测，便于及时维修和更换。因此光学元件表面缺陷的在线检测对于光学系统能否持续健康运行的重要性不言而喻。

传统的对于光学元件表面缺陷的检测主要为离线检测和在线检测两种方式。离线检测精度高，但耗时长，检测设备体积庞大。利用光学元件缺陷在线检测装置，可以在光学元件固定在光学系统之中进行缺陷的检测，并可对损伤点的图像进行统计分析获取元件的缺陷分布状况。光学元件缺陷在线检测装置实际上是一个高分辨率变焦距成像系统，不同光学元件距离成像系统的物距不一样，通过调整光学系统焦距来保持对多个光学元件表面缺陷放大率的恒定。变焦距系统一般是机械移动多个镜组位置实现焦距的变化，可以实现连续变焦且精度较高，但是由于成像系统对每个光学元件会产生一幅高分辨图像，会产生巨大的数据量，后续图像处理比较繁琐。而且对多个光学元件依次对焦的过程耗费时间，难以实现真正意义上的在线检测。在一些特殊的光学系统中对检测时间有着严格的限制，基于机械调焦方式的多个光学元件缺陷在线检测技术便存在着一些不足之处。

技术实现要素：

鉴于传统技术的不足，本发明的目的在于提供一种能够对多个光学元件表面缺陷进行在线检测的装置及方法，旨在解决现有的多个光学元件缺陷在线检测方法的检测速度慢，检测过程复杂等问题，直观显示光学元件表面缺陷分布。

本发明要解决传统技术存在的问题所采用的技术方案是：

基于阵列相机的序列光学元件表面缺陷在线检测装置，包括：

照明系统，照明光源可以是激光器或者条形、环形发光二极管光源，用于区别光学元件表面缺陷与非缺陷区域的成像效果；

光学镜头，用于采集不同物距下的被检测光学元件的光学图像；

一个数字摄像机或阵列相机，用于将图像转换为对应的数字图像信号；

二维运动装置，用于带动相机实现x-y两轴平移，满足定位精度和量程；

数字图像处理器，用于对相机采集到的数字信号进行存储、数字重聚焦运算、图像处理，判断光学元件是否有缺陷，显示数字图像的处理结果；

所述的基于阵列相机的序列光学元件表面缺陷在线检测装置，利用一个数字摄像机或阵列相机同时采集到景深范围之内不同光学元件的表面缺陷图像以后，对图像进行数字重聚焦得到不同物距下的多个光学元件表面缺陷分布情况。

所述的基于阵列相机的序列光学元件表面缺陷在线检测装置，其中，检测光源照明方式主要有以下三种：同轴正向照明；同轴反向照明；边缘光源照明。

所述的基于阵列相机的序列光学元件表面缺陷在线检测装置，其中，采用二维运动平台带动相机实现x-y两轴平移，可以达到阵列相机的效果；

基于阵列相机的序列光学元件表面缺陷在线检测方法，包括以下步骤：

a、检测任务确定，检测分辨率指标随之确定，选择镜头和成像系统参数，成像系统参数包括ccd传感芯片的像元分辨率和像元数目，根据检测分辨率计算放大率确定镜头焦距，多个光学元件都必须位于成像系统的景深范围内，多个光学元件表面的缺陷信息都可以清晰的在单个相机的感光面进行成像；

b、进行相机标定，获取相机的内参数矩阵，通过位移平台移动相机的位置改变阵列相机之间的基线位置大小，获取相机的外参数；

c、不同位置处相机采集到多幅同时包含多个光学元件缺陷信息的图像，对图像进行数字重聚焦得到多个光学元件表面缺陷分布，此时非重聚焦物距下的其他光学元件表面缺陷在重聚焦图像中的表现为离焦的混叠图像；

d、对数字重聚焦之后的图像进行滤波去噪，获取阈值二值化，缺陷边缘提取，统计缺陷的几何信息，缺陷的几何信息包括面积、长宽比、周长和数目，再结合成像系统的放大倍率得到光学系统中多个光学元件表面的缺陷信息分布。

相比较现有技术，本发明提供的基于阵列相机的序列光学元件表面缺陷在线检测装置及方法有如下优点：单个相机对多个光学元件只产生一幅高分辨图像，基于阵列相机的多个光学元件表面缺陷在线检测技术大大提高了检测速度，提高了检测结果的准确性，通过数字重聚焦对位于景深范围内的光学元件成像，可以同时将多个不同物距下的光学元件表面缺陷直观的显示出来，对于辅助光学系统的健康运行具有重要意义。

附图说明

图1为边缘光源照明下的基于阵列相机的光学元件表面缺陷检测原理图；

图2为同轴正向照明下的基于阵列相机的光学元件表面缺陷检测原理图；

图3为同轴反向照明下的基于阵列相机的光学元件表面缺陷检测原理图。

图中：1为二维运动装置，2为第一照明光源，3为第二照明光源，4为第三照明光源，5为第一光学元件，6为第二光学元件，7为第三光学元件，8为图像采集系统，9为数字图像处理器，10为激光光源，11为扩束系统，12为平面反射镜，13为平面反射镜，14为阵列图像采集系统。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加清楚明确，结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

实施例1

如图1所示，本发明是一种基于阵列相机的多个光学元件表面缺陷在线检测装置，包括：二维运动装置1、第一照明光源2、第二照明光源3、第三照明光源4、第一光学元件5、第二光学元件6、第三光学元件7、图像采集系统8和数字图像处理器9；图像采集系统8包括ccd摄像机、镜头等。

照明光源可以是激光器或条形、环形发光二极管光源，光源的选择方式主要是依赖于光学元件在光学系统中的实际工作状况来确定不同的在线检测方式。

检测分辨率指标确定以后，选择镜头和成像系统的ccd传感芯片的像元分辨率和像元数目，合理的设计镜头焦距、入瞳大小、ccd像元尺寸，使多个光学元件都必须位于成像系统的景深范围内，视场合理，多个光学元件表面的缺陷信息都可以清晰的在单个相机的感光面进行成像。结合图1，基于阵列相机的光学元件表面缺陷检测方法如下：

(1)首先进行相机标定步骤获取相机的内参数矩阵，通过二维运动装置1移动图像采集系统8的位置改变阵列相机的基线位置大小获取相机的外参数。采集不同位置处相机的图像，得到多幅同时包含多个光学元件缺陷信息的图像；

(2)图像采集系统8在二维运动装置1上进行等间距平移，在像平面得到一系列物平面的投影像，可以实现在不同采样点对场景依次投影成像，从而达到阵列相机的效果，节省了相机成本，简化了采集系统的复杂性；

(3)当阵列相机(或移动一个相机位置)采集到景深范围内的光学元件表面缺陷分布情况之后，将不同相机图像投影到指定物距下进行叠加并求均值，等效于一个虚拟的大孔径镜头对数字重聚焦物距下的光学元件表面缺陷情况进行重建，由于虚拟镜头口径大，所以成像景深很小。除了聚焦的光学元件表面缺陷能够清晰的成像，其他物距下的光学元件的缺陷累加的像面会很模糊；

(4)对数字重聚焦之后的图像进行图像处理提取清晰的缺陷信息、准确的边缘图像，分析并计算缺陷的大小得到目标图像的特征，此时非重聚焦物距下的其他光学元件表面缺陷在重聚焦图像中的表现为离焦的混叠图像；

(5)对重聚焦图像进行滤波去噪，获取阈值二值化，缺陷边缘提取，统计缺陷的几何信息(面积、长宽比、周长、数目等)。利用基于阵列相机的多个光学元件表面缺陷在线检测技术，能够在短时间内对位于景深范围内的光学元件成像，获取光学元件表面的缺陷分布信息，更好的辅助光学系统的运行。

综上所述，本发明提供的多个光学元件表面缺陷在线检测装置及其检测方法，缺陷检测系统主要包括：二维运动装置1、第一照明光源2、第二照明光源3、第三照明光源4、第一光学元件5、第二光学元件6、第三光学元件7、图像采集系统8和数字图像处理器9；图像采集系统8包括ccd摄像机、镜头等。首先第一照明光源2、第二照明光源3、第三照明光源4同时照射第一光学元件5、第二光学元件6、第三光学元件7，光学元件表面缺陷的存在会对光进行散射，散射光线被镜头接收进入图像采集系统8转换为数字图像信号，图像以数字信号的形式传送到数字图像处理器9存储，数字重聚焦算法以及从重新聚焦之后的图像中提取光学元件表面缺陷信息的几何特征是通过处理器计算得出的，最终通过显示模块进行显示。基于阵列相机的多个光学元件表面缺陷在线检测技术大大地提高了检测速度，将多个光学元件表面缺陷直观显示出来。

实施例2

如图2所示，基于阵列相机的多个光学元件表面缺陷在线检测装置，包括：第一光学元件5、第二光学元件6、第三光学元件7；数字图像处理器9；激光光源10；扩束系统11；平面反射镜12；平面反射镜13；阵列图像采集系统14，阵列图像采集系统14包括多个镜头和ccd摄像机。

实施例3

如图3所示，基于阵列相机的多个光学元件表面缺陷在线检测装置，包括：第一光学元件5、第二光学元件6、第三光学元件7；数字图像处理器9；激光光源10；扩束系统11；平面反射镜12；阵列图像采集系统14，阵列图像采集系统14包括多个镜头和ccd摄像机。

对比图2、图3，基于阵列相机的光学元件表面缺陷检测方法的主要区别在于光源的照明方式和阵列相机的放置位置，通过相机集成的方式可以省略相机机械移动的过程，对于不同光学元件所处的实际工作状况可能不同，可以选择图2、图3所示的检测方法。

另外，参阅图1、图2、图3，检测照明方式主要有以下三种：图1采用的是边缘光源照明；图2采用的是同轴正向照明；图3采用的是同轴反向照明；光源的使用目的是为了使缺陷处与非缺陷处的成像效果区别增大。图1，图2，图3是针对光学元件在光学系统中的不同工作状态下，对光学元件表面缺陷进行照明的三种方式下的检测方式示意图。

应当说明的是本发明的应用不限于上述的举例，仅为本发明的具体实施方式，可以根据本发明说明加以改进和变换，都应该属于本发明的权利要求书的保护范围。