大口径球面光学元件表面疵病检测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种大口径球面光学元件表面疵病检测系统。本实用新型包括XY二维导轨、二维旋转系统、大口径球面光学元件、环形照明光源、Z向导轨、显微镜、CCD1、光学自准直定中仪、CCD2；大口径球面光学元件固定于二维旋转系统上，二维旋转系统安装于XY二维导轨上，实现大口径球面光学元件的多轴联动；CCD1连接到显微镜上并固定于环形照明光源上，环形照明光源及光学自准直定中仪固定于Z向导轨上，并随Z向导轨沿Z轴方向平动，CCD2连接到光学自准直定中仪上。本实用新型实现了大口径球面元件表面疵病的子孔径采样过程，对全口径疵病灰度图像进行数字化特征提取后，从而实现疵病的自动化定量检测。
【专利说明】大口径球面光学元件表面疵病检测系统
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于机器视觉检测【技术领域】，涉及一种大口径球面光学元件表面疵病 检测系统。
【背景技术】
[0002] 大口径球面光学元件在大口径空间望远镜、ICF(惯性约束核聚变）祀室终端系统 中被广泛应用，元件表面的疵病特征如麻点、划痕等，会影响成像质量，产生不必要的散射 与衍射从而造成能量损失，该能量损失在高功率ICF系统中还可能因为能量过高而造成二 次损伤，因此有必要在大口径球面光学元件的使用前进行其表面疵病的检测，数字化评估 疵病信息，从而为大口径球面光学元件的使用提供可靠的数值依据。
[0003] 传统的针对球面光学元件的检测方法主要是目视法，目视法受所检测人的熟练程 度影响较大，主观性较强，而且长期的检测会造成人眼疲劳，同时无法给出疵病信息的定量 化描述。因此需要设计一种系统能够自动化的实现大口径球面光学元件表面疵病检测，利 用机器视觉的方法代替人工，极大的提高检测效率及检测精度。
【发明内容】
[0004] 本实用新型的目的是针对现有技术的不足，为解决大口径球面光学元件表面疵病 的自动化检测，提供一种大口径球面光学元件表面疵病检测系统。
[0005] 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0006] 大口径球面光学元件表面疵病检测系统，包括XY二维导轨（SI)、二维旋转系 统（S2)、大口径球面光学元件（S3)、环形照明光源（S4)、Z向导轨（S5)、显微镜（S6)、 CCDUS7)、光学自准直定中仪（S8)、CCD2(S9);其中大口径球面光学元件（S3)固定于二维 旋转系统上（S2)，二维旋转系统（S2)安装于XY二维导轨（SI)上，实现大口径球面光学元 件的多轴联动包括；绕X轴摆动，绕其法线自旋，沿X、Y轴的平动；CCDl (S7)连接到显微镜 (S6)上并与环形照明光源（S4)固定在一起，环形照明光源（S4)及光学自准直定中仪（S8) 固定于Z向导轨（S5)上，并随Z向导轨（S5)沿Z轴方向平动，能够实现显微镜（S6)的对 焦及光学自准直定中仪（S8)对被测元件的定中操作；CCD2(S9)连接到光学自准直定中仪 (S8)上。
[0007] 其中大口径球面光学元件（S3)为大口径球面面形透镜元件；环形照明光源（S4) 为变焦透镜组件，可参考专利；用于球面光学元件表面疵病暗场检测的照明系统及方法，专 利申请号：201310241705. 8。
[0008] 本实用新型有益效果如下：
[0009] 本实用新型充分利用了环形照明光束在照射到球面元件表面时，球面元件表面疵 病会激发散射光的特性，采用光学自准直定中仪、显微镜、CCD、多轴联动机构实现覆盖被测 球面全口径的子孔径采样，同时利用子孔径全局校正、二维投影、数字化特征提取、H维球 面疵病图像还原等方法，实现了大口径球面元件表面疵病的自动化定量检测，从而使检测 工人从繁重的目视检测中解放出来，更大大提高了检测效率及检测精度，避免了因个人主 观因素对检测结果的影响，最终为大口径球面元件的使用与加工提供可靠的数值依据。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1为本实用新型系统图。
[0011] 图2为本实用新型球面经缔线扫描轨迹。
[0012] 图3为本实用新型子孔径规划模型。
[0013] 图4为本实用新型全局校正及二维投影图。
[0014] 图5为本实用新型全口径二维疵病图像的H维球面疵病图像还原图。
[001引图6为本实用新型（M60mm元件子孔径规划分布图。
[0016] 图7为本实用新型单幅子孔径疵病图。
[0017] 图8为本实用新型单幅子孔径疵病图像全局坐标校正图。
[0018] 图9为本实用新型单幅子孔径平面二维投影图。
[0019] 具体实施说明
[0020] 下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。
[0021] 如图1所示，大口径球面光学元件表面疵病检测系统，包括XY二维导轨（S1)、二 维旋转系统（S2)、大口径球面光学元件（S3)、环形照明光源（S4)、Z向导轨（S5)、显微镜 (S6)、CCD1(S7)、光学自准直定中仪（S8)、CCD2(S9)。其中大口径球面光学元件（S3)固定于 二维旋转系统上（S2)，二维旋转系统（S2)安装于XY二维导轨（SI)上，实现大口径球面光 学元件的多轴联动包括：绕X轴摆动，绕其法线自旋，沿X、Y轴的平动；CCDl (S7)连接到显 微镜（S6)上并固定于环形照明光源（S4)上，环形照明光源（S4)及光学自准直定中仪（S8) 固定于Z向导轨（S5)上，并随Z向导轨（S5)沿Z轴方向平动，能够实现显微镜（S6)的对 焦及光学自准直定中仪（S8)对被测元件的定中操作；CCD2(S9)连接到光学自准直定中仪 (S8)上。
[0022] 其中大口径球面光学元件（S3)包括大口径球面面形透镜元件；环形照明光源 (S4)为变焦透镜组件，当对凸球面面形透镜元件检测时，产生会聚光束，而针对凹球面面形 透镜元件的检测时则产生发散光束，W避免反射光束进入显微镜对所采集到的疵病图像产 生影响，保证获得清晰的暗背景上的局見疵病图像。
[0023] 大口径球面光学元件表面疵病检测方法，具体包括如下步骤：
[0024] 步骤1.大口径球面光学元件（S3)随XY二维导轨（SI)移动至光学自准直定中仪 做）检测位置，光学自准直定中仪做）沿Z轴移动，通过CCD2(S9)分别获得大口径球面光 学元件（S3)的表面像图像与球也像图像；利用表面像与球也像确定被测大口径球面光学 元件（S3)的曲率半径R，W及大口径球面光学元件（S3)的球也位置相对于光学自准直定中 仪光轴的偏也量；通过平移调整XY二维导轨（SI),使光学自准直定中仪（S8)的光轴与大 口径球面光学元件（S3)球也重合，由于光学自准直定中仪（S8)的光轴与显微镜（S6)光轴 的空间相对位置固定，因此通过移动XY二维导轨（SI)至显微镜（S6)检测位置，能够使显 微镜（S6)光轴与大口径球面光学元件（S3)球也重合，然后获得球面顶点位置，并作为初始 检测位置。
[00巧]步骤2.环形照明光源（S4)照射被测大口径球面光学元件（S3)球面，此时表面若 存在疵病特征则激发散射光进入显微镜，并成像于CCDl上，得到一幅暗背景灰度子口径图 像。
[0026] 然后通过XY二维导轨（SI)、二维旋转系统（S2)、Z向导轨（S5)的多轴联动，被测 大口径球面光学元件（S3)可沿经缔线轨迹进行子孔径图像采集，从而完成覆盖被测大口 径球面光学元件（S3)球面的全口径采样。为确保子孔径完全覆盖被测大口径球面光学元 件（S3)球面而无漏检区域，扫描前对球面分布的子孔径进行了球面子孔径规划，并获得各 子孔径空间位置信息。
[0027] 步骤3.按子孔径扫描中的各子孔径空间位置信息，进行子孔径全局坐标校正，校 正为全局坐标后，对子孔径进行平面二维投影，对投影后的子孔径进行拼接，得到全口径二 维灰度图像。
[0028] 步骤4.利用数字图像处理方法提取全口径二维灰度图像中的疵病特征，得到全 口径二维疵病图像；所述的数字图像处理方法包括中值滤波、二值化、特征提取。
[0029] 步骤5.对全口径二维疵病图像进行H维球面疵病图像还原操作，W获得疵病在 被测大口径球面元件表面上的真实信息。
[0030] 如图2所示，步骤2所述的经缔线轨迹扫描如下：
[0031] 2-1于大口径球面光学元件球面顶点位置采集子孔径I。。；
[003引2-2大口径球面光学元件沿经线L,摆动目1角度，采集子孔径Ii。；
[003引 2-3大口径球面光学元件通过绕法线旋转a 1角度，实现沿缔线L"的子孔径采 样，采集得到子孔径图像序列/ii、i0;
[0034] 2-4.重复上述步骤2-2和2-3,直至大口径球面光学元件沿经线L,摆动目。角度， 采集子孔径I。。后，再绕法线Lw分别旋转a。角度，实现沿缔线L"。的子孔径采样，采集得到 子孔径序列41、/,:2''''''^,",。，完成覆盖全口径的子孔径图像采集。11、111均为自然数。
[003引如图3所示，步骤2所述的球面子孔径规划如下：
[0036] (1).建立子孔径规划数学模型，对球面子孔径分布进行无漏区域子孔径规划。若 B点为第i缔线层上子孔径Iw与Iu的交点，C点为第i+1缔线层上子孔径luw。与Iuwi 的交点，0点为被测大口径球面光学元件（S3)球也位置，A点为经光学自准直定中仪调整 后的球面顶点位置。预实现球面的无漏全口径覆盖，其充分条件即实现|1香|>| 己I。利用 球面H角公式，可由a 1、目i与R表示为/1备=F(a,々,欠）；同理^2置可用a W、目W 与R表示为；if = (7(巧,,，屬^^，烫）；此处引入无漏子孔径覆盖系数k，1? I=則---* I，其中 k > 1，则可得到
[0037] F ( a。目。R) = kG ( a W，目"1，R) (1)
[0038] 式（1)为迭代方程，解空间不唯一，为获得唯一解需要给出具体的子孔径规划，子 孔径规划规则包括；沿经线不变子孔径规划规则与沿缔线不变子孔径规划规则。沿经线不 变子孔径规划规则即在经线方向上相邻上子孔径间的重叠区域不变为先决条件进行子孔 径规划；同理，沿缔线不变子孔径规划规则即在缔线方向上相邻子孔径间的重叠区域不变 为先决条件进行子孔径规划；为求得合理解空间，需附加已知初始条件与规划规则。故选取 沿缔线不变子孔径规划，即缔线层上各相邻子孔径间重叠区域一致。设子孔径间的重叠系 数为Cw, O < Cw < 1/2 ;子孔径视场大小为f；;则可得到第i缔线层与第i+1缔线层上的自 旋角a i、a W为：
【权利要求】
1. 大口径球面光学元件表面疵病检测系统，其特征在于包括XY二维导轨（S1)、二维旋 转系统（S2)、大口径球面光学元件（S3)、环形照明光源（S4)、Z向导轨（S5)、显微镜（S6)、 CCD1(S7)、光学自准直定中仪（S8)、CCD2(S9);其中大口径球面光学元件（S3)固定于二维 旋转系统上（S2)，二维旋转系统（S2)安装于XY二维导轨（SI)上，实现大口径球面光学元 件的多轴联动，包括：绕X轴摆动，绕其法线自旋，沿X、Y轴的平动；CXDl (S7)连接到显微镜 (S6)上并固定于环形照明光源（S4)上，环形照明光源（S4)及光学自准直定中仪（S8)固定 于Z向导轨（S5)上，并随Z向导轨（S5)沿Z轴方向平动，能够实现显微镜（S6)的对焦及 光学自准直定中仪（S8)对被测元件的定中操作；CCD2(S9)连接到光学自准直定中仪（S8) 上。
2. 如权利要求1所述的大口径球面光学元件表面疵病检测系统，其特征在于其中大口 径球面光学元件（S3)为大口径球面面形透镜元件；环形照明光源（S4)为变焦透镜组件。
【文档编号】G01N21/958GK204128987SQ201420538551
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】杨甬英, 刘 东, 曹频, 李阳, 李璐 申请人:浙江大学