一种大口径曲面光学元件表面缺陷自动检测装置及方法与流程

本发明属于先进光学制造与检测领域，涉及一种光学检测装置，特别涉及一种大口径曲面光学元件表面缺陷自动探测装置及方法。

背景技术：

随着先进光学制造技术的不断发展，微电子装备、航空航天、精密测量和激光系统等应用领域对其核心组成部件精密光学元件的表面加工质量提出了更高的技术需求。曲面光学元件表面在研磨、抛光后常常存在各种缺陷(如划伤、凹陷、裂纹、崩边等表面缺陷)，这些缺陷不仅会降低用户体验，甚至会影响光学系统的性能。

大口径曲面光学元件表面缺陷检测仍以人工定性检测为主，现在主流的人工目视检测不仅效率低下，而且主观判别准确度差，严重制约先进光学制造的自动化进程。近年来基于机器视觉的缺陷检测技术被广大研究者所关注，但现行方法检测精度低且耗时长，并不能满足现在工业现场的实时检测需求。并且对于曲面表面缺陷的检测更是无能为力。因此需要一种能够实现大口径曲面光学元件表面缺陷自动化检测的装置和方法，利用机器视觉的方法代替人工，极大地提高检测效率及检测精度。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述背景技术中提出的问题，提供一种大口径曲面光学元件表面缺陷自动化检测装置及方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种大口径曲面光学元件表面缺陷的自动测量装置，包括传感器系统、成像系统、照明系统、大口径光学元件、旋转工件台、自动取样装置、喷淋装置、导轨，其中传感器系统、成像系统和照明系统构成测量头，竖直安装在导轨上，实现大口径光学元件的多轴联动，包括沿x、z轴的平动和绕y轴的摆动，保证检测过程中测量头的光轴与大口径光学元件表面法线始终保持一致；大口径光学元件置于可绕z轴360度旋转的旋转工件台上，测量头配合旋转工件台实现大口径光学元件表面缺陷的全口径扫描测量；其中自动取样装置固定在导轨的支架上，自动取样装置主要由机械手组成，自动取样装置用于自动化生产中机械手自动夹取光学元件；喷淋装置跟测量头保持联动关系，随测量头运动到被测表面指定位置，传感器系统一旦检测到表面上有灰尘、杂质异物，喷淋装置就被激活，用于准确去除被测件表面的灰尘、杂质伪缺陷。

其中，照明系统为分布在成像系统四周的多角度环形led光源，并且每个环带光源角度可以控制。

其中，成像系统包括高解析度的线阵镜头、高分辨率的线阵相机以及与相机信号连接的高速数据采集卡。

其中，检测过程中传感器测量头的光轴与被测大口径光学元件表面法线始终保持一致。

其中，每个环带测量前调整传感器测量头实现对焦，使整个环带在景深范围内在成像系统的相机传感器上成像清晰。

一种利用所述大口径曲面光学元件表面缺陷的自动测量装置的大口径光学元件表面缺陷的测量方法，包括如下具体步骤：

步骤1)、多轴联动移动导轨使传感器测量头的成像光轴、大口径光学元件的球心以及旋转工件台的旋转中心重合，获得被测样品的初始检测位置。

步骤2)、根据被测大口径光学元件的口径和曲率半径信息，导轨将测量头移动到第一个环带扫描位置n1。

步骤3)、根据被测大口径光学元件的口径和曲率半径信息，控制照明系统的光源入射角度，同时开启照明光源。

步骤4)、控制旋转工件台匀速转动，同时编码器产生行触发信号，使用行触发信号来控制线阵相机进行拍照。

步骤5)、由步骤2)至步骤4)实现被测大口径光学元件表面缺陷的n个子孔径环带扫描，然后通过处理器将各个环带的图像进行拼接即可实现被测大口径光学元件表面缺陷的全口径检测。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

本发明利用可控入射角的多角度环形光源对曲面表面进行均匀照射，光学元件表面缺陷散射光暗场成像到成像系统，相对传统机器视觉方法成像对比度和信噪比大大提高；使用线阵相机和旋转工件台对大口径曲面元件进行全口径环带扫描，检测精度和检测效率也得到大大提高。

附图说明

图1为本发明检测装置构成示意图；

图2为本发明测量头结构示意图；

图3为本发明实施例凹球面元件线扫描测量过程示意图；

图4为本发明实施例凹球面元件三个环带子孔径表面缺陷图；

图5为本发明实施例凹球面元件表面缺陷的全景图像。

图中：1为传感器系统；2为成像系统；3为照明系统；4为大口径光学元件；5为旋转工件台；6为自动取样装置；7为喷淋装置；8为导轨。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1所示，本发明实施例中，一种大口径曲面光学元件表面缺陷的自动检测装置，包括传感器系统1、成像系统2、照明系统3、大口径光学元件4、旋转工件台5、自动取样装置6、喷淋装置7、导轨8。其中大口径光学元件4置于可绕z轴360度旋转的工件台5上，传感器系统1、成像系统2、照明系统3组成测量头，测量头竖直安装在导轨8上，实现大口径光学元件的多轴联动，包括沿x、z轴的平动和绕y轴的摆动，保证检测过程中测量头的光轴与被测大口径光学元件4表面法线始终保持一致。最后测量头配合旋转工件台5实现大口径光学元件4表面缺陷的全口径扫描测量。其中，自动取样装置6固定在导轨8的支架上，主要有机械手组成，用于自动化生产中机械手自动夹取光学元件；喷淋装置7跟测量头保持联动关系，随测量头运动到被测表面指定位置，传感器系统1一旦检测到表面上有灰尘、杂质等异物，喷淋装置就被激活，用于准确去除被测件表面的灰尘、杂质等伪缺陷。

本发明装置的测量过程和检测步骤如下：

步骤1：如图1所示，多轴联动移动所述导轨8使测量头的成像光轴、大口径光学元件4的球心以及旋转工件台5的旋转中心重合，获得被测样品的初始检测位置。

步骤2：根据被测大口径光学元件4的口径和曲率半径信息利用导轨8将测量头移动到第一个环带扫描位置n1。

步骤3：根据被测大口径光学元件4的口径和曲率半径信息控制照明系统3的光源入射角度，同时开启照明光源。

步骤4：控制旋转工件台5匀速转动，同时编码器产生行触发信号，使用行触发信号来控制线阵相机进行拍照。

步骤5：由步骤2至步骤4实现被测大口径光学元件4表面缺陷的多个子孔径环带扫描，然后通过处理器将各个环带的图像进行拼接即可实现被测大口径光学元件4表面缺陷的全口径检测。

步骤1所述的测量头包括传感器系统1、成像系统2和照明系统3，结构示意图如图2所示。所述照明系统3为分布在成像系统2四周的多角度环形照明，包括光源和照明光学系统，并且每个环带照明角度可以控制，使镜面反射像不进入成像系统2，而传感器系统1可以获得缺陷的散射像。所述光源为led光源或激光光源，光源亮度足够使得被测大口径光学元件4表面的各种缺陷得以在成像系统2中显现。

步骤4所述的旋转工件台5为电控旋转台，匀速旋转过程中其端面跳动应不影响测量头的对焦。控制旋转工件台5匀速转动，同时编码器产生行触发信号，使用行触发信号来控制线阵相机进行拍照，从而获得对整个环带表面缺陷的采集。

如图3所示，为大口径曲面光学元件表面缺陷的子孔径环带扫描采集过程，具体如下：

1-1.根据被测大口径光学元件4的口径和曲率半径信息，确定子孔径扫描路径及环带数；

1-2.通过导轨控制测量头绕x轴摆动和沿x、z轴平动，使测量头的光轴与被测大口径光学元件4表面环带n1垂直；

1-3.旋转工件台5匀速旋转，同时传感器系统1采集图像，得到第一个环形子孔径图像；

1-4.根据已确定的子孔径环带扫描路径，控制测量头绕x轴摆动和沿x、z轴平动到达其他子孔径位置，依次得到第i个环形子孔径图像；

1-5.重复步骤1-2和步骤1-3，直到完成被测大口径光学元件4全口径表面缺陷信息的无漏采集。本发明实施例凹球面元件三个环带子孔径表面缺陷图如图4所示。

1-6.对采集的各个环带子孔径图像进行图像处理和拼接，得到被测大口径光学元件4表面缺陷的全景图像。本发明实施例凹球面元件表面缺陷的全景图像如图5所示。

该方法装置结构简单，搭建容易，成本低廉，检测时间短，为大口径曲面光学元件表面缺陷测量提供了一种有效的检验手段。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围之内。