CN102680477A - 大尺寸光学元件高精度调平方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺寸光学元件高精度调平方法与装置。本发明利用高倍率显微镜对元件表面不同位置的三特征点分别进行连续多幅暗场灰度图像采集，计算图像灰度信息熵值，拟合灰度信息熵值与显微镜轴向移动距离曲线，通过搜寻曲线中极小值的方法，获得正焦位置，获得各特征点离焦量。设计一种两板式弹性预紧，两点调整俯仰与侧摆的调平装置。通过建立离焦量与调整量换算模型，将三特征点处的离焦量换算为两调整点的调整量，进行调平操作。本发明解决了大尺寸光学元件在显微镜全范围扫描检测过程中出现的因光学元件与显微镜焦平面的不平行而造成的离焦问题。

Description

大尺寸光学元件高精度调平方法与装置

技术领域

本发明涉及一种大尺寸光学元件的高精度调平方法与装置。

背景技术

在对光学元件表面进行全范围扫描暗场疵病成像检测中，部分被检元件尺寸大且部分存在楔角，如应用于ICF(惯性约束核聚变)系统中的取样反射镜镜面尺寸达到415mm×415mm，带有0.4°楔角，经换算可知镜片在厚度方向的偏差达到2.9mm，而高倍率时显微镜的焦深仅几十微米，若被检表面与显微镜焦平面不平行，不仅在扫描采集图像时，因离焦采集不到清晰的图像，影响疵病的识别，而且更会造成高倍率疵病数字化判读过程中采集不到所对应的疵病图像，引起误读与错读。需要寻找一种快速、高精度的调平方法，实现大尺寸元件的高精度调平。

常用的空间调平方法主要基于姿态角传感系统，利用姿态角传感系统获得当前元件位姿，通过建立该位姿与显微镜焦平面数学模型，获得调整量，进行调平操作。该方法获得元件位姿的过程较复杂、耗费时间长且精度不高，因此需寻找一种新的针对大尺寸光学元件的快速、高精度调平方法。

发明内容

本发明的目的是为解决大尺寸光学元件进行全范围暗场疵病扫描成像过程中因光学元件与显微镜焦平面不平行而出现的离焦现象，提供一种大尺寸元件高精度调平方法与装置。

大口径光学元件高精度调平方法的步骤如下：

1)移动二维导轨利用高倍显微镜在光学元件表面寻找到第一表面特征点；所述的表面特征点指光学元件表面的疵病、擦痕具有信息特征的点；

2)利用高倍显微镜对第一表面特征点进行等步长连续多幅暗场灰度图像采集；所述的暗场灰度图像是指用单束LED冷光源发射的平行光束照射光学元件表面的第一表面特征点产生散射光线，散射光线被高倍显微镜收集，形成暗场灰度图像；

3)计算灰度图像的灰度信息熵H1，所述的灰度信息熵H1由下式表示：

$H_1=-\underset{x=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}p\left[f(x,y)\right]{\log }_{2}p\left[f(x,y)\right]$

其中f(x，y)为(x，y)像素位置的灰度等级，对于一幅M×N像素图像，1≤x≤M，1≤y≤N；p[f(x，y)]为(x，y)像素位置的灰度等级在整幅图像中出现的概率；所述的p[f(x，y)]由下式表示：

$p\left[f(x,y)\right]=\frac{f(x,y)}{\underset{x=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(x,y)};$

4)利用曲线拟合方法拟合灰度信息熵与高倍显微镜移动距离曲线，并通过搜索曲线中灰度信息熵的极小值的方法，得到高倍显微镜的正焦位置，得到第一表面特征点的离焦量d₁；

5)移动二维导轨利用高倍显微镜寻找到光学元件第二表面特征点、第三表面特征点；

6)重复步骤2)至步骤4)所述过程，得到第二表面特征点的离焦量d₂，第三表面特征点的离焦量d₃；

7)将第一表面特征点的离焦量d₁，第二表面特征点的离焦量d₂，第三表面特征点的离焦量d₃换算为左调节手轮的调整量δ₁，右调节手轮的调整量δ₂；

8)按调整量δ₁调节左调节手轮，按调整量δ₂调节右调节手轮，并在左弹性预紧机构与右弹性预紧机构的共同作用下，使调整板相对于固定板以固定球铰为旋转中心做二维俯仰、侧摆角度运动，完成使固定于调整板上的光学元件表面与高倍显微镜焦平面平行的调平操作。

所述的步骤7)为：

2.1)取高倍显微镜的焦平面为坐标系XOY平面，坐标系原点位二维导轨的运动起始点；取第一表面特征点、第二表面特征点、第三表面特征点所在平面为α，并记三点的坐标分别为(x_A，y_A，z_A)，(x_B，y_B，z_B)，(x_C，y_C，z_C)，其中z_A＝d₁，z_B＝d₂，z_C＝d₃，x_A，y_A，x_B，y_B，x_C，y_C通过记录二维导轨的移动量得到；平面α的方程可表示为；

(Y₁Z₂-Y₂Z₁)(x-x_A)+(X₂Z₁-X₁Z₂)(y-y_A)+(X₁Y₂-X₂Y₁)(z-z_A)＝0其中X₁＝x_A-x_B，Y₁＝y_A-y_B，Z₁＝z_A-z_B＝d₁-d₂；

X₂＝x_A-x_C，Y₂＝y_A-y_C，Z₂＝z_A-z_C＝d₁-d₃；

2.2)将固定球铰、左调节手轮、右调节手轮投影到平面α上，得到第一投影点、第二投影点、第三投影点；固定球铰、左调节手轮、右调节手轮分别固定在固定板上，因此其(x，y)坐标为定值，将其(x，y)坐标代入平面α方程，可得到第一投影点、第二投影点、第三投影点在Z轴方向上的坐标值z_R，z_P，z_T，其中坐标值z_R，z_P，z_T分别为离焦量d₁、d₂、d₃的函数；调节左调节手轮与右调节手轮后，第一投影点、第二投影点、第三投影点在Z轴方向上的坐标值变为z_R，z_P+δ₁，z_T+δ₂；当满足z_R＝z_P+δ₁＝z_T+δ₂时，平面α平行于焦平面XOY，得到调整量δ₁＝z_R-z_P，δ₁＝z_R-z_T。

大尺寸光学元件调平装置包括元件支撑条、夹持手轮、调整板、固定板、固定球铰、连接杆件、圆螺母、锁紧螺母、锁紧螺杆、螺纹套、调节手轮、硬质合金片、第一硬质合金棒、预紧弹簧、第二硬质合金棒；在固定板上设有固定球铰、两个螺纹套、两个第二硬质合金棒；固定球铰与连接杆件一端相连，并用圆螺母固定，连接杆件另一端与调整板相连；螺纹套与调节手轮相连，调节手轮一端与固定在调整板上的硬质合金片相连；第二硬质合金棒与预紧弹簧一端相连，预紧弹簧另一端与固定在调整板上的第一硬质合金棒相连；固定在调整板上的三个锁紧螺杆，穿过固定板，并分别用三个锁紧螺母将调整板与固定板的相对位置锁死；调整板上还设有两个元件支撑条，各元件支撑条上分别装有多个夹持手轮。

本发明充分利用了高倍率显微镜对焦过程中，对轴向移动距离的敏感特性，利用具有高灵敏度的灰度信息熵值方法，获得高精度的离焦量与调整量，达到高精度调平的目的。

附图说明

图1是大尺寸光学元件高精度调平方案图；

图2是特征点A、B、C在光学元件表面位置图示；

图3是离焦量与调整量换算模型；

图4是大尺寸光学元件高精度调平装置俯视图；

图5是大尺寸光学元件高精度调平装置A-A剖面剖视图；

图6是大尺寸光学元件高精度调平装置B-B剖面剖视图；

图7是高倍率下等步长连续采集到的光学元件表面特征点的暗场灰度图像，其中(a)、(b)、(c)、(d)为高倍率下等步长连续采集到的四幅图像；

图8是大尺寸光学元件表面单个特征点灰度信息熵值与显微镜移动距离拟合曲线；

图9(a)是大尺寸光学元件表面选取第一特征点灰度信息熵值与显微镜移动距离拟合曲线；

图9(b)是大尺寸光学元件表面选取第二特征点灰度信息熵值与显微镜移动距离拟合曲线；

图9(c)是大尺寸光学元件表面选取第三特征点灰度信息熵值与显微镜移动距离拟合曲线。

具体实施方式

如图1、2所示，大口径光学元件高精度调平方法的步骤如下：

1)移动二维导轨S5利用高倍显微镜S11在光学元件S2表面寻找到第一表面特征点A；所述的表面特征点指光学元件表面的疵病、擦痕具有信息特征的点；

2)利用高倍显微镜S11对第一表面特征点A进行等步长连续多幅暗场灰度图像采集；所述的暗场灰度图像是指用单束LED冷光源S1发射的平行光束照射光学元件S2表面的第一表面特征点A产生散射光线，散射光线被高倍显微镜S11收集，形成暗场灰度图像；

3)计算灰度图像的灰度信息熵H1，所述的灰度信息熵H1由下式表示：

$H_1=-\underset{x=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}p\left[f(x,y)\right]{\log }_{2}p\left[f(x,y)\right]$

其中f(x，y)为(x，y)像素位置的灰度等级，对于一幅M×N像素图像，1≤x≤M，1≤y≤N；p[f(x，y)]为(x，y)像素位置的灰度等级在整幅图像中出现的概率；所述的p[f(x，y)]由下式表示：

$p\left[f(x,y)\right]=\frac{f(x,y)}{\underset{x=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(x,y)};$

4)利用曲线拟合方法拟合灰度信息熵与高倍显微镜S11移动距离曲线，并通过搜索曲线中灰度信息熵的极小值的方法，得到高倍显微镜S11的正焦位置，得到第一表面特征点A的离焦量d₁；

5)移动二维导轨S5利用高倍显微镜S11寻找到光学元件S2第二表面特征点(B)、第三表面特征点C；

6)重复步骤2)至步骤4)所述过程，得到第二表面特征点B的离焦量d₂，第三表面特征点C的离焦量d₃；

7)将第一表面特征点A的离焦量d₁，第二表面特征点B的离焦量d₂，第三表面特征点C的离焦量d₃换算为左调节手轮S7的调整量δ₁，右调节手轮S6的调整量δ₂；

8)按调整量δ₁调节左调节手轮S7，按调整量δ₂调节右调节手轮S6，并在左弹性预紧机构S8与右弹性预紧机构S10的共同作用下，使调整板S3相对于固定板S4以固定球铰S9为旋转中心做二维俯仰、侧摆角度运动，完成使固定于调整板S3上的光学元件S2表面与高倍显微镜S11焦平面平行的调平操作。

如图3所示，所述的步骤7)如下：

2.1)取高倍显微镜S11的焦平面为坐标系XOY平面，坐标系原点位二维导轨S5的运动起始点；取第一表面特征点A、第二表面特征点B、第三表面特征点C所在平面为α，并记三点的坐标分别为(x_A，y_A，z_A)，(x_B，y_B，z_B)，(x_C，y_C，z_C)，其中z_A＝d₁，z_R＝d₂，z_C＝d₃，x_A，y_A，x_B，y_B，x_C，y_C通过记录二维导轨S5的移动量得到；平面α的方程可表示为；

(Y₁Z₂-Y₂Z₁)(x-x_A)+(X₂Z₁-X₁Z₂)(y-y_A)+(X₁Y₂-X₂Y₁)(z-z_A)＝0

其中X₁＝x_A-x_B，Y₁＝y_A-y_B，Z₁＝z_A-z_B＝d₁-d₂；

X₂＝x_A-x_C，Y₂＝y_A-y_C，Z₂＝z_A-z_C＝d₁-d₃；

2.2)将固定球铰S9、左调节手轮S7、右调节手轮S6投影到平面α上，得到第一投影点R、第二投影点P、第三投影点T；固定球铰S9、左调节手轮S7、右调节手轮S6分别固定在固定板S4上，因此其(x，y)坐标为定值，将其(x，y)坐标代入平面α方程，可得到第一投影点R、第二投影点P、第三投影点T在Z轴方向上的坐标值z_R，z_P，z_T，其中坐标值z_R，z_P，z_T分别为离焦量d₁、d₂、d₃的函数；调节左调节手轮S7与右调节手轮S6后，第一投影点R、第二投影点P、第三投影点T在Z轴方向上的坐标值变为z_R，z_P+δ₁，z_T+δ₂；当满足z_R＝z_P+δ₁＝z_T+δ₂时，平面α平行于焦平面XOY，得到调整量δ₁＝z_R-z_P，δ₂＝z_R-z_T。

如图4、5、6所示，大尺寸光学元件调平装置包括元件支撑条1、夹持手轮2、调整板3、固定板4、固定球铰5、连接杆件6、圆螺母7、锁紧螺母8、锁紧螺杆9、螺纹套10、调节手轮11、硬质合金片12、第一硬质合金棒13、预紧弹簧14、第二硬质合金棒15；在固定板4上设有固定球铰5、两个螺纹套10、两个第二硬质合金棒13；固定球铰5与连接杆件6一端相连，并用圆螺母7固定，连接杆件6另一端与调整板3相连；螺纹套10与调节手轮11相连，调节手轮一端与固定在调整板3上的硬质合金片12相连；第二硬质合金棒15与预紧弹簧14一端相连，预紧弹簧14另一端与固定在调整板3上的第一硬质合金棒13相连；固定在调整板3上的三个锁紧螺杆9，穿过固定板4，并分别用三个锁紧螺母8将调整板3与固定板4的相对位置锁死；调整板3上还设有两个元件支撑条1，各元件支撑条1上分别装有多个夹持手轮2。

实施例

针对大尺寸光学元件的高精度调平进行了调平检测。检测中，选用光学元件表面尺寸为430mm×430mm，高倍显微镜放大倍率为16倍，显微镜轴向以0.06mm等步长进行灰度图像采集，图7所示为采集到的元件表面特征点的部分暗场灰度图像，对图像进行灰度信息熵值计算得到表1所示结果

表1.图7中各暗场灰度图像的灰度信息熵值

图像序列号	1	2	3	4
					灰度信息熵值	2.4272	2.3543	2.3733	2.4326

从表1中可以看出图幅(b)的灰度信息熵值最小，对照(a)、(b)、(c)、(d)4幅图像，可直观看出图幅(b)最清晰，符合最小灰度信息熵判据；同时也可以看出由于图像之间的细节差异较小，图像间的灰度熵值变动范围较小，可采用线性拉伸的方法放大数据以提高检测灵敏度。

对图7中所示特征点再次进行0.02mm等步长20幅图像连续采集并进行灰度信息熵值计算，对计算得到的灰度信息熵值进行线性拉伸并拟合灰度信息熵值与显微镜移动距离曲线，如图8所示。从图中曲线可以看出，正焦位置对应于曲线谷底位置，两侧随着灰度信息熵值的增大，离焦量也越大。通过搜索曲线极小值，可得到该特征点的离焦量为0.1454mm。

分别寻找到光学元件表面另两个特征点，依次进行连续多幅暗场灰度图像采集，计算灰度信息熵值并进行线性拉伸。得到的三个特征点的灰度信息熵值与显微镜移动距离曲线如图9所示。搜寻曲线极小值得到离焦量，将得到的离焦量代入换算模型中，得到调整量，调节调节手轮实现元件的调平。调平完成后，进行了16倍率高倍显微镜光学元件表面全范围扫描，扫描过程中显微镜头始终处于焦深范围内，无离焦现象，参照于显微镜景深为20μm，表明调平精度亦达到20μm范围内。

Claims (3)

1.一种大口径光学元件高精度调平方法，其特征在于它的步骤如下：

1)移动二维导轨(S5)利用高倍显微镜(S11)在光学元件(S2)表面寻找到第一表面特征点(A)；所述的表面特征点指光学元件表面的疵病、擦痕具有信息特征的点；

2)利用高倍显微镜(S11)对第一表面特征点(A)进行等步长连续多幅暗场灰度图像采集；所述的暗场灰度图像是指用单束LED冷光源(S1)发射的平行光束照射光学元件(S2)表面的第一表面特征点(A)产生散射光线，散射光线被高倍显微镜(S11)收集，形成暗场灰度图像；

3)计算灰度图像的灰度信息熵H1，所述的灰度信息熵H1由下式表示：

$H_1=-\underset{x=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}p\left[f(x,y)\right]{\log }_{2}p\left[f(x,y)\right]$

其中f(x，y)为(x，y)像素位置的灰度等级，对于一幅M×N像素图像，1≤x≤M，1≤y≤N；p[f(x，y)]为(x，y)像素位置的灰度等级在整幅图像中出现的概率；所述的p[f(x，y)]由下式表示：

$p\left[f(x,y)\right]=\frac{f(x,y)}{\underset{x=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(x,y)};$

4)利用曲线拟合方法拟合灰度信息熵与高倍显微镜(S11)移动距离曲线，并通过搜索曲线中灰度信息熵的极小值的方法，得到高倍显微镜(S11)的正焦位置，得到第一表面特征点(A)的离焦量d₁；

5)移动二维导轨(S5)利用高倍显微镜(S11)寻找到光学元件(S2)第二表面特征点(B)、第三表面特征点(C)；

6)重复步骤2)至步骤4)所述过程，得到第二表面特征点(B)的离焦量d₂，第三表面特征点(C)的离焦量d₃；

7)将第一表面特征点(A)的离焦量d₁，第二表面特征点(B)的离焦量d₂，第三表面特征点(C)的离焦量d₃换算为左调节手轮(S7)的调整量δ₁，右调节手轮(S6)的调整量δ₂；

8)按调整量δ₁调节左调节手轮(S7)，按调整量δ₂调节右调节手轮(S6)，并在左弹性预紧机构(S8)与右弹性预紧机构(S10)的共同作用下，使调整板(S3)相对于固定板(S4)以固定球铰(S9)为旋转中心做二维俯仰、侧摆角度运动，完成使固定于调整板(S3)上的光学元件(S2)表面与高倍显微镜(S11)焦平面平行的调平操作。

2.根据权利要求1所述的一种大口径光学元件调平方法，其特征在于所述的步骤7)为：

2.1)取高倍显微镜(S11)的焦平面为坐标系XOY平面，坐标系原点位二维导轨(S5)的运动起始点；取第一表面特征点(A)、第二表面特征点(B)、第三表面特征点(C)所在平面为α，并记三点的坐标分别为(x_A，y_A，z_A)，(x_B，y_B，z_B)，(x_C，y_C，z_C)，其中z_A＝d₁，z_B＝d₂，z_C＝d₃，x_A，y_A，x_B，y_B，x_C，y_C通过记录二维导轨(S5)的移动量得到；平面α的方程可表示为；(Y₁Z₂-Y₂Z₁)(x-x_A)+(X₂Z₁-X₁Z₂)(y-y_A)+(X₁Y₂-X₂Y₁)(z-z_A)＝0其中X₁＝x_A-x_B，Y₁＝y_A-y_B，Z₁＝z_A-z_B＝d₁-d₂；

X₂＝x_A-x_C，Y₂＝y_A-y_C，Z₂＝z_A-z_C＝d₁-d₃；

2.2)将固定球铰(S9)、左调节手轮(S7)、右调节手轮(S6)投影到平面α上，得到第一投影点(R)、第二投影点(P)、第三投影点(T)；固定球铰(S9)、左调节手轮(S7)、右调节手轮(S6)分别固定在固定板(S4)上，因此其(x，y)坐标为定值，将其(x，y)坐标代入平面α方程，可得到第一投影点(R)、第二投影点(P)、第三投影点(T)在Z轴方向上的坐标值z_R，z_P，z_T，其中坐标值z_R，z_P，z_T分别为离焦量d₁、d₂、d₃的函数；调节左调节手轮(S7)与右调节手轮(S6)后，第一投影点(R)、第二投影点(P)、第三投影点(T)在Z轴方向上的坐标值变为_zR，z_P+δ₁，z_T+δ₂；当满足z_R＝z_P+δ₁＝z_T+δ₂时，平面α平行于焦平面XOY，得到调整量δ₁＝z_R-z_P，δ₂＝z_R-z_T。

3.一种实施如权利要求1所述方法的大尺寸光学元件调平装置，其特征在于包括元件支撑条(1)、夹持手轮(2)、调整板(3)、固定板(4)、固定球铰(5)、连接杆件(6)、圆螺母(7)、锁紧螺母(8)、锁紧螺杆(9)、螺纹套(10)、调节手轮(11)、硬质合金片(12)、第一硬质合金棒(13)、预紧弹簧(14)、第二硬质合金棒(15)；

在固定板(4)上设有固定球铰(5)、两个螺纹套(10)、两个第二硬质合金棒(13)；固定球铰(5)与连接杆件(6)一端相连，并用圆螺母(7)固定，连接杆件(6)另一端与调整板(3)相连；螺纹套(10)与调节手轮(11)相连，调节手轮一端与固定在调整板(3)上的硬质合金片(12)相连；第二硬质合金棒(15)与预紧弹簧(14)一端相连，预紧弹簧(14)另一端与固定在调整板(3)上的第一硬质合金棒(13)相连；固定在调整板(3)上的三个锁紧螺杆(9)，穿过固定板(4)，并分别用三个锁紧螺母(8)将调整板(3)与固定板(4)的相对位置锁死；调整板(3)上还设有两个元件支撑条(1)，各元件支撑条(1)上分别装有多个夹持手轮(2)。

Images