CN103389037B - 一种照明衍射光学元件几何技术参数检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种照明衍射光学元件几何技术参数检测装置与方法，包括计算机系统、电控系统和成像系统，计算机系统包括计算机和显示器，电控系统包括控制器、电机和电控载物台，成像系统包括光盾、LED光源、镜头和图像传感器，显示器与计算机连接成一体，计算机分别连接控制器和图像传感器，控制器连接控制电机，电机的输出轴上水平布置有电控载物台，电控载物台正对上方设有光盾，光盾上端的圆周内壁上设有LED光源，光盾顶部中间设有图像传感器，图像传感器的镜头正对下方的电控载物台且位于LED光源的上端之间。本发明可实现对照明衍射光学元件几何技术参数高精度、快速检测，为产品的制造与使用提供科学的依据。

Description

一种照明衍射光学元件几何技术参数检测装置与方法

技术领域

本发明涉及衍射光学元器件的几何尺寸参数检测技术领域，特别是涉及一种照明衍射光学元件几何技术参数检测装置与方法。

背景技术

在光刻系统中，采用离轴照明的曝光系统，掩模上的照明光线与投影物镜主光轴有一定的夹角，入射光经掩模在发生衍射后，多级衍射光可参与成像，因此不仅可以提高光刻分辨率，同时还能提高焦深及成像质量，尤其是能提高图像的对比度。由于该技术可以在不改变工作波长、投影物镜的数值孔径与光刻胶工艺的条件下，就能提高系统性能，因而得到了广泛应用。用于离轴照明方式的衍射光学元件，其类型包括环形照明、二极照明及四极照明，其加工的几何尺寸和质量是制约离轴照明技术应用的关键因素，因此在其使用前需要对其几何尺寸参数进行检测，以保证衍射光学元件的几何尺寸和加工精度达到一定的要求。为满足市场的需求，不同生产照明衍射光学器件的企业，所生产的产品规格和形状多种多样，以至无法采用现有仪器或专业设备对其几何尺寸参数进行精确检测。目前，主要检测其参数的手段，仍是采用游标卡尺等接触性测量方法，由于器件尺寸细小、规格形状各异，易导致检测精度差，往往难于满足实际的要求，且效率低。

随着计算机技术的发展，利用机器视觉和和数字图像处理技术，可直接获取被测对象的外观图像信息，从客观事物的图像中提取信息进行处理,并加以理解,实现对目标的智能化检测，本发明就是在此基本原理上为满足实际需求而设计的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种照明衍射光学元件几何技术参数检测装置与方法，以解决检测产品参数时采用接触性测量方法易导致检测精度差、效率低与难以满足实际要求的问题，利用机器视觉和图像处理技术，检测离轴照明衍射光学元件外径尺寸、照明极的开孔角度、极方位角、环带内径、环带外径、环带弧长等几何技术参数，并对光学器件的加工质量进行评价，根据获取图像与检测对象的物理尺寸的映射关系，可快速、精确地计算出衍射元件几何参数的实际尺寸，具有检测方便、精确、稳定等特点，有助于对衍射光学器件几何技术参数进行实时、准确的分析与检测，为对光学器件的质量评价提供科学依据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种照明衍射光学元件几何技术参数检测装置，包括计算机系统、电控系统和成像系统，所述计算机系统包括计算机和显示器，所述电控系统包括控制器、电机和电控载物台，所述成像系统包括光盾、LED光源、镜头和图像传感器，所述显示器与计算机连接成一体，所述计算机分别连接控制器和图像传感器，所述控制器连接控制电机，所述电机的输出轴上水平布置有电控载物台，所述电控载物台正对上方设有的光盾，所述光盾上端的圆周内壁上设有LED光源，所述光盾顶部中间设有图像传感器，所述图像传感器的镜头正对下方的电控载物台且位于LED光源的上端之间。

所述LED光源为可控光强红色LED环形光源。

所述电控系统安装在实验平台上，所述实验平台一侧的支架上连接有成像系统。

所述光盾大体为上下两端相通的空心圆柱体，上端的圆周内壁与图像传感器的镜头之间为LED光源，下端的圆周外径与电控载物台边缘相对应，所述电控载物台、光盾、LED光源和图像传感器的镜头通过合围形成避光封闭系统。

一种使用上述一种照明衍射光学元件几何技术参数检测的方法，包括以下步骤：

（1）在电机控制电控载物平台运行前，采用自带标准模板对成像系统镜头畸变进行矫正，利用高精度的标定板对系统进行精确标定；

（2）对系统精确标定之后，将电控载物平台运动到最下方的装片位置，将检测对象放置到预先指定的检测区域，然后控制载片后的载物平台向上运动，使其与光盾构成封闭状态，调整光源强度，并通过光学放大设备和高精度成像系统，获取衍射光学元件检测区域的图像；

（3）对获取的图像进行滤波处理，消除成像过程中引入的光反射噪声，并对目标图像进行二值化处理；

（4）在目标图像完成滤波处理与二值化处理之后，选择被检测器件的类型，采用图像处理方法求出光学器件中心点及所有照明极开孔图形的角点位置坐标，计算出衍射光学器件的几何技术参数，实现其智能测量，同时对照明衍射光学元器件的加工质量进行评价。

所述衍射光学器件几何技术参数是照明极的开孔角度θ₁、极方位角θ₂、环带外径R₁、内径R₂及环带内弧长和外弧长其测量方法是通过图像处理技术，求出光学器件中心点及所有照明极开孔的角点坐标位置，再根据圆的相关性质，通过数学计算方法得到。

所述衍射光学器件照明极开孔图形的角点检测与定位，是根据检测对象的类型，先确定开孔角点应具有的数目，然后采用Harris算法对角点进行初步检测，再用像素点能量的方法对角点进行选择与验证，最后通过拟合方向线交点的方法，精确计算出角点位置坐标。

所述测量器件的外径尺寸R时，先对获取光学器件图像的最外层封闭区域进行检测，提取衍射光学器件图像的外轮廓封闭曲线，在对其进行平滑处理后，作为衍射光学器件图像外轮廓边缘曲线，再在此基础上，求得其外径尺寸R。

所述对照明衍射光学元器件加工质量进行评价，是通过计算两种对应加工轨迹线的方差表示其偏离程度实现，其中一种轨迹线是衍射光学器件实际加工轨迹线，该轨迹线采用亚像素边缘提取算法，直接对衍射光学器件图像进行处理方法得到；另一种轨迹线是理想加工轨迹线，该轨迹线是由检测出的衍射器件中心及照明极开孔图形角点位置坐标后，根据圆的相关性质，通过数学方法计算得到，轨迹线包括器件内部各照明极开孔图形边缘轨迹及器件外轮廓轨迹。

所述采用可调节强度的环形LED红外光源及在成像系统的镜头前加装光反射抑制膜的方法，抑制被检测对象对光的反射，以获取清晰的衍射光学器件的检测区域图像。

有益效果

本发明具有以下的优点和积极效果：

利用机器视觉和图像处理技术对衍射光学器件的几何技术参数进行检测，实现了检测过程无接触性和智能化；同时基于获取图像与物理设备的映射关系，能高精度获取器件几何参数的实际值，具有检测方便、快速和稳定性好等特点，有助于实现对衍射光学器件加工几何尺寸参数进行实时、精确测量和质量评估。

附图说明

图1是本发明采用的系统结构示意图；

图2是本发明照明衍射光学器件几何尺寸参数示意图；

图3是本发明像素点邻域示意图；

图4是本发明照明衍射光学元件几何尺寸检测流程图。

图中：计算机1，显示器2，控制器3，电机4，电控载物台5，光盾6，LED光源7，镜头8，图像传感器9，环带内径R₂，环带外径R₁，衍射光学元件外径R，极照明开孔的内弧长极照明开孔的外弧长照明极的开孔角度θ₁，极方位角θ₂。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的第一实施方式涉及一种照明衍射光学元件几何技术参数检测装置，如图1所示，包括计算机系统、电控系统和成像系统，所述计算机系统包括计算机1和显示器2，所述电控系统包括控制器3、电机4和电控载物台5，所述成像系统包括光盾6、LED光源7、镜头8和图像传感器9，所述显示器2与计算机1连接成一体，所述计算机1分别连接控制器3和图像传感器9，所述控制器3连接控制电机4，所述电机4的输出轴上水平布置有电控载物台5，所述电控载物台5正对上方设有的光盾6，所述光盾6上端的圆周内壁上设有LED光源7，所述光盾6顶部中间设有图像传感器9，所述图像传感器9的镜头8正对下方的电控载物台5且位于LED光源7的上端之间。

所述LED光源7为可控光强红色LED环形光源。

所述电控系统安装在实验平台上，所述实验平台一侧的支架上连接有成像系统。

所述光盾6大体为上下两端相通的空心圆柱体，上端的圆周内壁与图像传感器9的镜头8之间为LED光源7，下端的圆周外径与电控载物台5边缘相对应，所述电控载物台5、光盾6、LED光源7和图像传感器9的镜头8通过合围形成避光封闭系统。

本发明的第二实施方式涉及一种照明衍射光学元件几何技术参数检测的方法，包括以下步骤：（1）在电机4控制电控载物平台5运行前，采用自带标准模板对成像系统镜头8畸变进行矫正，利用高精度的标定板对系统进行精确标定；（2）对系统精确标定之后，将电控载物平台5运动到最下方的装片位置，将检测对象放置到预先指定的检测区域，然后控制载片后的载物平台5向上运动，使其与光盾6构成封闭状态，调整光源强度，并通过光学放大设备和高精度成像系统，获取衍射光学元件检测区域的图像；（3）对获取的图像进行滤波处理，消除成像过程中引入的光反射噪声，并对目标图像进行二值化处理；（4）在目标图像完成滤波处理与二值化处理之后，选择被检测器件的类型，采用图像处理方法求出光学器件中心点及所有照明极开孔图形的角点位置坐标，计算出衍射光学器件的几何技术参数，实现其智能测量，同时对照明衍射光学元器件的加工质量进行评价。

所述步骤4中衍射光学器件几何技术参数是照明极的开孔角度θ₁、极方位角θ₂、环带外径R₁、内径R₂及环带内弧长和外弧长其测量方法是通过图像处理技术，求出光学器件中心点及所有照明极开孔的角点坐标位置，再根据圆的相关性质，通过数学计算方法得到。

所述步骤4中衍射光学器件照明极开孔图形的角点检测与定位，是根据检测对象的类型，先确定开孔角点应具有的数目，然后采用Harris算法对角点进行初步检测，再用像素点能量的方法对角点进行选择与验证，最后通过拟合方向线交点的方法，精确计算出角点位置坐标。

所述步骤4中测量器件的外径尺寸R时，先对获取光学器件图像的最外层封闭区域进行检测，提取衍射光学器件图像的外轮廓封闭曲线，在对其进行平滑处理后，作为衍射光学器件图像外轮廓边缘曲线，再在此基础上，求得其外径尺寸R。

所述步骤4中对照明衍射光学元器件加工质量进行评价，是通过计算两种对应加工轨迹线的方差表示其偏离程度实现，其中一种轨迹线是衍射光学器件实际加工轨迹线，该轨迹线采用亚像素边缘提取算法，直接对衍射光学器件图像进行处理方法得到；另一种轨迹线是理想加工轨迹线，该轨迹线是由检测出的衍射器件中心及照明极开孔图形角点位置坐标后，根据圆的相关性质，通过数学方法计算得到，轨迹线包括器件内部各照明极开孔图形边缘轨迹及器件外轮廓轨迹。

所述步骤2采用可调节强度的环形LED红外光源及在成像系统的镜头前加装光反射抑制膜的方法，抑制被检测对象对光的反射，以获取清晰的衍射光学器件的检测区域图像。

值得一提的是，本发明将可控光强红色LED环形光源嵌入于一个圆柱型的光盾中，同时在光盾下方采用电控可升降载物台，使其在检测过程中构成封闭系统，以避免外部杂光的影响；在检测方法上，对衍射光学器件几何技术参数的测量，先采用图像处理技术，求出光学器件中心点及所有照明极的开孔图形角点的位置坐标，再根据圆的相关性质，通过数学计算方法得到；对照明衍射光学元器件加工质量的进行评价，是通过比较衍射光学器件实际加工轨迹线与理想加工轨迹曲线的偏离程度实现。

本发明采用图像处理技术和交互式操作方法实现对衍射光学器件的几何参数进行测量，同时，对衍射器件加工质量进行评价。图2为四极照明衍射光学器件示意图及需要检测的几何技术参数，O为光学器件的中心；R₂为环带内径；R₁为环带外径；R为衍射光学元件外径；为极照明开孔的内弧长；为极照明开孔的外弧长；θ₁为照明极的开孔角度；θ₂为极方位角。当测量类型为照明极的开孔角度θ₁、极方位角θ₂、极照明开孔的内弧长极照明开孔的外弧长环带内径R₂、环带外径R₁等几何参数时，先通过图像处理技术，求出光学器件图像的中心及所有照明极开孔角点位置的坐标（如图2中，对于开孔极1，先求出器件中心点O及A₁,B₁,C₁,D₁的坐标），再由圆的相关性质，通过数学计算方法得到。衍射光学器件开孔图像角点的检测与定位，是根据检测对象的类型（如环形照明、二极照明及四极照明），先确定照明开孔极的数目及相应角点应具有的数目，然后采用Harris算法对角点进行初步检测，再用像素点能量的方法对其进行选择与验证，最后通过拟合方向线交点的方法，获取角点位置的精确坐标。显然，如何精确地检测出光学器件开孔图像的角点位置坐标是获取光学元器件几何尺寸的关键。

在将被检测图像进行二值化处理后，很容易利用重心算法求出衍射光学器件的中心O点的坐标。而对于每一个照明极开口扇形四个角点，如图2中的A₁,B₁,C₁,D₁等角点的确定，先采用Harris算法图像进行快速的角点检测，然后通过计算角点像素点能量方法，对初步检测的角点进行选择和验证，以确保检测图像的角点准确性和精确性。Harris算法具有速度快特点，但其检测角点的准确度需要进一步进行验证。根据图像像素的分布特点，像素点的结构类型主要由其附近边缘点，也即梯度较大的点的分布所决定,但实际上并不是所有边缘点都对其结构类型有贡献，只有方向线通过该点的边缘点，才能对其结构有所贡献，所以对于由Harris算法检测出的角点，利用该角点的一个相关邻域的所有边缘点，定义方向线通过或非常接近该角点的边缘点称为该角点的相关像素点，该角点的所有相关像素点的方向线在各个方向上的分布称为该角点的邻域方向分布。利用邻域方向分布，我们可以有效地区分边缘点对角点结构的影响程度,从而在进行角点检测定位时能够排除“无贡献”边缘点的干扰。

基于上述，图像中某像素点的邻域，采用以该点为中心的一个圆形区域，其半径可以根据图像的角点间的距离来决定。如图3所示，显示了角点P的一个邻域Ω，其半径为R，X_i是其中的一个边缘点，L_0i是其方向线，d₀是P点到方向线的距离，d₁是P到X_i的距离。为了描述某一点P的邻域方向分布,构造一个N维向量来统计点P的相关邻域内各个方向上的梯度分布,该向量称为点P的梯度邻域方向矢量。为了给点P的相关领域内图像的每一个点分配权重，以体现不同的像素点具有不同的重要性。令D_m是距离阈值，则可以按以下公式为X_i点分配权重:

$W_R\left(X_i\right)=\left\{\begin{array}{cc}0,& d_0>D_m\\ w_o\left(X_i\right)\·w_{\mathrm{pl}}\left(X_i\right)=\frac{\mathrm{mag}\left(X_i\right)}{{2\mathrm{\π\σ}}_0\·{\mathrm{\σ}}_1}{e}^{-(\frac{d_0^2}{{2\mathrm{\σ}}_0^2}+\frac{d_1^2}{{2\mathrm{\σ}}_1^2})},& d_0\≤D_m\end{array}\right.---\left(1\right)$

在上式公式（1）中，mag(X_i)表示X_i的梯度幅值的大小。而W_o(X_i)与W_p1(X_i)分别表示X_i的权重随d₀和d₁增大而减小所采用其高斯权重函数，其表达式分别为：

$W_o\left(X_i\right)=\frac{1}{\sqrt{{2\mathrm{\π\σ}}_0}}{e}^{\frac{{-d}_0^2}{{2\mathrm{\σ}}_0^2}}---\left(2\right)$

$W_{p1}\left(X_i\right)=\frac{1}{\sqrt{{2\mathrm{\π\σ}}_1}}{e}^{\frac{{-d}_1^2}{{2\mathrm{\σ}}_1^2}}---\left(3\right)$

这样根据X_i的权重和方向线，就可建立点P的梯度邻域方向矢量。将直线的方向区间等分为N个子区间（在这里N的取值，根据精度要求设定）:

${\mathrm{\Δ}}_k\left[{\mathrm{\θ}}_{k-1,}{\mathrm{\θ}}_k\right)=[\frac{180(k-1)}{N},\frac{180k}{N}),$ 其中，K=1,2,...,N.(4)

对于存在区间的任何一个点X_i∈Ω，如果其方向线的方向θ(X_i)∈Δ_K，则可以采用如下的方法定义一个N维向量，V(X_i)=[v₀,v₁,...v_N-1]，其中：

在上式中，δ=|θ_k-θ_k-1|=180/N，而两个非零分量是X_i的权重在区间Δ_k两个端点方向上的线性插值。所以点p的梯度领域方向矢量可以采用如下的方法进行计算：

$H\left(p\right)=\underset{X_i\∈\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Σ}}V\left(X_i\right)---\left(5\right)$

P点梯度邻域方向矢量H(p)给出了梯度幅值在各个方向上的加权分布,我们称邻域方向矢量的分量h_n为方向矢量在方向θ_n上的能量。为了分析邻域内方向矢量所包含的图像局部结构信息，将邻域各个方向上的能量总和定义为方向矢量的总边缘能量。总边缘能量是点P的所有相关领域像素点边缘强度的累加。同时，在各个方向中,能量最大的方向定义为方向矢量的主方向,记为θ_M，方向矢量的主方向表示经过点p的边缘中最主要边缘的方向；而将在主方向附近的能量累加定义为方向矢量的主边缘能量,其中Δ是一个较小的正整数。方向矢量主边缘能量表示经过点P的边缘中最主要边缘的强度。同时，将总边缘能量与主边缘能量的差E_A=E_T-E_M定义为描述子的绝对角点能量。方向矢量的绝对角点能量表示经过点P的边缘中除最主要边缘外的其他边缘的强度，将绝对角点能量与主边缘能量的比值E_R=E_A/E_M定义为描述子的相对角点能量。其越小表明点P越接近一维边缘结构;反之说明点P附近存在多维结构。绝对角点能量和相对角点能量可以有效地揭示了梯度方向矢量中包含的图像角点结构信息，因此可以用来对Harris算法检测出的角点进行评价、选择和验证。为了检测到所需要的角点数目，去除伪角点，通过采用如下约束，即要求所检测的角点其绝对能量大于某个阈值,同时相对能量也大于某个阈值。

在本发明中，一旦有效的角点选定，为了精确地定位其坐标，通过拟合方向线交点的方法，来获取角点位置的精确坐标。一般地，根据角点类型，我们均可建模为两条或多条具有不同方向直线的交点，同时，将构成角点的直线定义为角点的相关方向线。基于这种方法定义的角点模型，就可以将求角点的定位问题可以简化为方向线交点的拟合问题。首先，假设图像中的点X_i(x_i,y_i),其梯度向量为grad(X_i)=[d_ix,d_iy],则经过点X_i(x_i,y_i)且与其梯度方向垂直的直线可表达为:

l_i：d_ixx+d_iyy-(d_ixx_i+d_iyy_i)＝0（6）

对系数向量的l_i的范数L²进行归一化,可得:

$l_{0i}:\frac{d_{\mathrm{ix}}}{\left|\right|l_i\left|\right|}x+\frac{d_{\mathrm{iy}}}{\left|\right|l_i\left|\right|}y-\frac{(d_{\mathrm{ix}}{x}_i+d_{\mathrm{iy}}{y}_i)}{\left|\right|l_i\left|\right|}=0,$ 其中： $l_i\sqrt{d_{\mathrm{ix}}^2+d_{\mathrm{iy}}^2+{(d_{\mathrm{ix}}{x}_i+d_{\mathrm{iy}}{y}_i)}^2}---\left(7\right)$

对于（7），定义l_oi为点X_i(x_i,y_i)方向线,且与该点的主要边缘方向一致。在理想的情况下，对位于角点相关线上的相关像素X_i(x_i,y_i)，其方向线l_oi与角点X_i(x_i,y_i)的一条相关线的方向一致，即：l_oiP^T=0。假设所检测出的角点P共有k个相关像素点,则得到角点P的k个线性约束：

l_oiP^T=0,(i=1,2,...,k)（8）

考虑到不同的相关像素应具有不同的重要性,对各约束进行加权,并整理成矩阵形式:

AP=0（9）

其中的A和P可有下列式子表示：

$A=\left[\begin{array}{ccc}\frac{d_{1x}}{f\left(X_1\right)}& \frac{d_{1y}}{f\left(X_1\right)}& -\frac{d_{1x}{x}_1+d_{1y}{y}_1}{f\left(X_1\right)}\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ \frac{d_{\mathrm{ix}}}{f\left(X_i\right)}& \frac{d_{\mathrm{iy}}}{f\left(X_i\right)}& -\frac{d_{\mathrm{ix}}{x}_i+d_{\mathrm{iy}}{y}_i}{f\left(X_i\right)}\\ ...& ...& ...\\ \frac{d_{\mathrm{kx}}}{f\left(X_k\right)}& \frac{d_{\mathrm{ky}}}{f\left(X_k\right)}& -\frac{d_{\mathrm{kx}}{x}_k+d_{\mathrm{ky}}{y}_k}{f\left(X_k\right)}\end{array}\right]$

而P=[x,y,1]^T表示角点P的齐次坐标，而其中W_R(X_i)为方向线的权重函数，利用最小线性二乘方法求解方程（9）,即可求得角点的亚像素的坐标位置。

对四极照明衍射元件来说，各个象限检测的角点，其实就是衍射光学器件在各个象限照明极开孔的四个角点（开孔图像的顶点），通过计算这四个顶点的坐标和器件的中心坐标，很容易获取理想开孔轨迹线，但实际上，由于加工设备和加工环境的影响，实际的加工出的轨迹与我们计算获取的理想轨迹是有差异的，本发明所提出的对照明衍射光学元器件加工质量的评价方法，就是通过比较两种对应加工轨迹线的偏离程度实现。其中一种轨迹线是衍射光学器件实际加工轨迹线，该轨迹线采用亚像素边缘提取算法，直接对衍射光学器件图像进行处理方法得到；另一种轨迹线是理想加工轨迹线，该轨迹线是通过检测出衍射器件中心及角点精确坐标后，根据圆的相关性质，通过数学方法计算得到。轨迹线包括器件内部各象限的开孔扇形边缘轨迹及器件外轮廓轨迹。

在项目的实施过程中，用成像系统的镜头前加装光反射抑制膜的方法来消除由被检测对象对光的反射，提高对检测对象的成像质量，获取清晰的衍射光学器件的检测区域图像，提高系统的检测精度。

本发明在实施过程中，可采用下列器材：

（1）PC机：其主要参数为：双核处理器，主频为3GHz，支持JPEG硬件编解码，最大支持8192×8192分辨率，内存为4GbitsDDR3。支持RGB24Bit接口及TVOUT视频输出。

（2）数字CCD：采用的CMOS型号为OV3460，2048*1536像素，成像区域大小为3626μmx2709μm，像素大小为1.75μmx1.75μm，最高速度可达30帧每秒。

（3）光源型号:环形红外光源，电气参数24v/8.6w，外形尺寸(mm)86×29×18，LED排数为5，带漫射片，环境温度为25°C时。

（4）光学镜头：M3Z1228C-MPFA工业300万象素镜头，规格Format：2/3"；接口方式：C；焦距（mm）：12-36（可变）；光圈（F）：2.8-16C；视场角（水平HOR）°：41.0-13.6；最近物像距离（M）：0.2；有效口径：前Front27.2;后Rear12.1；前置滤光镜螺纹35.5×0.5；外形尺寸W×H×Dmm）：41.6×53。

根据精度要求，先采用标准的模板对数字CCD及光学系统进行畸变矫正，再采用精度为10μm的标定板，对成像系统进行标定，以获取成像系统单个像素所对应的实际物理面积。本发明采用标准棋盘图像校正方法，采用标准棋盘图像方格的内角点为特征点，根据其在时间坐标平面与采集图像本身坐标的对应关系，求出摄像镜头的畸变参数，实现其矫正。然后，利用高精度的标定模板，对系统进行标定。

通过几何校正及高精度的标定模板进行标定后，能使整个检测区域不同位置检测目标的实际表面面积与其相对应的图像像素保持严格一致的比例关系。另外，考虑成像环境和内部电路产生噪声的原因，摄取的镜架图像往往存在随机分布的噪声，即高斯噪声，为了能准确地检测镜架及镜片图像边缘，需要对采集的图像去噪处理。本发明采用中值加均值的方法去除图像噪声。衍射光学器件的几何尺寸的智能化检测主要包括下列步骤：

（1）先对检测系统进行标定和校准，然后控制电控载物台运动到装片位置，将检测对象放置到预先指定的检测区域，然后使载片后的载物台向上运动，与光盾构成封闭状态。调整光源强度，并通过光学放大设备和高精度成像系统，获取衍射光学元件检测区域图像；

（2）对获取的图像进行滤波处理，消除成像过程中引入的光反射噪声，并对目标图像进行二值化处理；

（3）选择被检测器件的类型后，对获取的二值图像，采用图像处理技术，求出光学器件中心点及所有照明极开孔图形的角点位置坐标，根据圆的相关性质，计算出器件的几何技术参数。同时，采用亚像素边缘提取算法，提取衍射光学器件的加工的实际轨迹，通过与理想的加工轨迹线进行比较，计算其方差表示其偏离程度，实现照明衍射光学元器件的加工质量进行评价。如图4所示对衍射光学器件几何技术参数的检测过程流程图。

本发明具有实时性强、准确性高等特点，能满足衍射器件几何尺寸参数测量要求。

Claims (9)

1.一种照明衍射光学元件几何技术参数检测装置，包括计算机系统、电控系统和成像系统，其特征在于：所述计算机系统包括计算机(1)和显示器(2)，所述电控系统包括控制器(3)、电机(4)和电控载物台(5)，所述成像系统包括光盾(6)、LED光源(7)、镜头(8)和图像传感器(9)，所述显示器(2)与计算机(1)连接成一体，所述计算机(1)分别连接控制器(3)和图像传感器(9)，所述控制器(3)连接控制电机(4)，所述电机(4)的输出轴上水平布置有电控载物台(5)，所述电控载物台(5)正对上方设有的光盾(6)，所述光盾(6)上端的圆周内壁上设有LED光源(7)，所述光盾(6)顶部中间设有图像传感器(9)，所述图像传感器(9)的镜头(8)正对下方的电控载物台(5)且位于LED光源(7)的上端之间；所述光盾(6)为上下两端相通的空心圆柱体，上端的圆周内壁与图像传感器(9)的镜头(8)之间为LED光源(7)，下端的圆周外径与电控载物台(5)边缘相对应，所述电控载物台(5)、光盾(6)、LED光源(7)和图像传感器(9)的镜头(8)通过合围形成避光封闭系统。

2.根据权利要求1所述的一种照明衍射光学元件几何技术参数检测装置，其特征在于：所述LED光源(7)为可控光强红色LED环形光源。

3.根据权利要求1所述的一种照明衍射光学元件几何技术参数检测装置，其特征在于：所述电控系统安装在实验平台上，所述实验平台一侧的支架上连接有成像系统。

4.一种使用如权利要求1所述的照明衍射光学元件几何技术参数检测装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在电机(4)控制电控载物台(5)运行前，采用自带标准模板对成像系统镜头(8)畸变进行矫正，利用高精度的标定板对系统进行精确标定；

(2)对系统精确标定之后，将电控载物台(5)运动到最下方的装片位置，将检测对象放置到预先指定的检测区域，然后控制载片后的电控载物台(5)向上运动，使其与光盾(6)构成封闭状态，调整光源强度，并通过光学放大设备和高精度成像系统，获取衍射光学元件检测区域的图像；

(3)对获取的图像进行滤波处理，消除成像过程中引入的光反射噪声，并对目标图像进行二值化处理；

(4)在目标图像完成滤波处理与二值化处理之后，选择被检测器件的类型，采用图像处理方法求出光学器件中心点及所有照明极开孔图形的角点位置坐标，计算出衍射光学元件的几何技术参数，实现其智能测量，同时对照明衍射光学元件的加工质量进行评价。

5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于：所述步骤(4)中衍射光学元件几何技术参数是照明极的开孔角度θ₁、极方位角θ₂、环带外径R₁、内径R₂及环带内弧长和外弧长其测量方法是通过图像处理技术，求出光学器件中心点及所有照明极开孔的角点坐标位置，再根据圆的相关性质，通过数学计算方法得到。

6.根据权利要求4所述的方法,其特征在于：所述步骤(4)中衍射光学元件照明极开孔图形的角点检测与定位，是根据检测对象的类型，先确定开孔角点应具有的数目，然后采用Harris算法对角点进行初步检测，再用像素点能量的方法对角点进行选择与验证，最后通过拟合方向线交点的方法，精确计算出角点位置坐标。

7.根据权利要求4所述的方法,其特征在于：所述步骤(4)中测量器件的外径尺寸R时，先对获取光学器件图像的最外层封闭区域进行检测，提取衍射光学元件图像的外轮廓封闭曲线，在对其进行平滑处理后，作为衍射光学元件图像外轮廓边缘曲线，再在此基础上，求得其外径尺寸R。

8.根据权利要求4所述的方法,其特征在于：所述步骤(4)中对照明衍射光学元件加工质量进行评价，是通过计算两种对应加工轨迹线的方差表示其偏离程度实现，其中一种轨迹线是衍射光学元件实际加工轨迹线，该轨迹线采用亚像素边缘提取算法，直接对衍射光学元件图像进行处理方法得到；另一种轨迹线是理想加工轨迹线，该轨迹线是由检测出的衍射器件中心及照明极开孔图形角点位置坐标后，根据圆的相关性质，通过数学方法计算得到，轨迹线包括器件内部各照明极开孔图形边缘轨迹及器件外轮廓轨迹。

9.根据权利要求4所述的方法,其特征在于：所述步骤(2)采用可调节强度的环形LED红外光源及在成像系统的镜头前加装光反射抑制膜的方法，抑制被检测对象对光的反射，以获取清晰的衍射光学元件的检测区域图像。