CN103674977A - 大口径光学元件表面损伤检测装置和相应的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大口径光学元件表面损伤检测装置，该装置主要包括：专用夹具，对待检测光学元件进行定位和夹紧；激光自准直仪，安装于可检测到待检测光学元件的位置，用于检测待检测光学元件的姿态信息；线阵相机组件，安装于可观测到待检测光学元件的位置，用于获取待检测光学元件表面局部缩小的线阵图像；显微镜组件，安装于可观测到待检测光学元件的位置，用于获取待检测光学元件表面局部放大的面阵图像；扫描聚焦组件，对于待检测光学元件表面进行扫描、定位和聚焦；数据采集处理系统，对于专用夹具和扫描聚焦组件的运动进行控制，并对接收到的图像进行存储、处理和图像损伤信息分析。本发明具有广泛的应用前景和可观的社会经济效益。
Description
技术领域
本发明属于大口径光学元件表面损伤检测领域，具体地说是一种能够实现大口径光学元件表面损伤检测的装置和相应的检测方法。
背景技术
随着光学加工水平的快速发展，大口径光学元件的使用比重越来越大，如何能够快速高精度的进行大口径光学元件的表面损伤检测，近年来备受关注。国内外很多高校研究所也都对此开展了相关的研究工作，在光源选型、照明实验设计、CCD选择、扫描控制、损伤识别等方面都提出了比较实用和值得借鉴的方法，但仍然还存在着一些局限和不足，如检测精度差、检测效率低、检测对象单一、操作不便等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够克服上述不足、满足大口径光学元件表面损伤检测需求的检测装置和相应的检测方法。
为了实现上述目的，
根据本发明的一方面，提出一种大口径光学元件表面损伤检测装置，该装置包括：专用夹具、激光自准直仪、线阵相机组件、显微镜组件、扫描聚焦组件和数据采集处理系统，其中：
所述专用夹具固定安装在检测平台上，用于实现待检测光学元件的定位和夹紧，并根据数据采集处理系统的调整指令对待检测光学元件的姿态进行调整；
所述激光自准直仪安装于可检测到待检测光学元件的位置，用于检测待检测光学元件的姿态信息，并将检测到的姿态信息反馈给所述数据采集处理系统；
所述线阵相机组件安装于可观测到待检测光学元件的位置，用于获取待检测光学元件表面局部缩小的线阵图像，并将获取到的线阵图像发送给所述数据采集处理系统进行存储、处理和分析；
所述显微镜组件安装于可观测到待检测光学元件的位置，用于获取待检测光学元件表面局部放大的面阵图像，并将获取到的面阵图像发送给所述数据采集处理系统进行存储、处理和分析；
所述扫描聚焦组件与所述线阵相机组件、显微镜组件和激光自准直仪连接，用于根据所述数据采集处理系统的驱动指令运动，以实现所述线阵相机组件、所述显微镜组件或激光自准直仪对于待检测光学元件表面的扫描、定位和聚焦；
所述数据采集处理系统与所述激光自准直仪、线阵相机组件、显微镜组件和扫描聚焦组件连接，用于对于所述专用夹具和扫描聚焦组件的运动进行控制，并对接收到的图像进行存储、处理和图像损伤信息分析。
根据本发明的另一方面，还提出一种大口径光学元件表面损伤检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1，将待检测光学元件安装到专用夹具上进行定位和夹紧，并根据激光自准直仪的检测结果对待检测光学元件的姿态进行调整；
步骤2，驱动扫描聚焦组件中的前后聚焦轴运动，使得线阵相机组件中的相机镜头对待检测光学元件的表面进行聚焦；
步骤3，驱动扫描聚焦组件中的水平扫描轴和竖直扫描轴运动，将线阵相机组件中的相机镜头定位到待检测光学元件的左上角，并按照先竖直后水平的原则对待检测光学元件的表面进行线扫描成像，得到多幅局部缩小的线阵图像；
步骤4，将扫描得到的局部缩小的线阵图像进行拼接，得到待检测光学元件的整体表面图像，对该图像进行处理和损伤分析，可以得到待检测光学元件表面的损伤信息。
本发明能够实现长度尺寸在400-1000毫米之间方形平面光学元件的表面损伤离线检测，线阵相机可以识别的最小损伤点尺寸约为30微米，显微镜精确测量损伤点的尺寸精度优于5微米，损伤点位置估计精度优于50微米，本发明稍作改动即可用于非方形曲面光学元件的表面损伤离线检测，因此本发明具有广泛的应用前景和可观的社会经济效益。
附图说明
图1是本发明大口径光学元件表面损伤检测装置的结构示意图。
图2是利用本发明检测装置对大口径光学元件表面损伤进行检测的方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1是本发明大口径光学元件表面损伤检测装置的结构示意图，如图1所示，根据本发明的一方面，提供一种大口径光学元件表面损伤检测装置，该检测装置包括专用夹具1、激光自准直仪2、线阵相机组件3、显微镜组件4、扫描聚焦组件5和数据采集处理系统6，其中：
所述专用夹具固定安装在检测平台上，用于实现待检测光学元件的定位和夹紧，并根据数据采集处理系统的调整指令对待检测光学元件的姿态进行调整，待检测光学元件的姿态包括俯仰和偏摆角度等姿态；
在本发明一实施例中，所述专用夹具是一种柔性夹具，其可以实现厚度尺寸60-150毫米，长度尺寸400-1000毫米，宽度尺寸200-500毫米之间方形光学元件的定位和夹紧，如若需要夹持非方形光学元件，则仅需改变专用夹具的形状即可。
所述激光自准直仪是一种角度测量工具，其安装于可检测到待检测光学元件的位置，用于检测待检测光学元件的姿态信息，并将检测到的姿态信息反馈给所述数据采集处理系统。
所述线阵相机组件安装于可观测到待检测光学元件的位置，用于获取待检测光学元件表面局部缩小的线阵图像，并将获取到的线阵图像发送给所述数据采集处理系统进行存储、处理和分析；
所述线阵相机组件包括线阵CCD、相机镜头和线光源，其中，线光源用于照亮待检测光学元件表面的线区域，相机镜头用于将该区域成像到线阵CCD上，从而获取待检测光学元件表面局部缩小的线阵图像。
在本发明一实施例中，所述线阵CCD的行频最高可达几十KHz，所述线阵相机组件的分辨率为8.5微米。
所述显微镜组件安装于可观测到待检测光学元件的位置，用于获取待检测光学元件表面局部放大的面阵图像，并将获取到的面阵图像发送给所述数据采集处理系统进行存储、处理和分析；
所述显微镜组件包括面阵CCD、显微镜头和同轴光源，其中，所述同轴光源用于照亮待检测光学元件表面的面区域，显微镜头用于将该区域成像到面阵CCD上，从而获取待检测光学元件表面局部放大的面阵图像。
在本发明一实施例中，所述显微镜组件的放大倍数为0.71倍-4.5倍，最高分辨率为1.57微米。
所述扫描聚焦组件与所述线阵相机组件、显微镜组件和激光自准直仪连接，用于根据所述数据采集处理系统的驱动指令运动，以实现所述线阵相机组件、所述显微镜组件或激光自准直仪对于待检测光学元件表面的扫描、定位和聚焦；
所述扫描聚焦组件包括一个水平扫描轴、一个竖直扫描轴和一个前后聚焦轴，驱动所述前后聚焦轴运动可以实现所述线阵相机组件中的相机镜头或者所述显微镜组件中的显微镜头对待检测光学元件表面的聚焦，驱动所述水平扫描轴和竖直扫描轴运动可以实现相机镜头、显微镜头或者激光自准直仪对待检测光学元件表面的扫描和定位。
所述数据采集处理系统与所述激光自准直仪、线阵相机组件、显微镜组件和扫描聚焦组件连接，用于对于所述专用夹具和扫描聚焦组件的运动进行控制，并对接收到的图像进行存储、处理和图像损伤信息分析，具体地，所述数据采集处理系统接收所述激光自准直仪检测到的姿态信息，根据所述姿态信息向所述专用夹具发出调整指令，以对待检测光学元件的姿态进行调整；向所述扫描聚焦组件发出驱动指令，以实现所述线阵相机组件或所述显微镜组件对于待检测光学元件表面的扫描、定位和聚焦；接收所述线阵相机组件获取的线阵图像，并对其进行存储、处理和图像损伤信息分析；接收所述显微镜组件获取的面阵图像，并对其进行存储、处理和图像损伤信息分析；
所述数据采集处理系统包括显示器、上位机和下位机，其中，所述下位机负责利用图像采集卡实现图像的采集，利用运动控制器对相应组件运动的驱动控制；所述上位机负责图像的存储、处理和图像损伤信息分析，所述图像处理至少包括图像拼接，所述图像损伤信息分析至少包括损伤识别、损伤分割、损伤统计；所述显示器用于显示操作界面，提供人机互动的窗口，所述窗口包括图像显示区、图像参数设置区、图像处理区、运动组件参数控制区和损伤信息处理区。
根据本发明的另一方面，提供一种利用所述检测装置对于大口径光学元件的表面损伤进行检测的方法，如图2所示，所述方法包括以下步骤：
步骤1，将待检测光学元件安装到专用夹具上进行定位和夹紧，并根据激光自准直仪的检测结果对待检测光学元件的姿态进行调整；
步骤2，驱动扫描聚焦组件中的前后聚焦轴运动，使得线阵相机组件中的相机镜头对待检测光学元件的表面进行聚焦；
步骤3，驱动扫描聚焦组件中的水平扫描轴和竖直扫描轴运动，将线阵相机组件中的相机镜头定位到待检测光学元件的左上角，并按照先竖直后水平的原则对待检测光学元件的表面进行线扫描成像，得到多幅局部缩小的线阵图像；
步骤4，将扫描得到的局部缩小的线阵图像进行拼接，得到待检测光学元件的整体表面图像，对该图像进行处理和损伤分析，可以得到待检测光学元件表面的损伤信息，包括损伤尺寸、个数和位置等信息。
所述处理至少包括但不限于图像拼接；所述损伤分析至少包括损伤识别、损伤分割、损伤统计等。
所述方法还包括通过驱动扫描聚焦组件将显微镜组件中的显微镜头快速定位到待检测光学元件表面上损伤的感兴趣位置，获取感兴趣位置局部放大的面阵图像，以对损伤的感兴趣位置进行放大成像和进行更高精度的测量的步骤，所述扫描聚焦组件的驱动具体为：先驱动扫描聚焦组件中的扫描轴运动，再驱动扫描聚焦组件中的聚焦轴运动。
在本发明一实施例中，线阵相机组件中的线光源使用奥普特生产的型号为LS202的线光源、线阵CCD使用DASAL生产的型号为ES-8k的TDI线阵相机、相机镜头使用施耐德生产的Mako镜头，所述线阵相机组件的图像分辨率为8.5微米，单幅图像尺寸为1×8000，线扫描频率最高可达34kHz；显微镜组件中的同轴光源使用奥普特生产的型号为PI0803的点光源、面阵CCD使用Pointgray生产的Chameleon系列的1/3″靶面CCD、显微镜头使用Navitar生产的Zoom6000系列的显微镜头，所述显微镜组件的放大倍数为0.71倍-4.5倍可调，最高分辨率为1.57微米；扫描聚焦组件中使用卓立汉光生产的KSA系列的行程为800mm和500mm的电动位移平台、以及Sigma生产的型号为SGSP26-50的行程50mm的电动位移平台，其中，聚焦轴的重复定位精度为3μm，竖直扫描轴的定位精度为1μm，水平扫描轴的定位精度为20μm；所述激光自准直仪与柔性夹具是本发明自行研制的，该激光自准直仪的角度测量精度为5″，柔性夹具可夹持的光学元件的尺寸范围为厚度60-150毫米，长度400-1000毫米，宽度200-500毫米，该柔性夹具还可以对光学元件的偏转角和俯仰角进行调节，最小调节步长约10′。
实际中的应用证明，本发明实施方便，能够方便快速、高精度的实现大口径光学元件的表面损伤状态离线检测，可以满足大口径光学元件加工、清洗、输运、安装、使用过程中各个阶段的损伤情况的表面损伤状态离线检测的需求，为光学元件能否继续使用、修复或者作废提供判断依据。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种大口径光学元件表面损伤检测装置，其特征在于，该装置包括：专用夹具、激光自准直仪、线阵相机组件、显微镜组件、扫描聚焦组件和数据采集处理系统，其中：
所述专用夹具固定安装在检测平台上，用于实现待检测光学元件的定位和夹紧，并根据数据采集处理系统的调整指令对待检测光学元件的姿态进行调整；
所述激光自准直仪安装于可检测到待检测光学元件的位置，用于检测待检测光学元件的姿态信息，并将检测到的姿态信息反馈给所述数据采集处理系统；
所述线阵相机组件安装于可观测到待检测光学元件的位置，用于获取待检测光学元件表面局部缩小的线阵图像，并将获取到的线阵图像发送给所述数据采集处理系统进行存储、处理和分析；
所述显微镜组件安装于可观测到待检测光学元件的位置，用于获取待检测光学元件表面局部放大的面阵图像，并将获取到的面阵图像发送给所述数据采集处理系统进行存储、处理和分析；
所述扫描聚焦组件与所述线阵相机组件、显微镜组件和激光自准直仪连接，用于根据所述数据采集处理系统的驱动指令运动，以实现所述线阵相机组件、所述显微镜组件或激光自准直仪对于待检测光学元件表面的扫描、定位和聚焦；
所述数据采集处理系统与所述激光自准直仪、线阵相机组件、显微镜组件和扫描聚焦组件连接，用于对于所述专用夹具和扫描聚焦组件的运动进行控制，并对接收到的图像进行存储、处理和图像损伤信息分析。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，待检测光学元件的姿态包括俯仰和/或偏摆角度。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述专用夹具为柔性夹具。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述线阵相机组件包括线阵CCD、相机镜头和线光源，其中，线光源用于照亮待检测光学元件表面的线区域，相机镜头用于将该区域成像到线阵CCD上，从而获取待检测光学元件表面局部缩小的线阵图像。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述显微镜组件包括面阵CCD、显微镜头和同轴光源，其中，所述同轴光源用于照亮待检测光学元件表面的面区域，显微镜头用于将该区域成像到面阵CCD上，从而获取待检测光学元件表面局部放大的面阵图像。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述扫描聚焦组件包括一个水平扫描轴、一个竖直扫描轴和一个前后聚焦轴，所述前后聚焦轴用于实现所述线阵相机组件中的相机镜头或者所述显微镜组件中的显微镜头对待检测光学元件表面的聚焦；所述水平扫描轴和竖直扫描轴用于实现相机镜头、显微镜头或者激光自准直仪对待检测光学元件表面的扫描和定位。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据采集处理系统包括显示器、上位机和下位机，其中，所述下位机负责实现图像的采集，对相应组件运动的驱动控制；所述上位机负责图像的存储、处理和图像损伤信息分析；所述显示器用于显示操作界面，提供人机互动的窗口。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述图像处理包括图像拼接，所述图像损伤信息分析包括损伤识别、损伤分割、损伤统计。
9.一种大口径光学元件表面损伤检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1，将待检测光学元件安装到专用夹具上进行定位和夹紧，并根据激光自准直仪的检测结果对待检测光学元件的姿态进行调整；
步骤2，驱动扫描聚焦组件中的前后聚焦轴运动，使得线阵相机组件中的相机镜头对待检测光学元件的表面进行聚焦；
步骤3，驱动扫描聚焦组件中的水平扫描轴和竖直扫描轴运动，将线阵相机组件中的相机镜头定位到待检测光学元件的左上角，并按照先竖直后水平的原则对待检测光学元件的表面进行线扫描成像，得到多幅局部缩小的线阵图像；
步骤4，将扫描得到的局部缩小的线阵图像进行拼接，得到待检测光学元件的整体表面图像，对该图像进行处理和损伤分析，可以得到待检测光学元件表面的损伤信息。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过驱动扫描聚焦组件将显微镜组件中的显微镜头快速定位到待检测光学元件表面上损伤的感兴趣位置，获取感兴趣位置局部放大的面阵图像，以对损伤的感兴趣位置进行放大成像和进行更高精度的测量的步骤。
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