CN105157617A - 应用于球面光学元件表面缺陷检测的球面自动定中方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于球面光学元件表面缺陷检测的球面自动定中方法。本发明包括如下步骤：初始化球面定中单元，然后将球面光学元件移动至初始位置；Z方向进行扫描，并在扫描的过程中利用图像熵清晰度评价函数找到最清晰的十字叉丝像；其次判断十字叉丝为表面像还是球心像；若为表面像，沿Z向扫描找出球心像，并测量球面光学元件的曲率半径。若是球心像，则通过移动使球面光学元件的光轴与球面定中单元的光轴重合；最后通过最小二乘法最佳圆拟合方法拟合十字叉丝像的中心得到运动轨迹，完成十字叉丝像最大偏差的计算，并对最大偏差进行判断，从而完成轴系一致性调整。本发明实现了球面光学元件自动定中，极大地提高了定中效率及定中精度。

Description

应用于球面光学元件表面缺陷检测的球面自动定中方法

技术领域

本发明属于机器视觉检测技术领域，具体涉及一种应用于球面光学元件表面缺陷检测的球面自动定中方法。

背景技术

球面光学元件在大口径空间望远镜、惯性约束聚变(ICF)系统、高能激光等系统中被广泛应用，元件表面的缺陷特征如划痕、麻点等不但会影响光学系统成像质量，其在高能激光系统中还会产生不必要的散射与衍射从而造成能量损失进而有可能造成二次损伤，因此设计了一种球面光学元件表面缺陷评价系统和方法，实现球面光学元件表面缺陷的自动化精确定量评价。。

本发明基于已设计的球面光学元件表现缺陷评价系统和方法，提出一种应用于球面光学元件表面缺陷检测的自动定中方法，对球面光学元件曲率半径进行测量以及确定其曲率中心位置，实现待测球面光学元件检测姿态的初始化调整与参数测量。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种应用于球面光学元件表面缺陷检测的球面自动定中方法。具体包括如下步骤：

步骤1.初始化球面定中单元；

步骤2.将球面光学元件移动至初始位置；

步骤3.沿Z方向进行扫描，并在扫描的过程中利用图像熵清晰度评价函数找到最清晰的十字叉丝像；

步骤4.判断十字叉丝为表面像还是球心像，具体判断如下：

在X向和Y向进行微调，观察视场中的十字叉丝是否随之移动，如果跟随导轨移动则得到球面光学元件的球心像并跳转至步骤5；反之则得到球面光学元件的表面像，跳转至步骤9；

步骤5.在X向和Y向调节球面光学元件的位置，从而球面光学元件的光轴与球面定中单元的光轴重合；

步骤6.利用光学装调中采用的旋转测量法测量自旋转轴所在的位置；

步骤7.通过最小二乘法最佳圆拟合方法拟合十字叉丝像的中心的运动轨迹，从而得到运动轨迹的圆心；计算每幅十字叉丝像的中心到圆心的距离，完成十字叉丝像最大偏差的计算；

步骤8.对最大偏差进行判断，若最大偏差在容许误差范围内，则完成轴系一致性调整；若最大偏差大于最大容许误差，则说明球面光学元件的光轴与自旋转轴不重合，此时先通过调节自定心夹持机构使得十字叉丝像的中心移动至轨迹圆圆心，然后跳转至步骤5；

步骤9.沿Z轴移动至初始化得出的理论曲率中心位置处，然后沿Z方向进行扫描，并在扫描的过程中找到最清晰的十字叉丝像，然后跳转步骤5；同时记录Z轴从表面像移动至球心像的距离，从而得到球面光学元件的曲率半径，即Z轴移动的距离；

所述的球面定中单元包括光源、光源聚焦镜组、分划板、准直透镜、分束器、物镜、反光镜、成像镜和CCD；光源发出的光经过光源聚焦镜组照射在分划板上，分划板上刻有十字叉丝；随后光线经过准直透镜透射后进入分束器，经过分束器透射后再通过物镜照射在球面光学元件上，并在其表面发生反射，此时分划板上的十字叉丝所成的像为分划板像；反射光重新经过物镜后进入分束器，并在分束器发生反射；随后反射光通过反光镜反射以及成像镜最终聚焦在CCD上，将分划板上的十字叉丝成像在CCD上。

所述的初始位置是球面光学元件的光轴与球面定中单元的光轴重合的位置，该初始位置是通过对球面光学元件进行精确定中时得到的元件位置。

步骤6所述的利用光学装调中采用的旋转测量法测量自旋转轴所在的位置，具体如下：

自定心夹持机构下方安装有自旋转台，使球面光学元件能够进行自旋转动；且每次待自旋转台旋转30°后，CCD采集一幅十字叉丝像，随着自旋角度的不同，十字叉丝像在CCD视场上的位置也不同，大体轨迹为一个圆，其中圆心就是自旋转轴所在的位置。

本发明实现了球面光学元件曲率半径的自动化精确测量和球面光学元件的自动定中调整，完成了球面光学元件表面缺陷检测过程中的轴系一致性调整，实现球面光学元件光轴与带动其旋转的自旋机构转轴相重合。

附图说明

图1所示为球面定中单元的结构图。

图2A所示是与图1对应的分划板像与球面光学元件的曲率中心的位置有Z向偏差时的光路图。

图2B所示是与图1对应的分划板像与球面光学元件的曲率中心的位置有Z向偏差时CCD视场内十字叉丝像的示意图。

图3A所示是与图1对应的分划板像与球面光学元件的曲率中心的位置有X和Y向偏差时的光路图。

图3B所示是与图1对应的分划板像与球面光学元件的曲率中心的位置有X和Y向偏差时CCD视场内十字叉丝像的示意图。

图4所示是与图1对应的球面自动定中的流程图。

图5A所示是与图4对应的图像熵清晰度评价函数的曲线。

图5B所示是与图4对应的拟合十字叉丝运动轨迹圆圆心的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

球面定中单元为完成球面光学元件201的定中提供硬件基础。图1所示是球面定中单元的结构图。球面定中单元包括光源、光源聚焦镜组、分划板、准直透镜、分束器、物镜、反光镜、成像镜和CCD；球面定中单元中的光源601发出的光经过光源聚焦镜组602照射在分划板603上，分划板603上刻有十字叉丝。随后光线经过准直透镜604透射后进入分束器605，经过分束器605透射后再通过物镜606照射在球面光学元件201上，并在其表面发生反射，此时分划板603上的十字叉丝所成的像为分划板像610。反射光重新经过物镜606后进入分束器605，并在分束器605发生反射；随后反射光通过反光镜607反射以及成像镜608最终聚焦在CCD609上，将分划板603上的十字叉丝成像在CCD609上。

如图1所示，当经过物镜606的入射光聚焦在球面光学元件201的表面时，反射光与入射光关于球面定中单元的光轴615对称，因此反射光重新经过物镜606时又会变成平行光，最终在CCD609上形成清晰的十字叉丝像，此时清晰的十字叉丝像称为表面像。表面像在CCD609视场中的位置不会随球面光学元件201在X和Y方向上的微小移动而变化。在球面定中单元600随着Z向移动的过程中，当经过物镜606的入射光聚焦在球面光学元件的曲率中心202时，分划板像610位于球面光学元件的曲率中心202，反射光与入射光重合，因此也可以在CCD609上得到清晰的十字叉丝像，此时清晰的十字叉丝像称为球心像。因此，对于不同曲率半径的球面光学元件201，在Z轴导轨530移动的过程中，CCD609可以采集得到两次清晰的十字叉丝像，分别为表面像和球心像。同时，CCD609上能够得到十字叉丝图片，因此可以通过图片中十字叉丝的位置及清晰度来判断球面光学元件的曲率中心202的位置，判断过程如下：

图2A所示是与图1对应的分划板像610a与球面光学元件的曲率中心202的位置有Z向偏差时的光路图。此时，经过球心像的入射光与反射光不重合，因此在CCD609上会得到模糊的十字叉丝像，如图2B所示。另外，图3A所示是与图1对应的分划板像610b与球面光学元件的曲率中心202的位置有X和Y向偏差时的光路图。此时，球面光学元件的光轴205与球面定中单元的光轴615不重合，反射光线经过成像镜聚焦在CCD609上形成对焦清晰但不在视场中心的十字叉丝像，如图3B所示。因此，通过上述分析利用CCD609上十字叉丝像的不同状态就可以确定球面光学元件的曲率中心202在三维空间中的相对位置。

如图4所述，应用于球面光学元件表面缺陷检测的球面自动定中方法，具体包括如下步骤：

步骤1.初始化球面定中单元。

步骤2.将球面光学元件201移动至初始位置，所述的初始位置是球面光学元件的光轴205与球面定中单元的光轴615重合的位置，该初始位置是通过对球面光学元件201进行精确定中时得到的导轨位置。

步骤3.沿Z方向进行扫描，并在扫描的过程中利用图像熵清晰度评价函数找到最清晰的十字叉丝像，如图5A所示为图像熵清晰度评价函数的曲线。

步骤4.判断十字叉丝为表面像还是球心像，具体判断如下：

在X向和Y向进行微调，观察视场中的十字叉丝是否随之移动，如果移动则得到球面光学元件201的球心像并跳转至步骤5；反之则得到球面光学元件201的表面像，跳转至步骤9。

步骤5.在X向和Y向调节球面光学元件201的位置使十字叉丝像到视场中心，从而球面光学元件的光轴205与球面定中单元的光轴615重合。

步骤6.利用光学装调中采用的旋转测量法测量自旋转轴565所在的位置，具体如下：

球面光学元件下方安装自定心夹持机构，自定心加持机构下方安装有自旋转台，使球面光学元件201和自定心夹持机构可以随自旋转台进行自旋转动，将自旋转台的转轴记为自旋转轴每次待自旋转台旋转30°后，CCD609采集一幅十字叉丝像，随着自旋角度的不同，十字叉丝像在CCD609视场上的位置也不同，大体轨迹为一个圆，如图5B所示，其中圆心910就是自旋转轴所在的位置。

步骤7.通过最小二乘法最佳圆拟合方法拟合十字叉丝像的中心得到运动轨迹，从而得到运动轨迹的圆心。计算每幅十字叉丝像的中心到圆心的距离，完成十字叉丝像最大偏差的计算。

步骤8.对最大偏差进行判断，若最大偏差在容许误差范围内，则完成轴系一致性调整；若最大偏差大于最大容许误差，则说明球面光学元件的光轴205与自旋转轴不重合，此时先通过调节自定心夹持机构使得十字叉丝像的中心移动至轨迹圆圆心，然后跳转至步骤至5。

步骤9.沿Z向移动至初始化得出的理论曲率中心位置处，然后沿Z方向进行扫描，并在扫描的过程中找到最清晰的十字叉丝像，然后跳转步骤5；同时记录Z轴从表面像移动至球心像的距离，从而得到球面光学元件201的曲率半径(即Z向移动的距离)。

在球面定中过程中，调节自定心夹持机构使十字叉丝像的中心移动至轨迹圆圆心，此时就将球面光学元件的光轴205调节至与自旋转轴重合。沿X向和Y向使十字叉丝像移动到CCD609视场中心，此时就将球面光学元件的光轴205调节至与球面定中单元的光轴615重合。经过上述调整，球面光学元件的光轴205、自旋转轴与球面定中单元的光轴615重合，实现轴系一致性调整。

Claims (3)

1.应用于球面光学元件表面缺陷检测的球面自动定中方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1.初始化球面定中单元；

步骤2.将球面光学元件移动至初始位置；

步骤3.沿Z方向进行扫描，并在扫描的过程中利用图像熵清晰度评价函数找到最清晰的十字叉丝像；

步骤4.判断十字叉丝为表面像还是球心像，具体判断如下：

在X向和Y向进行微调，观察视场中的十字叉丝是否随之移动，如果跟随导轨移动则得到球面光学元件的球心像并跳转至步骤5；反之则得到球面光学元件的表面像，跳转至步骤9；

步骤5.在X向和Y向调节球面光学元件的位置，从而球面光学元件的光轴与球面定中单元的光轴重合；

步骤6.利用光学装调中采用的旋转测量法测量自旋转轴所在的位置；

步骤7.通过最小二乘法最佳圆拟合方法拟合十字叉丝像的中心的运动轨迹，从而得到运动轨迹的圆心；计算每幅十字叉丝像的中心到圆心的距离，完成十字叉丝像最大偏差的计算；

步骤8.对最大偏差进行判断，若最大偏差在容许误差范围内，则完成轴系一致性调整；若最大偏差大于最大容许误差，则说明球面光学元件的光轴与自旋转轴不重合，此时先通过调节自定心夹持机构使得十字叉丝像的中心移动至轨迹圆圆心，然后跳转至步骤5；

步骤9.沿Z向移动至初始化得出的理论曲率中心位置处，然后沿Z方向进行扫描，并在扫描的过程中找到最清晰的十字叉丝像，然后跳转步骤5；同时记录Z轴从表面像移动至球心像的距离，从而得到球面光学元件的曲率半径，即Z向移动的距离；

所述的球面定中单元包括光源、光源聚焦镜组、分划板、准直透镜、分束器、物镜、反光镜、成像镜和CCD；光源发出的光经过光源聚焦镜组照射在分划板上，分划板上刻有十字叉丝；随后光线经过准直透镜透射后进入分束器，经过分束器透射后再通过物镜照射在球面光学元件上，并在其表面发生反射，此时分划板上的十字叉丝所成的像为分划板像；反射光重新经过物镜后进入分束器，并在分束器发生反射；随后反射光通过反光镜反射以及成像镜最终聚焦在CCD上，将分划板上的十字叉丝成像在CCD上。

2.如权利要求1所述的应用于球面光学元件表面缺陷检测的球面自动定中方法，其特征在于所述的初始位置是球面光学元件的光轴与球面定中单元的光轴大体重合的位置。

3.如权利要求1所述的应用于球面光学元件表面缺陷检测的球面自动定中方法，其特征在于步骤6所述的利用光学装调中采用的旋转测量法测量自旋转轴所在的位置，具体如下：

自定心夹持机构下方安装有自旋转台，使球面光学元件能够进行自旋转动；且每次待自旋转台旋转30°后，CCD采集一幅十字叉丝像，随着自旋角度的不同，十字叉丝像在CCD视场上的位置也不同，大体轨迹为一个圆，其中圆心就是自旋转轴所在的位置。