CN107356608A - 大口径熔石英光学元件表面微缺陷快速暗场检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大口径熔石英光学元件表面微缺陷快速暗场检测方法，首先采用明场面阵CCD显微系统对光学元件进行定位，确定光学元件在绝对坐标系下的位置，再利用光谱共焦测距系统确定光学元件强激光辐照出光面方程，最后利用暗场线阵CCD显微系统对精确移动的大口径熔石英光学元件表面进行单向光栅式逐行快速扫描，获取微缺陷信息，并采用明场面阵CCD显微系统在线监测光学元件。本发明实现了对光学元件表面微缺陷进行全口径自动化扫描，大大提高检测效率，全口径光学元件表面微缺陷的快速扫描与检测时间可控制在30min以内。
Description
技术领域
本发明属于工程光学领域，具体涉及一种大口径熔石英光学元件表面微缺陷快速暗场检测方法。
背景技术
大口径熔石英光学元件是高功率固体激光装置的终端光学组件中应用最为普遍的光学元器件，它是一种典型的硬脆材料，在冷加工过程中易产生微裂纹、凹坑等表层或亚表层微缺陷，尤其是在高功率固体激光系统中，当大口径熔石英光学元件在三倍频紫外强激光的辐照下，更易于产生微裂纹、微凹坑等烧蚀点微缺陷。当微裂纹或微凹坑等烧蚀点微缺陷出现时，光学元件的通光性能、热力学特性会被弱化，严重影响了强激光输出的能流密度及光学元件的使用寿命。微缺陷产生后若不及时采取激光微修复等措施，损伤点将呈指数性增长，最终导致整个光学元件损坏。因此，有必要采用高效、高精度的方法将大口径熔石英光学元件的表面微缺陷快速、精确地搜寻并检测出来，以获取其不同尺度的信息特征，并且需要及时、准确描述出微缺陷的精确位置信息，以利于后续激光修复工艺参数的优化选择。
在现有检测手段中较为常用的是目测法，操作人员利用强光照射光学元件表面，利用微缺陷的散色特性从不同角度可观察到微缺陷的存在。目测法受操作人员的熟练度限制，每次检测都会导带有一定的主观性，长时间操作会导致眼睛疲劳，同时对于检测到的微缺陷尺寸和位置信息无法进行精确量化，检测准确度与效率都较低。随着技术的发展，出现了采用面阵CCD相机对熔石英光学元件表面进行全口径扫描检测的方法，该方法提高了检测的准确率，并且对获取的微缺陷图像进行数据处理以提取微缺陷的信息特征，可实现微缺陷信息的精确量化，但受限于面阵CCD相机的采集帧率，扫描速度需要保持在较低的范围内，大大降低了扫描效率。本专利提出采用线阵CCD 显微系统对大口径熔石英光学元件表面进行全口径快速扫描检测的方法，线阵CCD相机的行频高，采集图像时运动速度可为面阵CCD相机的3-5倍，通过优化算法实现对获取的图像进行实时图像处理，并实现大口径熔石英光学元件表面微缺陷的全自动扫描与图像拼接，极大地提高了检测效率，同时方法使用面阵CCD相机对获取的微缺陷进行在线监测，提高了微缺陷精确识别的准确率。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种一种大口径熔石英光学元件表面微缺陷快速暗场检测方法，包括以下步骤：
步骤一、将机床检测系统自动初始化，找到机床零点，以机床检测系统的二维运动平台为X,Y轴、显微检测系统为Z轴，建立机床检测系统的坐标系，即绝对坐标系；
步骤二、将熔石英光学元件安装在二维运动平台上；
步骤三、采用显微检测系统的明场面阵CCD显微系统确定熔石英光学元件的几何中心坐标值，以光学元件的几何中心为原点建立大口径熔石英光学元件的工件坐标系；
步骤四、采用显微检测系统的暗场线阵CCD显微系统对光学元件出光面进行全口径单向光栅式快速逐行扫描，获取出光面的扫描图像；
步骤五、对暗场线阵CCD显微系统扫描采集的微缺陷图像直接进行图像二值化处理，同时采用边扫描边处理的方法，将处理后的二值化图像进行拼接，提取在工件坐标系下的微缺陷特征信息，并根据工件坐标系与绝对坐标系的关系，将工件坐标系下的微缺陷坐标值转化为绝对坐标系下的坐标值；实现对大口径熔石英光学元件表面微缺陷的快速暗场检测。
优选的是，所述步骤三和步骤四之间还包括以下步骤：采用显微检测系统的光谱共焦测距系统测量位于Z轴的光谱共焦测距仪与熔石英光学元件出光面的精确距离，根据测量结果拟合出光面方程，对光学元件出光面的精确 位置进行修正，计算Z轴运动时的随动误差方程。
优选的是，所述明场面阵CCD显微系统由面阵CCD相机、可变焦光学显微镜头和同轴光源组成，面阵相机分辨率为2456×2058，像元大小为3.45μm×3.45μm，可变焦光学显微镜头的变焦范围是0.87x～10.5x，其工作距离为105mm。
优选的是，所述步骤三中，工件坐标系的建立过程为：移动安装熔石英光学元件的二维运动平台，将光学元件移动到明场面阵CCD显微系统视野中；移动二维运动平台，分别将光学元件上、下、左、右四个边界移动到明场面阵CCD显微系统视野中心，并记录各边在绝对坐标系下对应的坐标值；通过记录的四个边界坐标值计算光学元件几何中心的位置坐标，以此中心位置为原点建立工件坐标系和显微检测系统的相对坐标系。
优选的是，所述暗场线阵CCD显微系统由线阵CCD相机、不可变焦光学显微镜头、高亮型线阵光源组成，线阵相机分辨率为8192×2，像素尺寸为7.04μm×7.04μm，镜头放大倍率需实际测量，其工作距离为95mm，光源采用高亮型线阵光源，其入射角度为45°，工作距离为110mm。
优选的是，所述步骤四中，扫描的过程为：根据熔石英光学元件的口径大小，计算采用暗场线阵CCD显微系统的扫描区域和扫描起始点；采用单向光栅式逐行扫描的方式，以X轴方向为扫描方向，Y轴方向为步进方向，对熔石英光学元件表面微缺陷进行全口径扫描，获取微缺陷暗场扫描图像，完成微缺陷检测。
优选的是，所述步骤四中，按照扫描行与列的先后顺序将光学元件表面的扫描图像命名为XmYn；所述步骤五中，采用中值滤波、顶帽变换以及开运算方法对采集的微缺陷图像进行二值化处理；采用最小外接矩形包络法对二值化图像中的微缺陷信息进行提取，获取微缺陷尺寸和位置信息的像素数；根据图像XmYn的编号，计算微缺陷在熔石英光学元件工件坐标系下的像素位置；利用定标得到的像素与实际尺寸的转化系数，将微缺陷信息的尺寸和位置坐标的像素数转化为实际尺寸和工件坐标系下的坐标位置；按照光学元件口径的实际大小，将光学元件通光口径以外所有区域的干扰点进行去除；根据工件坐标系与绝对坐标系的关系，将工件坐标系下的微缺陷坐标值转化 为绝对坐标系下的坐标值，如下式(1)和式(2)：
X0＝XR+kx×(m×H+LY)+XC (1)
Y0＝YR+n×Yp+ky×LX+YC (2)
式中X0/Y0为目标缺陷点相对于(绝对坐标系)明场显微镜视野中心的X、Y坐标(mm)；XR/YR为(工件坐标系)暗场扫描起始点坐标(mm)；XC/YC为明场视野中心与暗场视野中心X、Y方向偏移量(mm)；m/n为子孔径输出图像的编码；LX/LY为缺陷点在该子孔径图像中的局部坐标(pixel)；kx/ky为暗场采集图像像素的转换系数(mm/pixel)；Yp为暗场扫描中Y方向步进值(mm)；H为暗场采集图像的高度(pixel)。
优选的是，所述的像素与实际尺寸的转化系数，采用刻有标准刻度的高精度分划板进行标定，分划板标准刻度尺范围0～16mm，刻度线宽10μm，最小测量长度100μm；像素与实际尺寸的转化系数包括X方向和Y方向两个方向上的转化系数；所述X方向像素与实际尺寸的转化系数标定方式如下：将分划板刻度沿X方向安装在光学元件夹具上，用暗场线阵CCD显微系统扫描分划板上标有刻度的部分，获取扫描图像；在获取的扫描图像中寻找相距较远的刻度线，以刻度线同一侧的像素点表示该刻度线的位置，分别记录两个刻度线的X和Y两个方向坐标，设刻度线1的坐标为(x1，y1)，其对应的刻度值为l1，刻度线2的坐标为(x2，y2)，其对应的刻度值为l2，则X方向像素与实际尺寸的转化系数kx为：
Y方向像素与实际尺寸的转化系数标定方式如下：将分划板刻度沿Y方向安装在光学元件夹具上，用暗场线阵CCD显微系统扫描分划板上标有刻度的部分，获取扫描图像，在获取的扫描图像中寻找相距较远的刻度线，以刻度线同一侧的像素点表示该刻度线的位置，分别记录两个刻度线的X和Y两个方向坐标，设刻度线3的坐标为(x3，y3)，其对应的刻度值为l3，刻度线4的坐标为(x4，y4)，其对应的刻度值为l4，则X方向像素与实际尺寸的转化系数ky为：
本发明至少包括以下有益效果：
(1)采用暗场线阵CCD显微系统进行快速扫描，扫描速度大大提高，扫描时间可小于15min；
(2)采用光谱共焦测距仪对光学元件出光面进行修正处理，计算Z轴补偿方程，提高光学元件表面微缺陷的检测精度，Z轴方向的位置精度监测可优于3μm；
(3)采用明场面阵CCD显微系统实现对光学元件的快速定位，大幅度节约了微缺陷的快速检测时间；
(4)采用明场面阵CCD显微系统对暗场线阵CCD显微系统检测到的微缺陷进行在线监测，可自动实现对微缺陷的可视化观测；
(5)该工艺方法实现对光学元件表面微缺陷进行全口径自动化扫描，大大提高检测效率，全口径光学元件表面微缺陷的快速扫描与检测时间可控制在30min以内。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本发明表面微缺陷暗场检测装置示意图；
图2为本发明明场面阵CCD显微系统寻找光学元件边界示意图；
图3为本发明熔石英光学元件出光面距离测量示意图；
图4为本发明微缺陷暗场扫描光源入射角度示意图；
图5为本发明光学元件单向光栅式扫描路径规划示意图；
图6为本发明微缺陷像素位置计算示意图；
图7为本发明暗场显微镜所采集到的部分刻划板图像；
图8为本发明光学元件表面微缺陷提取过程；
图9为本发明最小包络矩形法模型示意图；
图10为本发明微缺陷信息存储格式示意图；
图11为本发明光学元件表面微缺陷信息软件处理界面示意图；
图12为本发明光学元件表面微缺陷兴趣点明场显微镜视野图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本发明公开了一种大口径熔石英光学元件表面微缺陷快速暗场检测方法，首先采用明场面阵CCD显微系统对光学元件进行定位，确定光学元件在绝对坐标系下的位置，再利用光谱共焦测距系统确定光学元件强激光辐照出光面方程，最后利用暗场线阵CCD显微系统对精确移动的大口径熔石英光学元件表面进行单向光栅式逐行快速扫描，获取微缺陷信息，并采用明场面阵CCD显微系统在线监测光学元件。如图1所示为表面微缺陷暗场检测装置示意图，其检测方法具体包括以下步骤：
步骤一、将机床检测系统自动初始化，找到机床零点，以机床检测系统的二维运动平台为X,Y轴、显微检测系统为Z轴，建立机床检测系统的坐标系，即绝对坐标系；所述机床检测系统为大口径曲面光学元件表面微缺陷检测与激光修复系统(专利申请号：201510556896.6)，并配套开发的上位机控制软件，该系统定位精度±10μm，可对口径不大于500mm×500mm的光学元件进行全口径扫描处理；
步骤二、将熔石英光学元件通过夹具安装在二维运动平台上；所述二维运动平台为大口径光学元件表面微缺陷修复用垂直放置二维大行程移动装置(专利申请号：201510556900.9)，所述用于熔石英光学元件装夹的夹具为大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用快速装夹随行夹具(申请号：201610231493.9)，可实现对曲面类和平面类且口径不大于500mm×500mm的熔石英光学元件进行装夹；
步骤三、对于不同尺寸的熔石英光学元件，安装在夹具后其位置不固定，需用一定的检测手段对光学元件进行定位，采用显微检测系统的明场面阵CCD显微系统确定熔石英光学元件的几何中心坐标值，以光学元件的几何中 心为原点建立大口径熔石英光学元件的工件坐标系；所述明场面阵CCD显微系统由面阵CCD相机、可变焦光学显微镜头和同轴光源组成，面阵相机分辨率为2456×2058，像元大小为3.45μm×3.45μm，可变焦光学显微镜头的变焦范围是0.87x～10.5x，其工作距离为105mm，明场显微系统CCD采用反射光成像，因此视野中黑色区域表示微缺陷所在位置或无反射位置，白色区域为熔石英光学元件无缺陷位置，据此可判断光学元件的边界在明场CCD相机视野中的图像如图2所示，建立工件坐标系的具体步骤如下：
移动安装熔石英光学元件的精密二维运动平台，根据夹具对光学元件的粗定位，将光学元件移动到明场面阵CCD显微系统视野中；移动精密二维运动平台，分别将光学元件上、下、左、右四个边界移动到明场面阵CCD显微系统视野中心，并记录各边在绝对坐标系下对应的坐标值；通过记录的四个边界坐标值计算光学元件几何中心的位置坐标，以此中心位置为原点建立工件坐标系和显微检测系统的相对坐标系。
步骤四、由于熔石英光学元件安装时，其绕X轴和Y轴存在旋转误差，导致熔石英光学元件强激光辐照时出光表面与Z轴不垂直，需要对光学元件出光面进行修正，采用显微检测系统的光谱共焦测距系统测量位于Z轴的光谱共焦测距仪与熔石英光学元件出光面的精确距离，根据测量结果拟合出光面方程，对光学元件出光面的精确位置进行修正，计算Z轴运动时的随动误差方程；所述光谱共焦测距仪，其工作距离222.3mm，量程24mm，被测面最大倾角±5°，光斑直径100μm，轴向分辨率1.5μm，轴向精度3μm；熔石英光学元件安装于专用夹具上，会存在绕X轴和Y轴的旋转误差，导致熔石英光学元件强激光辐照时出光表面与Z轴不垂直，采用光谱共焦测距系统对光学元件出光面进行精确测距，拟合出光面修正方程。为了使测量结果准确可靠，结合步骤三中建立的工件坐标系和相对坐标系，规划出覆盖熔石英光学元件全口径的9个阵列测量点的坐标值，通过控制装载光学元件的精密二维运动平台自动快速测量9点的距离值，如图3所示，具体步骤如下：
根据熔石英光学元件的口径大小，计算3×3共9个虚拟阵列测量点的区域及工件坐标系下坐标值；将9个虚拟阵列测量点工件坐标系下的坐标值转换到相对坐标系下光谱共焦测距工位下的坐标值，移动装载熔石英光学元件 的精密二维运动平台，将虚拟测量点1移动到光谱共焦测距系统测距位置；根据规划的9个虚拟阵列测量点的坐标值，快速移动精密二维运动平台，自动测量出9点的距离值L，同时记录各点的坐标值(X,Y)；计算9个虚拟阵列测量点Z轴方向上的测量值与标定值L0的差值，其中标定值L0对应的Z轴坐标值为Z0；采用最小二乘法以9个坐标点(X,Y,Z0+L0-L)拟合出光学元件的出光面方程，以此作Z轴运动时的随动误差补偿方程。具体修改过程可参考专利文献(专利申请号：201510556896.6)；
步骤五、根据光学元件的口径大小，设置暗场线阵CCD显微系统的参数，包括扫描图片的分辨率、扫描速率、扫描行距等，对光学元件出光面进行全口径单向光栅式快速逐行扫描，获取出光面的扫描图像，并按照扫描行与列的先后顺序将光学元件表面的扫描图像命名为XmYn；所述暗场线阵CCD显微系统由线阵CCD相机、不可变焦光学显微镜头、高亮型线阵光源组成，线阵相机分辨率为8192×2，像素尺寸为7.04μm×7.04μm，镜头放大倍率需实际测量，其工作距离为95mm，光源采用高亮型线阵光源，其入射角度为45°，工作距离为110mm；如图4所示，为暗场线阵CCD显微系统成像原理图，其原理为散射光成像，当高亮型线阵光源以一定角度照射在熔石英光学元件表面时，若光学元件表面无微缺陷点，反射光以同样角度反射，不会进入线阵CCD显微镜视野，成像为黑色区域，若光学元件表面存在微缺陷点，入射光产生散色光进入到线阵CCD显微镜视野，成像为灰色或白色区域。因此根据扫描后的光学元件暗场图像来判断其是否存在微缺陷，具体步骤如下：
根据熔石英光学元件的口径大小，计算采用暗场线阵CCD显微系统的扫描区域和扫描起始点；采用单向光栅式逐行扫描的方式，以X轴方向为扫描方向，Y轴方向为步进方向，如图5所示，设置精密二维运动平台的扫描速度，包括X正向扫描速度、Y向步进速度以及X负向回程速度，设置Y向步进距离；设置线阵CCD相机的分辨率等参数，对熔石英光学元件表面微缺陷进行全口径扫描，获取微缺陷暗场扫描图像，并按照扫描行与列的先后顺序将光学元件表面的扫描图像命名为XmYn，完成微缺陷检测。
步骤六、对暗场线阵CCD显微系统扫描采集的微缺陷图像直接进行图像二值化处理，同时采用边扫描边处理的方法，将处理后的二值化图像进行拼 接，提取在工件坐标系下的微缺陷特征信息，并根据工件坐标系与绝对坐标系的关系，将工件坐标系下的微缺陷坐标值转化为绝对坐标系下的坐标值；实现对大口径熔石英光学元件表面微缺陷的快速暗场检测；该步骤具体采用的过程为：
采用中值滤波、顶帽变换以及开运算方法对采集的微缺陷图像XmYn进行二值化处理；采用最小外接矩形包络法对二值化图像中的微缺陷信息进行提取，获取微缺陷尺寸和位置信息的像素数；根据图像XmYn的编号，计算微缺陷在熔石英光学元件工件坐标系下的像素位置，如图6所示；利用定标得到的像素与实际尺寸的转化系数，将微缺陷信息的尺寸和位置坐标的像素数转化为实际尺寸和工件坐标系下的坐标位置；按照光学元件口径的实际大小，将光学元件通光口径以外所有区域的干扰点进行去除；根据工件坐标系与绝对坐标系的关系，将工件坐标系下的微缺陷坐标值转化为绝对坐标系下的坐标值，如下式(1)和式(2)：
X0＝XR+kx×(m×H+LY)+XC (1)
Y0＝YR+n×Yp+ky×LX+YC (2)
式中X0/Y0为目标缺陷点相对于(绝对坐标系)明场显微镜视野中心的X、Y坐标(mm)；XR/YR为(工件坐标系)暗场扫描起始点坐标(mm)，即工件原点在绝对坐标系的位置；XC/YC为明场视野中心与暗场视野中心X、Y方向偏移量(mm)；m/n为子孔径输出图像的编码；LX/LY为缺陷点在该子孔径图像中的局部坐标(pixel)；kx/ky为暗场采集图像像素的转换系数(mm/pixel)；Yp为暗场扫描中Y方向步进值(mm)；H为暗场采集图像的高度(pixel)；
所述的像素与实际尺寸的转化系数，采用刻有标准刻度的高精度分划板进行标定，分划板标准刻度尺范围0～16mm，刻度线宽10μm，最小测量长度100μm；像素与实际尺寸的转化系数包括X方向和Y方向两个方向上的转化系数；所述X方向像素与实际尺寸的转化系数标定方式如下：将分划板刻度沿X方向安装在光学元件夹具上，用暗场线阵CCD显微系统扫描分划板上标有刻度的部分，获取扫描图像；在获取的扫描图像中寻找相距较远的刻度线，以刻度线同一侧的像素点表示该刻度线的位置，分别记录两个刻度线的X和Y两个方向坐标，设刻度线1的坐标为(x1，y1)，其对应的刻度 值为l1，刻度线2的坐标为(x2，y2)，其对应的刻度值为l2，则X方向像素与实际尺寸的转化系数kx为：
Y方向像素与实际尺寸的转化系数标定方式如下：将分划板刻度沿Y方向安装在光学元件夹具上，用暗场线阵CCD显微系统扫描分划板上标有刻度的部分，获取扫描图像，在获取的扫描图像中寻找相距较远的刻度线，以刻度线同一侧的像素点表示该刻度线的位置，分别记录两个刻度线的X和Y两个方向坐标，设刻度线3的坐标为(x3，y3)，其对应的刻度值为l3，刻度线4的坐标为(x4，y4)，其对应的刻度值为l4，则X方向像素与实际尺寸的转化系数ky为：
表面微缺陷快速检测方法实例分析，利用上述方法对大口径熔石英光学元件表面微缺陷进行检测。光学抛光的Corning7980熔石英光学元件口径为430mm×430mm，检测表面为出光面。按照上述步骤对光学元件进行检测时，需要对暗场扫描参数进行以下设置：
1)像素与实际尺寸的转化系数的标定：
采用标准刻划板，如图7所示为暗场显微镜所采集到的部分刻划板图像(为显示效果，已将图片进行反色处理)，利用图中的标尺功能，对光学元件进行标定，标尺精度为0.1mm，刻线宽度为0.01mm。
按照上述步骤，分别对X方向和Y方向像素与实际尺寸的转化系数进行标定，采用多次重复测量求平均值的方法，标定结果如表1和表2所示，根据结果得到像素与实际尺寸的转化系数kx＝3.914μm，ky＝3.725μm。
表1 X方向像素与实际尺寸的转化系数标定结果
表2 Y方向像素与实际尺寸的转化系数标定结果
2)扫描区域设置
设置线阵CCD相机的分辨率为8192×8192，根据像素与实际尺寸的转化系数，得到单张图片的实际尺寸大小为32.063mm×30.515mm。
根据单张图片的大小，则图5中的扫描行宽为30.515mm，为对全口径进行扫描，则需要扫描行数为430÷30.515＝14.09行，每行的图片数为430÷32.063＝13.40张，由于光学元件通光域略小于全口径大小，因此，取扫描行数为14行，每行扫描图片为14张，最终获得扫描区域为448.88mm×427.21mm。
3)扫描时间计算
按照图5的所示的单向光栅式逐行扫描轨迹对熔石英光学元件进行全口径扫描，设置X正向扫描速度10mm/s，X负向回程速度40mm/s，Y向步进速度30mm/s，估算时间：
X正向扫描时间t1为
t1＝14×448.88÷10＝628.4s
X负向回程时间t2为
t2＝14×448.88÷40＝157.1s
Y正向扫描时间t3为
t3＝2×427.21÷30＝28.5s
则全口径扫描用时t为
t＝t1+t2+t2＝1628.4+157.1+28.5＝814s≈14min
在前期对光学元件进行定位和熔石英光学元件出光面方程修正过程中，基本实现自动化，能够快速完成，时间在15min左右，而在使用暗场线阵CCD显微系统对光学元件表面扫描的过程中采用边扫描边处理图像的策略，基本上实现扫描结束后，图像处理工作已完成，这样对大口径熔石英光学元件表 面微缺陷进行全口径检测的过程中共耗时30min，远低于现有面阵CCD相机扫描耗时60min。
4)扫描成像
在上述扫描方式下共生成14×14＝196张图片，按如图6方式对每张图片进行编号，编号为XmYn。采用中值滤波、顶帽变换以及开运算等方法对扫描的图像进行二值化处理，获取每张图片的微缺陷信息，信息包括缺陷位置及大小。如图8所示，为获取的某张边界图片及光学元件表面微缺陷信息提取过程。
图8a)为暗场CCD相机获取到的暗场扫描图像，该图像为灰度值图像，图中灰色区域表示该处有散射光进入到暗场CCD相机中，由图中可看出，微缺陷区域、光学元件边界和安装夹具均会对光有散射作用。图8a)中的微缺陷原图经过图像处理后得到图8b)二值化处理图像，该图中只有黑白区域，经过图像处理获取了微缺陷的大小及位置信息，但是图像处理无法识别图中光学元件边界和安装夹具，会把其当作微缺陷处理，而光学元件边界和安装夹具位置固定，因此通过边界剪裁的方式将剪裁边界以外的干扰区域全部去除，得到如图8c)所示的图像，图中的白色区域即为光学元件的微缺陷，其尺寸表征微缺陷的尺寸。
5)微缺陷信息提取
融石英光学元件表面微缺陷信息就是图像二值化处理后的得到的高亮像素集，需要按照某种特定的形式将其保存起来，并在下次调用时完全复现，这样才能保证图像分割工作的有效性。
微缺陷信息包括该缺陷点的大小、形状以及在当前图像上的坐标位置，一般用中心坐标表示。对图像进行二值化处理后，程序中已经遍历图片上的每一个像素点，这样就能对缺陷采用最小包络矩形法，以便对微缺陷信息记录与存储。如图9所示，为最小包络矩形的模型，其原理是包络矩形的面积最小。以包络矩形的中心作为该微缺陷点的中心坐标值，以该包络矩形的长作为该缺陷点的尺寸。
如图10所示为微缺陷信息提取后存储的格式，对于一张编号为XmYn的微缺陷图片其表示为第(m-1)行、(n-1)列的图片，即图10中的IDX 和IDY值。图10中坐标X和坐标Y代表微缺陷最小包络矩形的中心像素坐标，直径代表最小包络矩形的长边像素长度。
6)明场监测微缺陷
为了对暗场线阵CCD显微系统识别到的熔石英光学元件表面微缺陷进行下一步的处理，即CO2红外激光修复，需要采用明场面阵CCD显微系统对微缺陷的形貌进行在线监测，便于操作人员观察该微缺陷的特征信息，为操作人员后续CO2激光修复微缺陷参数提供参考。在自行开发的软件中加载存储的微缺陷信息，如图11所示，该操作界面可实现对微缺陷尺寸范围进行筛选，在右侧边框显示每个微缺陷的信息，并对微缺陷兴趣点进行操作，将兴趣缺陷点自动移动到明场面阵CCD显微系统视野中心，便于操作人员观察，如图12所示。
通过以上步骤实现了大口径光学元件表面微缺陷的检测，并给出了每个缺陷的大小、位置等信息，为后续激光修复操作进行做准备。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (8)
1.一种大口径熔石英光学元件表面微缺陷快速暗场检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将机床检测系统自动初始化，找到机床零点，以机床检测系统的二维运动平台为X,Y轴、显微检测系统为Z轴，建立机床检测系统的坐标系，即绝对坐标系；
步骤二、将熔石英光学元件安装在二维运动平台上；
步骤三、采用显微检测系统的明场面阵CCD显微系统确定熔石英光学元件的几何中心坐标值，以光学元件的几何中心为原点建立大口径熔石英光学元件的工件坐标系；
步骤四、采用显微检测系统的暗场线阵CCD显微系统对光学元件出光面进行全口径单向光栅式快速逐行扫描，获取出光面的扫描图像；
步骤五、对暗场线阵CCD显微系统扫描采集的微缺陷图像直接进行图像二值化处理，同时采用边扫描边处理的方法，将处理后的二值化图像进行拼接，提取在工件坐标系下的微缺陷特征信息，并根据工件坐标系与绝对坐标系的关系，将工件坐标系下的微缺陷坐标值转化为绝对坐标系下的坐标值；实现对大口径熔石英光学元件表面微缺陷的快速暗场检测。
2.如权利要求1所述的大口径熔石英光学元件表面微缺陷快速暗场检测方法，其特征在于，所述步骤三和步骤四之间还包括以下步骤：采用显微检测系统的光谱共焦测距系统测量位于Z轴的光谱共焦测距仪与熔石英光学元件出光面的精确距离，根据测量结果拟合出光面方程，对光学元件出光面的精确位置进行修正，计算Z轴运动时的随动误差方程。
3.如权利要求1所述的大口径熔石英光学元件表面微缺陷快速暗场检测方法，其特征在于，所述明场面阵CCD显微系统由面阵CCD相机、可变焦光学显微镜头和同轴光源组成，面阵相机分辨率为2456×2058，像元大小为3.45μm×3.45μm，可变焦光学显微镜头的变焦范围是0.87x～10.5x，其工作距离为105mm。
4.如权利要求1所述的大口径熔石英光学元件表面微缺陷快速暗场检测 方法，其特征在于，所述步骤三中，工件坐标系的建立过程为：移动安装熔石英光学元件的二维运动平台，将光学元件移动到明场面阵CCD显微系统视野中；移动二维运动平台，分别将光学元件上、下、左、右四个边界移动到明场面阵CCD显微系统视野中心，并记录各边在绝对坐标系下对应的坐标值；通过记录的四个边界坐标值计算光学元件几何中心的位置坐标，以此中心位置为原点建立工件坐标系和显微检测系统的相对坐标系。
5.如权利要求1所述的大口径熔石英光学元件表面微缺陷快速暗场检测方法，其特征在于，所述暗场线阵CCD显微系统由线阵CCD相机、不可变焦光学显微镜头、高亮型线阵光源组成，线阵相机分辨率为8192×2，像素尺寸为7.04μm×7.04μm，镜头放大倍率需实际测量，其工作距离为95mm，光源采用高亮型线阵光源，其入射角度为45°，工作距离为110mm。
6.如权利要求1所述的大口径熔石英光学元件表面微缺陷快速暗场检测方法，其特征在于，所述步骤四中，扫描的过程为：根据熔石英光学元件的口径大小，计算采用暗场线阵CCD显微系统的扫描区域和扫描起始点；采用单向光栅式逐行扫描的方式，以X轴方向为扫描方向，Y轴方向为步进方向，对熔石英光学元件表面微缺陷进行全口径扫描，获取微缺陷暗场扫描图像，完成微缺陷检测。
7.如权利要求1所述的大口径熔石英光学元件表面微缺陷快速暗场检测方法，其特征在于，所述步骤四中，按照扫描行与列的先后顺序将光学元件表面的扫描图像命名为XmYn；所述步骤五中，采用中值滤波、顶帽变换以及开运算方法对采集的微缺陷图像进行二值化处理；采用最小外接矩形包络法对二值化图像中的微缺陷信息进行提取，获取微缺陷尺寸和位置信息的像素数；根据图像XmYn的编号，计算微缺陷在熔石英光学元件工件坐标系下的像素位置；利用定标得到的像素与实际尺寸的转化系数，将微缺陷信息的尺寸和位置坐标的像素数转化为实际尺寸和工件坐标系下的坐标位置；按照光学元件口径的实际大小，将光学元件通光口径以外所有区域的干扰点进行去除；根据工件坐标系与绝对坐标系的关系，将工件坐标系下的微缺陷坐标值转化为绝对坐标系下的坐标值，如下式(1)和式(2)：
X0＝XR+kx×(m×H+LY)+XC (1)
Y0＝YR+n×Yp+ky×LX+YC (2)
式中X0/Y0为目标缺陷点相对于明场显微镜视野中心的X、Y坐标(mm)；XR/YR为暗场扫描起始点坐标(mm)；XC/YC为明场视野中心与暗场视野中心X、Y方向偏移量(mm)；m/n为子孔径输出图像的编码；LX/LY为缺陷点在该子孔径图像中的局部坐标(pixel)；kx/ky为暗场采集图像像素的转换系数(mm/pixel)；Yp为暗场扫描中Y方向步进值(mm)；H为暗场采集图像的高度(pixel)。
8.如权利要求7所述的大口径熔石英光学元件表面微缺陷快速暗场检测方法，其特征在于，所述的像素与实际尺寸的转化系数，采用刻有标准刻度的高精度分划板进行标定，分划板标准刻度尺范围0～16mm，刻度线宽10μm，最小测量长度100μm；像素与实际尺寸的转化系数包括X方向和Y方向两个方向上的转化系数；所述X方向像素与实际尺寸的转化系数标定方式如下：将分划板刻度沿X方向安装在光学元件夹具上，用暗场线阵CCD显微系统扫描分划板上标有刻度的部分，获取扫描图像；在获取的扫描图像中寻找相距较远的刻度线，以刻度线同一侧的像素点表示该刻度线的位置，分别记录两个刻度线的X和Y两个方向坐标，设刻度线1的坐标为(x1，y1)，其对应的刻度值为l1，刻度线2的坐标为(x2，y2)，其对应的刻度值为l2，则X方向像素与实际尺寸的转化系数kx为：
Y方向像素与实际尺寸的转化系数标定方式如下：将分划板刻度沿Y方向安装在光学元件夹具上，用暗场线阵CCD显微系统扫描分划板上标有刻度的部分，获取扫描图像，在获取的扫描图像中寻找相距较远的刻度线，以刻度线同一侧的像素点表示该刻度线的位置，分别记录两个刻度线的X和Y两个方向坐标，设刻度线3的坐标为(x3，y3)，其对应的刻度值为l3，刻度线4的坐标为(x4，y4)，其对应的刻度值为l4，则X方向像素与实际尺寸的转化系数ky为：
。
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