CN107860776A - 一种镜片缺陷检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种镜片缺陷检测装置及方法，通过使用振镜扫描检测，结合机器视觉控制可以实时反馈检测过程，并通过振镜控制光源对镜片表面的各个点位置进行扫描式检测；原路返回的样品信号光与参考臂原路返回的参考信号光干涉后形成干涉光信号后，对干涉光信号进行二维图像重建，提取重建后的镜片平面信号变化曲线，与标准镜片曲线进行比较，就可以知道镜片是否存在缺陷；整个镜片缺陷检测装置的结构设置合理，满足使用要求。

Description

一种镜片缺陷检测装置及方法
技术领域
本发明涉及工业检测领域，尤其涉及一种镜片缺陷检测装置及方法。
背景技术
镜片质量检测仪器广泛应用于镜片的出产检测以及长时间使用后的受损程度检测，如相机镜头的安装使用、光学仪器搭建都需要先对镜片进行检测。因为该类仪器使用镜片的精度要求较高，所以需要对镜片表面是否磨损、缺陷、光滑程度进行检测，因此对于工业生产高精密度的镜片的质量检测均要求精度高，效率高。
但是，现有技术对镜片的缺陷检测方法是将光源与相机垂直往下且固定不动，通过电机移动样品镜片进行多个位置点的测量来评估该待测镜片的缺陷问题。该技术的缺点在于无法对整个样品镜片的各个位置进行测量，只是通过待测镜片的多个样品点数据评估得出整体镜片的缺陷程度，且由于该仪器检测过程需要多次移动待测样品，因此在工业生产镜片的检测中会耗费大量的时间，导致现有的技术在精准性及效用性方面不足。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种镜片缺陷检测装置及方法，旨在解决现有的镜片缺陷检测仪器无法对整个镜片的各个位置进行测量，无法保证检测质量，且检测时需要多次移动待测样品，检测时间长、效率低的问题。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种镜片缺陷检测装置，其中，包括：
光源；
光纤耦合器；
用于获得参考信号光束的参考臂；
用于获得待测镜片的样品信号光束的的样品臂；
用于将参考信号光束和镜片样品信号光束干涉后形成的干涉光信号进行二维图像重建，提取重建后的镜片平面信号变化曲线，将重建的镜片平面信号变化曲线与标准镜片曲线进行比较，判断待测镜片是否存在缺陷的控制器；
所述光源、参考臂、样品臂、控制器分别与光纤耦合器连接：光源发出的光入射到光纤耦合器，经过光纤耦合器分为分成参考光和样品光两束光源，参考光经过参考臂后形成参考信号光束，参考信号光束沿原光路返回至光纤耦合器，样品光经过样品臂控制对待测镜片表面的各个点位置进行扫描式检测，获得待测镜片不同位置的样品信号光束，样品信号光束沿原光路返回至光纤耦合器，参考信号光束和样品信号光束在光纤耦合器中发生干涉，形成干涉光信号，控制器获得干涉光信号，控制器将干涉光信号进行二维图像重建，提取重建后的镜片平面信号变化曲线，将重建的镜片平面信号变化曲线与标准镜片曲线进行比较，判断待测镜片是否存在缺陷。
所述的镜片缺陷检测装置，其中，所述镜片缺陷检测装置还包括CCD相机和第一凸透镜组，所述CCD相机与控制器连接，第一凸透镜组与光纤耦合器连接，干涉光信号经过第一凸透镜组聚焦后被CCD相机获取，CCD相机将获取的干涉光信号反馈至控制器进行处理。
所述的镜片缺陷检测装置，其中，所述参考臂包括第一准直镜、第二凸透镜组、反射镜和步进电机，所述反射镜设置在步进电机上，由步进电机带动移动，所述步进电机由控制器控制：由光纤耦合器出射的参考光经过第一准直镜准直后进入第二凸透镜组，由第二凸透镜组聚焦后出射至反射镜，由于反射镜设置在步进电机上，随着步进电机移动改变参考端反射镜的位置从而改变反射光的光程参考位置，并原路反射参考信号光束至光纤耦合器。
所述的镜片缺陷检测装置，其中，所述样品臂包括第二准直镜、振镜系统、USB相机和半透半反镜，待测镜片置于半透半反镜的下方，所述USB相机与控制器连接，振镜系统与控制器连接，由控制器控制：由光纤耦合器出射的样品光通过第二准直器准直后直射至振镜系统的镜片中心，经由振镜系统反射到达半透半反镜，使样品光垂直照射至待测镜片表面；通过USB相机获取待测镜片的大小、形状、位置信息并反馈至控制器，控制器将待测镜片的大小、形状、位置信息转化为振镜偏转电压来控制振镜系统实现偏转，从而对待测镜片进行扫描式的检测；将待测镜片反射的样品信号光束沿原光路返回至光纤耦合器。
所述的镜片缺陷检测装置，其中，所述振镜系统包括第一振镜和第二振镜，所述第一振镜和第二振镜互相垂直设置，由光纤耦合器出射的样品光通过第二准直器准直后直射至第一振镜的镜片中心，经由第一振镜、第二振镜两次反射到达半透半反镜，使样品光垂直照射至待测镜片表面。
所述的镜片缺陷检测装置，其中，控制器获得的干涉光信号强度IRS与待测镜片不同位置Zi关系如下：
将式1经过傅里叶变换，将干涉光光强信号从波矢空间变换到坐标空间，得到式2：
其中，z表示光源4出射的激光到待测镜片位置点的长度与参考光强度之差，AR为参考光的振幅，AS为样品光的振幅，zj为等光程面的高度，为相位差，IRS(k)是干涉光信号强度。
一种如上述任意一项所述的镜片缺陷检测装置的检测方法，其中，具体包括以下步骤：
步骤S1：将待测镜片放置于半透半反镜的下方，调整样品臂，使样品光垂直照射至待测镜片表面；
步骤S2：控制光源发出的光入射到光纤耦合器，经过光纤耦合器分为分成参考光和样品光两束光源；
步骤S3：参考光经过参考臂后形成参考信号光束，参考信号光束沿原光路返回至光纤耦合器，样品光经过样品臂控制对镜片表面的各个点位置进行扫描式检测，获得镜片不同位置的样品信号光束，样品信号光束沿原光路返回至光纤耦合器；
步骤S4：参考信号光束和样品信号光束在光纤耦合器中发生干涉，形成干涉光信号；
步骤S5：控制器获得干涉光信号，控制器将干涉光信号进行二维图像重建，提取重建后的镜片平面信号变化曲线，将重建的镜片平面信号变化曲线与标准镜片曲线进行比较，判断待测镜片是否存在缺陷。
所述的镜片缺陷检测装置的检测方法，其中，所述参考光经过参考臂后形成参考信号光束，参考信号光束沿原光路返回至光纤耦合器，具体过程如下：参考光经过第一准直镜准直后进入第二凸透镜组，由第二凸透镜组聚焦后出射至反射镜，随着步进电机移动改变参考端反射镜的位置从而改变反射光的光程参考位置，并原路反射参考信号光束至光纤耦合器。
所述的镜片缺陷检测装置的检测方法，其中，所述样品光经过样品臂控制对镜片表面的各个点位置进行扫描式检测，获得镜片不同位置的样品信号光束，样品信号光束沿原光路返回至光纤耦合器，具体过程如下：样品光通过第二准直器准直后直射至振镜系统的镜片中心，经由振镜系统反射到达半透半反镜，使样品光垂直照射至待测镜片表面；通过USB相机获取待测镜片的大小、形状、位置信息并反馈至控制器，控制器将待测镜片的大小、形状、位置信息转化为振镜偏转电压来控制振镜系统实现偏转，从而对待测镜片进行扫描式的检测；将待测镜片反射的样品信号光束沿原光路返回至光纤耦合器。
所述的镜片缺陷检测装置的检测方法，其中，对待测镜片进行扫描式检测的检测方向为：以待测镜片的X轴方向长度为单次检测的单位标准长度，以该单位标准长度向Y轴方向进行扫描检测。
本发明的工作过程和原理是：光源发出的光入射到光纤耦合器，经过光纤耦合器分为分成参考光和样品光两束光源，参考光经过参考臂后形成参考信号光束，参考信号光束沿原光路返回至光纤耦合器，样品光经过样品臂控制对镜片表面的各个点位置进行扫描式检测，获得镜片不同位置的样品信号光束，样品信号光束沿原光路返回至光纤耦合器，参考信号光束和样品信号光束在光纤耦合器中发生干涉，形成干涉光信号，控制器获得干涉光信号，控制器将干涉光信号进行二维图像重建，提取重建后的镜片平面信号变化曲线，将重建的镜片平面信号变化曲线与标准镜片曲线进行比较，判断待测镜片是否存在缺陷。
与现有技术相比，本发明还具有以下优点：
(1)精准性：本技术方案中加入振镜系统，使光源垂直照射到振镜系统的第一振镜的镜片中心上，控制器1控制振镜系统偏转带动光源对待测镜片每个点位置进行扫描式检测，实现待测镜片的全面性检测，大大提高了样品检测的精准性。
(2)高效性：振镜是一种优良的矢量扫描器件，以探头直流电压信号直接控制反射镜完成细微角度偏转，以实现激光位置的移动，由于光学振镜的偏转频率高，因此可以实现对待测镜片每次进行线的扫描式的检测(即以待测镜片的X轴方向长度为单次检测的单位标准长度，以该单位标准长度向Y轴方向进行扫描检测)，大大降低了检测的时间，提高工业检测的效率。
(3)本镜片缺陷检测装置测试速度快，可以对样品实现多次重复性实验测试，保证检测质量。
附图说明
图1是本发明所提供的镜片缺陷检测装置的结构示意图。
图2是本发明所提供的镜片缺陷检测装置的检测方法的步骤流程图。
上述附图中的标号说明：
1—控制器，2—CCD相机，3—第一凸透镜组，4—光源，5—光纤耦合器，6—第一准直器，7—第二凸透镜组，8—反射镜，9—步进电机，10—第二准直器，11—USB相机，12—半透半反镜，13—振镜系统，14—待测镜片，15—参考臂，16—样品臂。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种镜片缺陷检测装置，包括：
光源4；
光纤耦合器5；
用于获得参考信号光束的参考臂15；
用于获得待测镜片的样品信号光束的的样品臂16；
用于将参考信号光束和镜片样品信号光束干涉后形成的干涉光信号进行二维图像重建，提取重建后的镜片平面信号变化曲线，将重建的镜片平面信号变化曲线与标准镜片曲线进行比较，判断待测镜片是否存在缺陷的控制器1；
所述光源4、参考臂15、样品臂16、控制器1分别与光纤耦合器5连接：光源4发出的光入射到光纤耦合器5，经过光纤耦合器5分为分成参考光和样品光两束光源，参考光经过参考臂15后形成参考信号光束，参考信号光束沿原光路返回至光纤耦合器5，样品光经过样品臂16控制对待测镜片表面的各个点位置进行扫描式检测，获得待测镜片不同位置的样品信号光束，样品信号光束沿原光路返回至光纤耦合器5，参考信号光束和样品信号光束在光纤耦合器中发生干涉，形成干涉光信号，控制器1获得干涉光信号，控制器1将干涉光信号进行二维图像重建，提取重建后的镜片平面信号变化曲线，将重建的镜片平面信号变化曲线与标准镜片曲线进行比较，判断待测镜片是否存在缺陷。
具体地，为了使控制器1准确获取干涉光信号，所述镜片缺陷检测装置还包括CCD相机2和第一凸透镜组3，所述CCD相机2与控制器1连接，第一凸透镜组3与光纤耦合器5连接，干涉光信号经过第一凸透镜组3聚焦后被CCD相机2获取，CCD相机2将获取的干涉光信号反馈至控制器1进行处理。
具体地，所述参考臂15包括第一准直镜6、第二凸透镜组7、反射镜8和步进电机9，所述反射镜8设置在步进电机9上，由步进电机9带动移动，所述步进电机9由控制器1控制：由光纤耦合器5出射的参考光经过第一准直镜6准直后进入第二凸透镜组7，由第二凸透镜组7聚焦后出射至反射镜8，由于反射镜8设置在步进电机9上，随着步进电机9移动改变参考端反射镜8的位置从而改变反射光的光程参考位置，并原路反射参考信号光束至光纤耦合器5。
具体地，所述样品臂16包括第二准直镜10、振镜系统13、USB相机11和半透半反镜12，待测镜片置于半透半反镜12的下方，所述USB相机11与控制器1连接，振镜系统13与控制器1连接，由控制器1控制：由光纤耦合器5出射的样品光通过第二准直器10准直后直射至振镜系统13的镜片中心，经由振镜系统13反射到达半透半反镜12，使样品光垂直照射至待测镜片14表面；通过USB相机11获取待测镜片的大小、形状、位置信息并反馈至控制器1，控制器1将待测镜片的大小、形状、位置信息转化为振镜偏转电压来控制振镜系统13实现偏转，从而对待测镜片进行扫描式的检测(检测方向为：以待测镜片的X轴方向长度为单次检测的单位标准长度，以该单位标准长度向Y轴方向进行扫描检测)；将待测镜片反射的样品信号光束沿原光路返回至光纤耦合器5与参考臂15返回的参考信号光束进行干涉，形成干涉光信号，通过采集整个待测镜片不同位置的参考信号光束与参考臂15返回的参考信号光束进行的信号干涉，重建出待测镜片的表面二维位置结构。
具体地，为了使结构简单紧凑，所述振镜系统13包括第一振镜(沿X轴方向设置，又称X轴振镜)和第二振镜(沿Y轴方向设置，又称Y轴振镜)，所述第一振镜和第二振镜互相垂直设置，由光纤耦合器5出射的样品光通过第二准直器10准直后直射至第一振镜的镜片中心，经由第一振镜、第二振镜两次反射到达半透半反镜12，使样品光垂直照射至待测镜片14表面。
具体地，CCD相机2采集到的干涉光信号强度IRS与位置Zi关系如式1：
将式1经过傅里叶变换，将干涉光光强信号从波矢空间变换到坐标空间，得到式2：
其中，z表示光源4出射的激光到待测镜片位置点的长度与参考光强度之差，AR为参考光的振幅，AS为样品光的振幅，zj为等光程面的高度，为相位差，IRS(k)是干涉光信号强度。通过扫描获取待测镜片的各个点位置的空间位置后进行二维结构重建图像，并通过采集到的待测镜片不同位置信号变化曲线图谱与标准镜片曲线进行比对，如待测镜片有缺陷，在图像上表现为镜片重组图像某个位置存在凹陷，在信号图谱上表现为该缺陷位置信号突然下降。
具体地，为了使光信号的效果更好，所述光源4采用激光。
具体地，为了方便连接，所述光纤耦合器5采用2*2光纤耦合器，包括四个连接端口a、b、c和d，a连接端口与第一凸透镜组3连接，b连接端口与光源4连接，c连接端口与第一准直镜6连接，d连接端口与第二准直镜10连接。
如图2所示，一种如上述所述的镜片缺陷检测装置的检测方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：将待测镜片放置于半透半反镜12的下方，调整样品臂，使样品光垂直照射至待测镜片14表面；
步骤S2：控制光源4发出的光入射到光纤耦合器5，经过光纤耦合器5分为分成参考光和样品光两束光源；
步骤S3：参考光经过参考臂15后形成参考信号光束，参考信号光束沿原光路返回至光纤耦合器5，样品光经过样品臂16控制对镜片表面的各个点位置进行扫描式检测，获得镜片不同位置的样品信号光束，样品信号光束沿原光路返回至光纤耦合器5；
步骤S4：参考信号光束和样品信号光束在光纤耦合器5中发生干涉，形成干涉光信号；
步骤S5：控制器1获得干涉光信号，控制器1将干涉光信号进行二维图像重建，提取重建后的镜片平面信号变化曲线，将重建的镜片平面信号变化曲线与标准镜片曲线进行比较，判断待测镜片是否存在缺陷。
具体地，所述参考光经过参考臂15后形成参考信号光束，参考信号光束沿原光路返回至光纤耦合器5，具体过程如下：参考光经过第一准直镜6准直后进入第二凸透镜组7，由第二凸透镜组7聚焦后出射至反射镜8，随着步进电机9移动改变参考端反射镜8的位置从而改变反射光的光程参考位置，并原路反射参考信号光束至光纤耦合器5。
具体地，所述样品光经过样品臂16控制对镜片表面的各个点位置进行扫描式检测，获得镜片不同位置的样品信号光束，样品信号光束沿原光路返回至光纤耦合器5，具体过程如下：样品光通过第二准直器10准直后直射至振镜系统13的镜片中心，经由振镜系统13反射到达半透半反镜12，使样品光垂直照射至待测镜片14表面；通过USB相机11获取待测镜片的大小、形状、位置信息并反馈至控制器1，控制器1将待测镜片的大小、形状、位置信息转化为振镜偏转电压来控制振镜系统13实现偏转，从而对待测镜片进行扫描式的检测；将待测镜片反射的样品信号光束沿原光路返回至光纤耦合器5。
其中，对待测镜片进行扫描式检测的检测方向为：以待测镜片的X轴方向长度为单次检测的单位标准长度，以该单位标准长度向Y轴方向进行扫描检测。
本技术方案通过使用振镜扫描检测，结合机器视觉控制可以实时反馈检测过程，并通过振镜控制光源对镜片表面的各个点位置进行扫描式检测；在相机采集到镜片上原路放回的光信号与参考臂放回参考光干涉后形成干涉光信号后，对干涉光信号进行二维图像重建，提取重建后的镜片平面信号变化曲线，与标准镜片曲线进行比较，就可以知道镜片是否存在缺陷。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种镜片缺陷检测装置，其特征在于，包括：
光源；
光纤耦合器；
用于获得参考信号光束的参考臂；
用于获得待测镜片的样品信号光束的的样品臂；
用于将参考信号光束和镜片样品信号光束干涉后形成的干涉光信号进行二维图像重建，提取重建后的镜片平面信号变化曲线，将重建的镜片平面信号变化曲线与标准镜片曲线进行比较，判断待测镜片是否存在缺陷的控制器；
所述光源、参考臂、样品臂、控制器分别与光纤耦合器连接：光源发出的光入射到光纤耦合器，经过光纤耦合器分为分成参考光和样品光两束光源，参考光经过参考臂后形成参考信号光束，参考信号光束沿原光路返回至光纤耦合器，样品光经过样品臂控制对待测镜片表面的各个点位置进行扫描式检测，获得待测镜片不同位置的样品信号光束，样品信号光束沿原光路返回至光纤耦合器，参考信号光束和样品信号光束在光纤耦合器中发生干涉，形成干涉光信号，控制器获得干涉光信号，控制器将干涉光信号进行二维图像重建，提取重建后的镜片平面信号变化曲线，将重建的镜片平面信号变化曲线与标准镜片曲线进行比较，判断待测镜片是否存在缺陷。
2.根据权利要求1所述的镜片缺陷检测装置，其特征在于，所述镜片缺陷检测装置还包括CCD相机和第一凸透镜组，所述CCD相机与控制器连接，第一凸透镜组与光纤耦合器连接，干涉光信号经过第一凸透镜组聚焦后被CCD相机获取，CCD相机将获取的干涉光信号反馈至控制器进行处理。
3.根据权利要求1所述的镜片缺陷检测装置，其特征在于，所述参考臂包括第一准直镜、第二凸透镜组、反射镜和步进电机，所述反射镜设置在步进电机上，由步进电机带动移动，所述步进电机由控制器控制：由光纤耦合器出射的参考光经过第一准直镜准直后进入第二凸透镜组，由第二凸透镜组聚焦后出射至反射镜，由于反射镜设置在步进电机上，随着步进电机移动改变参考端反射镜的位置从而改变反射光的光程参考位置，并原路反射参考信号光束至光纤耦合器。
4.根据权利要求1所述的镜片缺陷检测装置，其特征在于，所述样品臂包括第二准直镜、振镜系统、USB相机和半透半反镜，待测镜片置于半透半反镜的下方，所述USB相机与控制器连接，振镜系统与控制器连接，由控制器控制：由光纤耦合器出射的样品光通过第二准直器准直后直射至振镜系统的镜片中心，经由振镜系统反射到达半透半反镜，使样品光垂直照射至待测镜片表面；通过USB相机获取待测镜片的大小、形状、位置信息并反馈至控制器，控制器将待测镜片的大小、形状、位置信息转化为振镜偏转电压来控制振镜系统实现偏转，从而对待测镜片进行扫描式的检测；将待测镜片反射的样品信号光束沿原光路返回至光纤耦合器。
5.根据权利要求4所述的镜片缺陷检测装置，其特征在于，所述振镜系统包括第一振镜和第二振镜，所述第一振镜和第二振镜互相垂直设置，由光纤耦合器出射的样品光通过第二准直器准直后直射至第一振镜的镜片中心，经由第一振镜、第二振镜两次反射到达半透半反镜，使样品光垂直照射至待测镜片表面。
6.根据权利要求1所述的镜片缺陷检测装置，其特征在于，控制器获得的干涉光信号强度IRS与待测镜片不同位置Zi关系如下：
将式1经过傅里叶变换，将干涉光光强信号从波矢空间变换到坐标空间，得到式2：
其中，z表示光源4出射的激光到待测镜片位置点的长度与参考光强度之差，AR为参考光的振幅，AS为样品光的振幅，zj为等光程面的高度，为相位差，IRS(k)是干涉光信号强度。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述的镜片缺陷检测装置的检测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤S1：将待测镜片放置于半透半反镜的下方，调整样品臂，使样品光垂直照射至待测镜片表面；
步骤S2：控制光源发出的光入射到光纤耦合器，经过光纤耦合器分为分成参考光和样品光两束光源；
步骤S3：参考光经过参考臂后形成参考信号光束，参考信号光束沿原光路返回至光纤耦合器，样品光经过样品臂控制对镜片表面的各个点位置进行扫描式检测，获得镜片不同位置的样品信号光束，样品信号光束沿原光路返回至光纤耦合器；
步骤S4：参考信号光束和样品信号光束在光纤耦合器中发生干涉，形成干涉光信号；
步骤S5：控制器获得干涉光信号，控制器将干涉光信号进行二维图像重建，提取重建后的镜片平面信号变化曲线，将重建的镜片平面信号变化曲线与标准镜片曲线进行比较，判断待测镜片是否存在缺陷。
8.根据权利要求7所述的镜片缺陷检测装置的检测方法，其特征在于，所述参考光经过参考臂后形成参考信号光束，参考信号光束沿原光路返回至光纤耦合器，具体过程如下：参考光经过第一准直镜准直后进入第二凸透镜组，由第二凸透镜组聚焦后出射至反射镜，随着步进电机移动改变参考端反射镜的位置从而改变反射光的光程参考位置，并原路反射参考信号光束至光纤耦合器。
9.根据权利要求7所述的镜片缺陷检测装置的检测方法，其特征在于，所述样品光经过样品臂控制对镜片表面的各个点位置进行扫描式检测，获得镜片不同位置的样品信号光束，样品信号光束沿原光路返回至光纤耦合器，具体过程如下：样品光通过第二准直器准直后直射至振镜系统的镜片中心，经由振镜系统反射到达半透半反镜，使样品光垂直照射至待测镜片表面；通过USB相机获取待测镜片的大小、形状、位置信息并反馈至控制器，控制器将待测镜片的大小、形状、位置信息转化为振镜偏转电压来控制振镜系统实现偏转，从而对待测镜片进行扫描式的检测；将待测镜片反射的样品信号光束沿原光路返回至光纤耦合器。
10.根据权利要求7所述的镜片缺陷检测装置的检测方法，其特征在于，其中，对待测镜片进行扫描式检测的检测方向为：以待测镜片的X轴方向长度为单次检测的单位标准长度，以该单位标准长度向Y轴方向进行扫描检测。
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