CN109283184A - 一种基于光谱共焦传感器的表面疵病测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光谱共焦传感器的表面疵病测量的方法。本发明将平面反射镜安装于角位移台上，调整光谱传感器与待测工件的距离，完成设定的倾角下谱峰强度数据的采集，调整角位移台到不同倾角，直至完成所有指定倾角下的谱峰强度数据采集；构建“陡度‑距离‑谱峰强度”特性曲线；对待测工件进行扫描测量，采集工件表面回光的谱峰强度数据，计算待测工件表面的反射率矩阵；设定反射率阈值，通过设定反射率阈值区辨识反射率突变区域，以此分辨疵病区域与正常区域并完成疵病定位与轮廓提取。本发明以实验的方法建立谱峰强度与表面反射率之间的数学模型，以反射率来定位表面疵病，为光学元件表面疵病的检测提供了一条新的方法。

Description

一种基于光谱共焦传感器的表面疵病测量方法
技术领域
本发明涉及表面疵病测量领域，尤其涉及一种基于光谱共焦传感器的表面疵病测量方法。
背景技术
超精密光学元件广泛应用于民用领域与军事国防领域。民用领域中的典型应用包括光刻机曝光镜、相机变焦镜头、光学仪器透镜、医疗中的内窥镜与渐进镜等；军事与国防领域中的应用包括如哈勃望远镜的天文望远镜、激光武器、红外热成像仪、激光核聚变等。超精密光学元件的加工离不开精密测量技术，现阶段超精密光学元件的加工不仅要求有更高精度的面形测量技术，也对表面疵病的检测提出了要求。表面疵病已然成为评价光学元件质量的一个重要指标。
当光束通过带有疵病的光学元件时，局部的疵病会造成光束散射和能量损耗，并可能产生不期望发生的衍射、能量吸收、有害炫耀、膜层破坏等，在光学成像场合，任何一个光学元件表面存在疵病就会导致局部亮度不均匀，进而影响整体的成像质量，因此表面疵病检测是高端光学元件加工后的必检环节。表面疵病在光学元件表面尺度上的分布具有很大的随机性，疵病的微观结构形态各异且具有离散的结构特征，因此测量的难度很大。
传统的面形测量设备难以对表面疵病进行测量，原因包括以下几个方面：
1)疵病的纵向尺寸小。部分疵病的纵向尺寸已经小于测量传感器的纵向分辨率，这种情况下普通的形貌测量难以分辨出疵病；
2)疵病的横向尺寸小。当疵病的横向尺寸小于传感器的横向分辨率时，传感器便无法感应到疵病的存在。以波面干涉仪为例，其纵向分辨率极高(可达λ/100)，但横向分辨率较低。以一个装备了1024×1024像素CCD的干涉仪去检测1m口径的光学元件，其横向分辨率仅可达1mm左右，难以检测亚毫米级别的缺陷。
3)部分缺陷虽然尺度较大，但是传统的图像处理方法难以分辨，而人工检测工作量大，并且容易出现误检和漏检。
目前表面疵病测量的主要手段包括滤波检测法、散射光能量分析法、激光频谱法、目视法等。现有的表面疵病测量方法多数需要将工件搬运到专用设备进行测量。高端大型光学元件的搬运难度教大，并且搬运过程有造成额外的疵病或损伤的风险。此外搬运过程还会引起二次装夹误差，对加工过程不利。目视法依赖于人工采用放大镜或显微镜筛查，效率较低且有漏检与误检的风险。
本发明针对上述疵病检测需求与问题，开创性地利用光谱共焦传感器中以前被认为不具有工程实用价值的谱峰强度信号建立“陡度-距离-谱峰强度”数学模型，通过该模型计算工件表面反射率，进而完成表面疵病的定位与提取，可以实现基于光谱共焦传感器的面形与疵病的并行检测。
发明内容
本发明针对光学元件表面疵病测量的需求，提供一种基于光谱共焦传感器的表面疵病测量装置及方法。本发明开创性地利用了光谱共焦传感器的谱峰强度信号，以实验的方法建立了光谱共焦探头的“陡度-距离-谱峰强度”数学模型，通过计算工件表面的反射率实现了表面疵病的定位与轮廓提取。
本发明采用如下技术方案实现上述功能：
一种基于光谱共焦传感器的表面疵病测量方法，具体实现如下：
步骤1、将平面反射镜(202)安装于角位移台(203)上，设定平面反射镜倾角；
步骤2、调整光谱传感器与待测工件的距离(102)，完成设定的倾角下谱峰强度数据(103)的采集；
步骤3、调整角位移台到不同倾角(101)，然后重复步骤1和步骤2，直至完成所有指定倾角下的谱峰强度数据采集；
步骤4、利用采集到的谱峰强度数据构建“陡度-距离-谱峰强度”特性曲线(105)。
步骤5、对待测工件(304)进行扫描测量，采集工件表面回光的谱峰强度数据(107)，以该数据计算待测工件表面的反射率矩阵。
步骤6、设定反射率阈值，结合该谱峰强度数据(107)与谱峰强度特性曲线(105)计算被测点的反射率(108)，由反射率异常点反推该异常点的位置信息，得到反射率异常点的位置集合；通过设定反射率阈值(110)区辨识反射率突变区域，以此分辨疵病区域与正常区域并完成疵病定位与轮廓提取(109)。
所述的白光光源(301)发出白色光，经由光纤(209)传入高色散透镜(303)，光线通过高色散透镜(303)后不同波长的光会聚焦在光轴的不同位置，工件(304)被测点所处位置的反射光会返回到光谱仪(208)形成谱峰，通过谱峰强度数据采集装置采集谱峰强度数据。
所述的谱峰强度数据采集装置，包括数据采集卡(206)、光谱仪(208)、高色散透镜(303)，光谱仪(208)将光谱共焦传感器(201)采集的返回光转换为距离信号与光强信号，再将距离信号与光强信号转换为两路0～10V的模拟电压信号(207)输出。然后使用数据采集卡(206)的模数转换模块将两路模拟电压信号(207)转换为两路数字信号进行采集，并发送给工控机(204)进行数据处理，获取谱峰强度数据信息。
建立谱峰强度数据与待测面陡度及距离的“陡度-距离-谱峰强度”特性曲线(205)，利用数学实验模型通过谱峰强度信号计算得到测量点的表面反射率，具体的：
所述的“陡度-距离-谱峰强度”特性曲线与数学实验模型，从实验出发，通过大量数据建立起特性曲线与数学实验模型。实验过程如下：将平面反射镜(202)安装在角位移台(203)上，将角位移台(203)设定倾角范围最小0°到最大γmax，且间隔δγ；对于每个倾角，令光谱共焦传感器(201)作上下运动，记录每组所测距离和谱峰强度的关系，绘制“陡度-距离-谱峰强度”特性曲线(205)。
所述的“陡度-距离-谱峰强度”特性曲线与数学实验模型，谱峰强度i表达为局部反射率r、局部倾角γ、探头所测得的位移d的函数：
i＝r·f(γ，d)
所述的“陡度-距离-谱峰强度”特性曲线，其谱峰强度随光谱共焦传感器所测距离增大而增大，且在传感器量程的中间部分，谱峰强度和距离、倾角中间有单调递减关系。通过多项式拟合的方法得到f(γ，d)的近似表达式。
所述的反射率与测量点倾角和距离关系中的f(γ，d)的近似表达式为：
f(γ，d)＝p00+p10·γ+p01·d+p20·γ2+p11·γ·d
其中p00，p1o，p01，p20，p11均为实验数据拟合所得系数；
γ为测量点处倾角；
d为测得距离。
所述的表面点的谱峰强度信号的测量装置，包括光谱共焦传感器(201)、音圈电机(405)、工控机(204)、运动控制器(401)和电机驱动器(402)；光谱共焦传感器(201)固定于竖直方向上移动的音圈电机(405)，工件置于水平方向上的直线电位移台X轴(403)与Y轴(404)上。工控机(204)向运动控制器(401)发送控制指令，运动控制器控制电机驱动器(402)驱动X轴(403)与Y轴(404)运动带动工件在水平面内运动，驱动音圈电机(405)上下移动保证测量点在光谱共焦传感器量程范围内，从而完成扫描运动；通过数据采集卡(206)采集两路模拟电压信号(207)与三路光栅编码器信号(406)，输送到工控机(204)完成工件表面对应点的光谱强度信号采集。
所述的表面疵病的定位与轮廓提取，通过设定反射率阈值(110)区分反射率突变区域，以此区分疵病部位与正常部位，完成表面疵病的定位与轮廓提取，并可以通过改变反射率阈值控制表面疵病检测的灵敏度。
本发明的主要意义和优势在于：
本发明提出了光谱共焦传感器的谱峰强度的工程意义，以实验的方法建立起谱峰强度与表面反射率之间的数学模型，以反射率来定位表面疵病，为光学元件表面疵病的检测提供了一条新的方法。
本发明可以实现面形与表面疵病的并行检测，同时避免了人为误差或者二次装夹误差，可极大提升光学元件的检测效率与准确度，为光学元件的质量控制提供了有力保障。
附图说明
图1是基于光谱共焦传感器的表面疵病测量流程图，
图2是建立“陡度-距离-谱峰强度”特性曲线采用的系统示意图，
图3是工件表面疵病测量的系统示意图，
图4是用于工件表面谱峰强度数据采集的三自由度移动平台示意图。
图5是表面有缺陷的矩形反射镜的表面疵病测量结果图。
图中：光谱共焦传感器(201)、平面反射镜(202)、角位移台(203)、工控机(204)、“陡度-距离-谱峰强度”特性曲线(205)、数据采集卡(206)、拟电压信号(207)、光谱仪(208)、光纤(209)、白光光源(301)、高色散透镜(303)、工件(304)、运动控制器(401)、电机驱动器(402)、直线电位移台X轴(403)、直线电位移台Y轴(404)、音圈电机(405)、模光栅编码器信号(406)；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。
本发明的实施例涉及一种基于光谱共焦传感器的表面疵病测量方法，其主要包括“陡度-距离-谱峰强度”特性曲线的建立以及待测工件谱峰强度数据的采集及处理。
一种基于光谱共焦传感器的表面疵病测量方法的测量流程如图1所示。首先设定平面反射镜倾角，调整光谱传感器与待测工件的距离，采集谱峰强度数据。重复以上步骤直至完成不同倾角下的数据采集。然后利用采集到的谱峰强度数据构建“陡度-距离-谱峰强度”特性曲线。接着测量待测工件的谱峰强度数据，以该数据计算待测工件表面的反射率矩阵。最后设定反射率阈值，由反射率异常点反推该点的位置信息，得到反射率异常点的位置集合，实现表面疵病的定位与轮廓提取。
如图2所示建立“陡度-距离-谱峰强度”特性曲线首先需要将平面反射镜固定在角位移台上，调整平面反射镜倾角γ为0°，打开计算机、控制器、驱动器与光谱仪，调整音圈电机使测量点处于光谱共焦传感器量程的一端。控制音圈电机带动光谱共焦传感器向传感器量程的另一端作连续运动，采集距离数据d与谱峰强度数据i。在0°下完成采集后，调整平面反射镜倾角增加δγ，再调整工件使测量点位于量程一端，同样采集距离与谱峰强度数据，重复以上步骤直至到达最大所需测量倾角γmax。每个γ对应一组距离与谱峰强度数据，将所得的倾角γ、谱峰强度i、距离d绘制得“陡度-距离-谱峰强度”特性曲线并进行二阶多项式拟合，其表达式如下：
f(γ，d)＝p00+p10·γ+p01·d+p20·γ2+p11·γ·d
其中p00，p10，p01，p20，p11均为实验数据拟合所得系数；
γ为测量点处倾角；
d为测得距离。
本实施例中，平面反射镜使用日本三丰公司生产的标准平晶，表面镀铝膜；取δγ为0.5°，γmax为15°；传感器采用法国STIL公司的CL2光谱共焦传感器。本实施例中，多项式拟合所得的系数如下：
表1多项式拟合系数
如图3所示在获得特性曲线后，对待测工件进行扫描测量，获取待测工件表面点的位置矩阵P、距离矩阵D与谱峰强度矩阵N，其中P中的位置数据与D中的距离以及N中的谱峰强度数据一一对应。通过距离矩阵D计算出陡度矩阵S，将陡度矩阵S与谱峰强度矩阵N代入该特性曲线计算得到工件表面点的反射率矩阵R。将反射率矩阵归一化并设定反射率阈值为Ithres，反射率高于Ithres的区域判定为正常区域，而反射率低于Ithres的区域判定为疵病区域。由于位置矩阵P与反射率矩阵R也具有一一对应的关系，通过反射率异常的数据即可识别其对应的位置数据，找到异常点的位置点集，实现表面疵病的检测与轮廓提取。
如图4所示，基于光谱共焦传感器的表面疵病测量装置，具体安装如下：光谱共焦探头(201)固定于音圈电机(405)上，待测工件(303)放置于直线电机驱动的Y轴上，Y轴安装在直线电机驱动的X轴上。测量时由工控机(204)设定X轴测量行程Xmax、X轴扫描步距δX以及Y轴测量行程Ymax。工控机向运动控制器(401)发送指令，并由运动控制器发送运动指令给电机驱动器(402)驱动X轴、Y轴与音圈电机运动。X轴步进δX后，Y轴连续运动Ymax实现一条线段的扫描与数据采集。Y轴运动Ymax后，X轴步进δX，Y轴向反方向运动Ymax完成扫描采集。重复以上步骤直至完成整个工件的扫描检测运动。在测量过程中音圈电机(405)垂直运动保证被测点始终位于光谱共焦探头的量程之内，由数据采集卡(206)实时采集光谱仪输出的距离电压信号(207)与光强电压信号(406)，同时采集X轴、Y轴以及音圈电机输出的三路光栅编码器信号。采集到信号后输送给工控机，在工控机中进行信号的处理与数据存储。
如图5所示，本实施例中待测工件为图5(a)中的矩形反射镜，其表面存在一个被碱液轻微腐蚀的表面疵病。图5(b)为栅格扫描方式实际测得的面形，如图所示仅通过面形数据无法分辨出矩形工件的表面疵病，原因是疵病的纵向尺度很小，无法形成突变特征。图5(c)为由距离数据求出陡度矩阵，再将陡度矩阵与谱峰强度矩阵代入“陡度-距离-谱峰强度”特性曲线计算得表面反射率，并归一化后的数据，如图所示可以明显分辨出反射率异常区域。图5(d)为反射率阈值设定为0.8时的反射率数据，如图所示实现了准确有效的表面疵病定位与轮廓提取。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于光谱共焦传感器的表面疵病测量方法，其特征在于将平面反射镜(202)安装于角位移台(203)上，调整光谱传感器与待测工件的距离(102)，完成设定的倾角下谱峰强度数据(103)的采集，调整角位移台到不同倾角(101)，直至完成所有指定倾角下的谱峰强度数据采集(103)；利用采集到的谱峰强度数据构建“陡度-距离-谱峰强度”特性曲线(105)；对待测工件(304)进行扫描测量，采集工件表面回光的谱峰强度数据(107)，计算待测工件表面的反射率矩阵；设定反射率阈值，结合该谱峰强度数据(107)与谱峰强度特性曲线(105)计算被测点的反射率(108)，由反射率异常点反推该异常点的位置信息，得到反射率异常点的位置集合；通过设定反射率阈值(110)区辨识反射率突变区域，以此分辨疵病区域与正常区域并完成疵病定位与轮廓提取(109)。
2.根据权利要求1所述一种基于光谱共焦传感器的表面疵病测量方法，其特征在于白光光源(301)发出白色光，经由光纤(209)传入高色散透镜(303)，光线通过透镜后不同波长的光会聚焦在光轴的不同位置，工件(304)被测点所处位置的反射光会返回到光谱仪(208)形成谱峰，通过谱峰强度数据采集装置采集谱峰强度数据。
3.根据权利要求2所述一种基于光谱共焦传感器的表面疵病测量方法，其特征在于所述的谱峰强度数据采集装置，包括数据采集卡(206)、光谱仪(208)、高色散透镜(303)，光谱仪(208)将光谱共焦传感器(201)采集的返回光转换为距离信号与光强信号，再将距离信号与光强信号转换为两路0～10V的模拟电压信号(207)输出；然后使用数据采集卡(206)的模数转换模块将两路模拟电压信号(207)转换为两路数字信号进行采集，并发送给工控机(204)进行数据处理，获取谱峰强度数据信息。
4.根据权利要求3所述一种基于光谱共焦传感器的表面疵病测量方法，其特征在于建立谱峰强度数据与待测面陡度及距离的“陡度-距离-谱峰强度”特性曲线(205)，利用特性曲线的数学实验模型，通过谱峰强度信号计算得到测量点的表面反射率，具体的：
从实验角度入手，通过实验数据数据拟合特性曲线并建立数学实验模型：将平面反射镜(202)安装在角位移台(203)上，将角位移台(203)设定倾角范围最小0°到最大γmax，且间隔δγ；对于每个倾角，令光谱共焦传感器(201)作上下运动，记录每组所测距离和谱峰强度的关系，绘制“陡度-距离-谱峰强度”特性曲线(205)。
5.根据权利要求4所述一种基于光谱共焦传感器的表面疵病测量方法，其特征在于γmax为15°；间隔δγ为0.5°。
6.根据权利要求4或5所述一种基于光谱共焦传感器的表面疵病测量方法，其特征在于谱峰强度i表达为测量点反射率r、测量点处倾角γ、探头所测得的距离d的函数：
i＝r·f(γ，d)。
7.根据权利要求6所述一种基于光谱共焦传感器的表面疵病测量方法，其特征在于谱峰强度随光谱共焦传感器所测距离增大而增大，且在传感器量程的中间部分，谱峰强度和距离、倾角中间有单调递减关系，通过多项式拟合的方法得到反射率与测量点倾角和距离关系中的f(γ，d)的近似表达式：
f(γ，d)＝p00+p10·γ+p01·d+p20·γ2+p11·γ·d；
其中p00，p10，p01，p20，p11均为实验数据拟合所得系数；γ为测量点处倾角；d为探头所测得的距离。
8.根据权利要求7所述一种基于光谱共焦传感器的表面疵病测量方法使用的测量装置，其特征在于
光谱共焦探头(201)固定于音圈电机(405)上，待测工件(303)放置于直线电机驱动的Y轴上，Y轴安装在直线电机驱动的X轴上；测量时由工控机(204)设定X轴测量行程Xmax、X轴扫描步距δX以及Y轴测量行程Ymax；工控机向运动控制器(401)发送指令，并由运动控制器发送运动指令给电机驱动器(402)驱动X轴、Y轴与音圈电机运动；X轴步进δX后，Y轴连续运动Ymax实现一条线段的扫描与数据采集；Y轴运动Ymax后，X轴步进δX，Y轴向反方向运动Ymax完成扫描采集；重复以上步骤直至完成整个工件的扫描检测运动；在测量过程中音圈电机(405)垂直运动保证被测点始终位于光谱共焦探头的量程之内，由数据采集卡(206)实时采集光谱仪输出的距离电压信号(207)与光强电压信号(406)，同时采集X轴、Y轴以及音圈电机输出的三路光栅编码器信号；采集到信号后输送给工控机，完成工件表面对应点的光谱强度信号采集。
9.根据权利要求7所述一种基于光谱共焦传感器的表面疵病测量方法，其特征在于对待测工件进行扫描测量，获取待测工件表面点的位置矩阵P、距离矩阵D与谱峰强度矩阵N，其中P中的位置数据与D中的距离以及N中的谱峰强度数据一一对应；通过距离矩阵D计算出陡度矩阵S，将陡度矩阵S与谱峰强度矩阵N代入该特性曲线计算得到工件表面点的反射率矩阵R；将反射率矩阵归一化并设定反射率阈值为Ithres，反射率高于Ithres的区域判定为正常区域，而反射率低于Ithres的区域判定为疵病区域；由于位置矩阵P与反射率矩阵R也具有一一对应的关系，通过反射率异常的数据即可识别其对应的位置数据，找到异常点的位置点集，实现表面疵病的检测与轮廓提取。
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