CN110045477A - 一种基于相位解析的光学元件自动对心方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位解析的光学元件自动对心方法，该方法包括以下步骤：1)初始化光学元件对心装置，将光学元件放置于检测平台；2)调节成像相机和检测平台，使成像区域覆盖光学元件边缘且成像清晰；3)旋转检测平台，使用成像相机采集光学元件表面数据；4)使用相位解析方法处理采集数据，根据解算结果调整待测光学元件与检测平台的相对位置，从而将光学元件中心与检测平台旋转中心对准，在此基础上通过迭代操作实现成像相机的位置修正，进而完成光学元件的自动对心。本发明通过相位解析方法，实现了光学元件的自动对心。

Description

一种基于相位解析的光学元件自动对心方法

技术领域

本发明涉及一种基于相位解析的光学元件自动对心方法，具体涉及一种应用于光学元件检测过程中的自动对心方法。

背景技术

当前，微电子芯片制造、高性能激光系统、航空航天等领域的技术发展在国际化竞争中的地位愈发凸显。为了追求微电子芯片制造技术进步，搭建更高性能的激光系统，探索更广阔的宇宙空间，需要先进光学制造技术为这些领域提供更加精密的光学系统。作为高精密光学系统中的基石，精密光学元件的表面加工质量是判别一个光学系统优劣的标志。因此，需要对精密光学元件的表面加工质量进行可量化的精确检测。

目前，精密光学元件表面加工质量的检测方法主要有人工目视比对法、成像检测法、散射能量分析法、激光频谱分析法及微观表面轮廓仪测量法等。其中，成像检测法以其高精度、低成本、非接触、数字化、易于实现量化评估等优点成为了光学元件检测领域的关注重点。

本发明基于光学元件表面成像检测法，提出了一种基于相位解析的光学元件自动对心方法，通过对光学元件边缘旋转轨迹的相位解析及调整控制，实现光学元件中心、检测平台旋转中心以及成像相机三者间的精确对准，从而为精密光学元件的高精度检测提供技术支持。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术所存在的不足，提供一种基于相位解析的光学元件自动对心方法。

本发明采用的技术方案为：一种基于相位解析的光学元件自动对心方法，其具体步骤是：

步骤1：初始化光学元件对心装置，将光学元件放置于检测平台，所述光学元件为圆形对称光学元件；

步骤2：使用线阵相机作为图像采集装置，调节相机和待测光学元件的相对位置，使成像区域覆盖光学元件边缘且成像清晰；

步骤3：旋转检测平台并采集光学元件表面数据，当检测平台旋转一定角度后，即可采集到光学元件外圆周的环带图像；

步骤4：以环带图像中光学元件边缘的成像数据作为待拟合信号，使用相位解析方法对所述待拟合信号进行数据拟合，所用拟合公式如下所示：

f(t)＝a+b·sin(c·t+d) (1)

式中，f(t)表示环带图像中任意像素点在光学元件半径方向上的相对距离；t表示环带图像中对应于光学元件圆周上的任意像素点；a是平移量，a≥0，a与检测平台旋转中心和相机位置间的偏离量有关；b是振幅，表示检测平台旋转中心与待测光学元件中心的偏离；d是起始相位，-π≤d≤π，表征检测平台旋转中心与待测光学元件中心的偏离方向；c为频率分量，当所述环带图像为检测平台旋转m周所采集到的图像时，有0≤c·t≤2mπ。

步骤5：根据所述振幅b和所述起始相位d对应的偏离方向，调节待测光学元件中心和检测平台旋转中心的相对位置，从而将光学元件中心与检测平台旋转中心对准。

步骤6：以垂直于线阵相机像素阵列的方向作为水平方向，将线阵相机在水平方向上的初始位置记为L₀，随后在水平方向上将线阵相机移动一定距离，此时线阵相机在水平方向上的位置记为L₁，在此基础上，重复步骤3到步骤4，采集光学元件外圆周的环带图像，并由公式(1)计算当前位置L₁对应的平移量a₁；

步骤7：重复步骤6，通过多次移动线阵相机，每次移动后线阵相机在水平方向上的位置分别记为L₁，L₂……L_n，对应的平移量记为a₁，a₂……a_n，于是有：

a_i＝f(L_i)，i＝1，2，3……n (2)

由此，通过多次迭代调整，可以得到a取极值时对应的线阵相机位置L，并以此作为线阵相机的最佳对准位置；由此实现一种基于相位解析的光学元件自动对心。

其中，所述光学元件不局限于圆形对称光学元件，当检测对象为非圆形对称光学元件时，具体采用如下公式来进行步骤4所述拟合过程：

f(t)-f'＝a+b·Sin(c·t+d) (3)

式中，f’表示待测光学元件的轮廓形状；f(t)表示环带图像中任意像素点在光学元件半径方向上的相对距离；t表示环带图像中对应于光学元件圆周上的任意像素点；a是平移量，a≥0，a与检测平台旋转中心和相机位置间的偏离量有关；b是振幅，表示检测平台旋转中心与待测光学元件中心的偏离；d是起始相位，-π≤d≤π，表征检测平台旋转中心与待测光学元件中心的偏离方向；c为频率分量，当所述环带图像为检测平台旋转m周所采集到的图像时，有0≤c·t≤2mπ。

其中，所述图像采集装置并不仅限于线阵相机，也可使用面阵成像相机或其它类型的成像相机作为图像采集装置；当使用非线阵成像相机作为图像采集装置时，只需以所用成像相机的部分像素阵列作为有效图像采集区域即可实现相同功能。

其中，在步骤3至步骤5所述将光学元件中心与检测平台旋转中心进行对准的过程中，可通过重复执行步骤3至步骤5以减小误差，提高光学元件中心与检测平台旋转中心的对准效果。

其中，在步骤6至步骤7所述调整相机最佳位置的过程中，可使用梯度下降算法、最小二乘法提高调整效率和调整效果。

其中，在步骤6至步骤7所述调整线阵相机最佳位置的过程中，也可以使相机的位置固定不动，通过移动整个检测平台来调整检测平台与线阵相机的相对位置，从而实现相机与检测平台旋转中心的对准。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明一种基于相位解析的光学元件自动对心方法，通过对光学元件边缘旋转轨迹进行相位解析，求解出光学元件中心、检测平台旋转中心以及成像相机三者间的相对偏移距离和偏移方向，从而通过反馈调整实现三者间的相互对准，间接提高了光学元件的检测效率。

(2)本发明一种基于相位解析的光学元件自动对心方法，通过引入待测光学元件的轮廓形状函数，可实现非圆形对称光学元件的自动对心，从而为非圆形对称光学元件的高精度检测提供支持。

附图说明

图1是本发明提出的一种基于相位解析的光学元件自动对心方法的流程图；

图2是实施例中所述检测装置示意图；

图3是实施例中所述待测光学元件俯视图；

图4是实施例中所述检测装置的旋转平台与待测光学元件初始位置误差示意图；

图5是实施例中在初始位置误差条件下线阵相机采集到的环带图像；

图6是实施例中针对图5所示环带图像，通过坐标变换得到的还原结果与待测光学元件表面的真实数据对比；

图7是实施例中使用相位解析方法对图5所示环带图像中光学元件的边缘数据进行拟合所得结果；

图8是实施例中根据图7所示拟合结果，通过移动待测光学元件实现待测光学元件中心与检测平台旋转中心对准的示意图；

图9是实施例中待测光学元件中心与检测平台旋转中心对准后，线阵相机采集到的环带图像；

图10是实施例中针对图9所示环带图像，通过坐标变换得到的还原结果与待测光学元件表面的真实数据对比；

图11是实施例中在待测光学元件中心与检测平台旋转中心对准后，线阵相机在不同位置时对应的平移量a的变化趋势及相应的拟合曲线；

图12是实施例中待测光学元件中心、检测平台旋转中心及线阵相机三者对准后，线阵相机采集到的环带图像；

图13是实施例中针对图12所示环带图像，通过坐标变换得到的还原结果与待测光学元件表面的真实数据对比。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，有必要指出的是所述实施例只是用于对本发明的进一步描述，而并不意味着是对本发明保护范围的任何限定。

本发明提出的一种基于相位解析的光学元件自动对心方法，其实现流程如图1所示。具体包含以下步骤：

第一步，初始化检测平台；

第二步，将待检测光学元件放置在检测平台上；

第三步，粗调设备，使成像相机的成像区域覆盖光学元件边缘且成像清晰；

第四步，旋转检测平台并采集光学元件数据；

第五步，使用相位解析方法对采集图像进行数据拟合分析，并根据拟合结果进行迭代调整，一方面根据拟合结果调整光学元件和检测平台的相对位置，另一方面根据拟合结果调整成像相机和检测平台的相对位置；

第六步，当待测光学元件中心、检测平台旋转中心及成像相机之间完成对准后，流程结束。

实施例：

本实施例使用线阵相机对待测光学元件进行成像检测，结合图2到图13，对本发明的具体实施方式进行举例说明。

首先，在初始化检测平台后，将待测光学元件放置于检测平台上，图2为检测装置示意图。其中1为检测平台的旋转机构；2为检测平台的旋转中心；3为待测光学元件；4为待测光学元件的中心；5为线阵相机，可进行倾斜调整；6为检测装置的底座；7为检测平台的Y向位移机构；8为检测平台的X向位移机构；9为线阵相机的Z向调节机构；10为线阵相机的Y向调节机构；11为线阵相机的X向调节机构。图3为所述待测光学元件俯视图，其口径为100mm，图中21为待测光学元件边缘，22为待测光学元件表面信息。

随后，通过调整线阵相机与待测光学元件的相对位置，使成像区域覆盖光学元件边缘且成像清晰。由于待测光学元件是随机放置在检测平台上方，因此所述待测光学元件与检测平台的旋转中心将存在一定位置偏差，同时，线阵相机与检测平台的旋转中心也可能存在一定偏差。将上述偏差统称为初始位置误差，其示意图如图4所示。图中，31为检测平台的旋转机构；32为待测光学元件；33为线阵相机的图像采集区域；34为检测平台的旋转中心；35为待测光学元件中心；36为待测光学元件中心与检测平台旋转中心的偏离向量；37为线阵相机与检测平台旋转中心的偏离向量。

检测开始，当检测平台旋转一周后，线阵相机采集到的环带图像如图5所示，图中41为待测光学元件的边缘数据；此时对采集到的图像进行坐标变换，得到的还原结果与待测光学元件表面的真实数据对比如图6所示。从图6可以明显看出，相较于真实数据，此时的还原结果存在较大畸变。

使用本发明提出的相位解析方法对图5中光学元件的边缘数据进行数据拟合，得到拟合结果如图7所示，图中虚线为光学元件的边缘数据，实现为拟合曲线；经计算，此时对应的振幅量b＝9.31mm，起始相位d＝-0.89π。如图8所示，以待测光学元件中心作为原点，以起始相位d作为移动方向，以振幅量b作为移动距离，对待测光学元件进行移动，从而实现待测光学元件中心与检测平台旋转中心对准。随后，再次将检测平台旋转一周并使用线阵相机进行图像采集，采集图像结果如图9所示，对应的振幅量b＝0.08mm，起始相位d＝-0.64π，由于此时的振幅量b已经趋近于0，因此认为待测光学元件中心与检测平台旋转中心完成对准。此时对图9所示环带图像进行坐标变换，得到的还原结果与待测光学元件表面的真实数据对比如图10所示。从图10可以看出，此时还原结果中的图像畸变已经减小。

在此基础上，进行线阵相机与检测平台旋转中心的对准操作。以当前位置作为起始位置，在水平方向上左右平移线阵相机，每次移动后线阵相机在水平方向上的位置与起始位置的偏差分别记为L₁，L₂……L_n，并使用本发明提出的相位解析方法进行数据拟合。规定线阵相机起始位置以左为负方向，起始位置以右为正方向，经过多次调整，得到线阵相机在不同位置时对应的平移量a的变化趋势如图11所示。图11中，各离散点为每次调整线阵相机位置后计算得到的平移量a₁，a₂……a_n，实线为对应的拟合曲线，所述拟合曲线可表示为f(L_i)＝0.009987×L_i ²+0.1566×L_i+10.25。由此可通过计算得到当线阵相机与起始位置的偏差量约为-7.84mm时a取极值，进而将线阵相机向左平移7.84mm以完成线阵相机与检测平台旋转中心对准。

此时，将检测平台旋转一周并使用线阵相机进行图像采集，采集所得环带图像如图12所示，经坐标变换后得到的还原结果如图13所示。结合图12和图13可以看出，此时还原结果与原始数据基本一致，表明待测光学元件中心、检测平台旋转中心及线阵相机三者之间实现了精确对准。

通过上述实施例，表明本发明所述一种基于相位解析的光学元件自动对心方法能通过相位解析和反馈调节实自动对心。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于相位解析的光学元件自动对心方法，其特征在于：采用相位解析方法，实现了光学元件的自动对心，其具体步骤是：

步骤1：初始化光学元件对心装置，将光学元件放置于检测平台，所述光学元件为圆形对称光学元件；

步骤2：使用线阵相机作为图像采集装置，调节相机和待测光学元件的相对位置，使成像区域覆盖光学元件边缘且成像清晰；

步骤3：旋转检测平台并采集光学元件表面数据，当检测平台旋转一定角度后，即可采集到光学元件外圆周的环带图像；

步骤4：以环带图像中光学元件边缘的成像数据作为待拟合信号，使用相位解析方法对所述待拟合信号进行数据拟合，所用拟合公式如下所示：

f(t)＝a+b·sin(c·t+d) (1)

式中，f(t)表示环带图像中任意像素点在光学元件半径方向上的相对距离；t表示环带图像中对应于光学元件圆周上的任意像素点；a是平移量，a≥0，a与检测平台旋转中心和相机位置间的偏离量有关；b是振幅，表示检测平台旋转中心与待测光学元件中心的偏离；d是起始相位，-π≤d≤π，表征检测平台旋转中心与待测光学元件中心的偏离方向；c为频率分量，当所述环带图像为检测平台旋转m周所采集到的图像时，有0≤c·t≤2mπ；

步骤5：根据所述振幅b和所述起始相位d对应的偏离方向，调节待测光学元件中心和检测平台旋转中心的相对位置，从而将光学元件中心与检测平台旋转中心对准；

步骤6：以垂直于线阵相机像素阵列的方向作为水平方向，将线阵相机在水平方向上的初始位置记为L₀，随后在水平方向上将线阵相机移动一定距离，此时线阵相机在水平方向上的位置记为L₁，在此基础上，重复步骤3到步骤4，采集光学元件外圆周的环带图像，并由公式(1)计算当前位置L₁对应的平移量a₁；

步骤7：重复步骤6，通过多次移动线阵相机，每次移动后线阵相机在水平方向上的位置分别记为L₁，L₂……L_n，对应的平移量记为a₁，a₂……a_n，于是有：

a_i＝f(L_i)，i＝1，2，3......n (2)

由此，通过多次迭代调整，可以得到a取极值时对应的线阵相机位置L，并以此作为线阵相机的最佳对准位置；由此实现一种基于相位解析的光学元件自动对心。

2.根据权利要求1所述的一种基于相位解析的光学元件自动对心方法，其特征在于，所述光学元件不局限于圆形对称光学元件，当检测对象为非圆形对称光学元件时，具体采用如下公式来进行步骤4所述拟合过程：

f(t)-f′＝a+b·sin(c·t+d) (3)

式中，f’表示待测光学元件的轮廓形状；f(t)表示环带图像中任意像素点在光学元件半径方向上的相对距离；t表示环带图像中对应于光学元件圆周上的任意像素点；a是平移量，a≥0，a与检测平台旋转中心和相机位置间的偏离量有关；b是振幅，表示检测平台旋转中心与待测光学元件中心的偏离；d是起始相位，-π≤d≤π，表征检测平台旋转中心与待测光学元件中心的偏离方向；c为频率分量，当所述环带图像为检测平台旋转m周所采集到的图像时，有0≤c·t≤2mπ。

3.根据权利要求1所述的一种基于相位解析的光学元件自动对心方法，其特征在于，所述图像采集装置并不仅限于线阵相机，也可使用面阵成像相机或其它类型的成像相机作为图像采集装置；当使用非线阵成像相机作为图像采集装置时，只需以所用成像相机的部分像素阵列作为有效图像采集区域即可实现相同功能。

4.根据权利要求1所述的一种基于相位解析的光学元件自动对心方法，其特征在于，在步骤3至步骤5所述将光学元件中心与检测平台旋转中心进行对准的过程中，可通过重复执行步骤3至步骤5以减小误差，提高光学元件中心与检测平台旋转中心的对准效果。

5.根据权利要求1所述的一种基于相位解析的光学元件自动对心方法，其特征在于，在步骤6至步骤7所述调整相机最佳位置的过程中，可使用梯度下降算法、最小二乘法提高调整效率和调整效果。

6.根据权利要求1所述的一种基于相位解析的光学元件自动对心方法，其特征在于，在步骤6至步骤7所述调整线阵相机最佳位置的过程中，也可以使相机的位置固定不动，通过移动整个检测平台来调整检测平台与线阵相机的相对位置，从而实现相机与检测平台旋转中心的对准。