CN110715930A - 一种精密光学表面微弱缺陷显微照明方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种精密光学表面微弱缺陷显微照明方法及装置，属于机器视觉检测领域。该照明装置包括照明光源、照明光学模组、光源连接支架和照明控制器。相机采集缺陷图像时，照明光源从多个角度和多个方位对视场内缺陷进行无死角打光，从而得到缺陷更多的散射能量分布，实现微弱缺陷的优质成像；每个照明模组包含呈“剪刀状”照明光源形成两个不同角度照明缺陷，同时多个照明模组呈环形分布实现缺陷的多个方位照明；“剪刀状”照明模组可以通过控制器实现0度到90度的张角变化；每个光源可以单独通过数字控制器控制开启和关闭，并且亮度连续可调,有效解决了微弱缺陷打光难、容易漏检的问题，可以获得微弱缺陷的高质量图像，便于后续图像的处理与分析。

Description

一种精密光学表面微弱缺陷显微照明方法及装置
技术领域
本发明属于光电技术检测领域，涉及一种机器视觉检测照明装置，特别涉及一种精密光学表面微弱缺陷显微照明装置和方法。
背景技术
高端光学元件对光学元件的表面质量提出了越来越高的要求，其中要求表面缺陷的横向分辨力在微米甚至亚微米等级，纵向分辨率数十个纳米甚至几个纳米。目前基于显微成像原理的缺陷检测装置除了检测效率低外，对微弱缺陷的探测灵敏度低，很容易造成漏检，从而无法满足高端光学元件对微弱缺陷的检测需求。
使用高倍率显微镜可以实现对微小缺陷的观察，但由于高倍率下其检测视场和景深小等影响，微弱缺陷极易被漏检，尤其对于一些纳米级深度的浅划痕，其探测灵敏度非常低。为了实现较高的成像对比度和优良的信噪比，往往使用暗场照明方案，此时照明系统极为关键。
高亮度的线光源有望诱发更多的散射光，但是检测系统及被测样品本身也会因此而产生额外的散射光进入到图像采集系统中，最终造成图像信噪比的降低，一些微弱缺陷也将掩盖在背景噪声中。环形光源以及AOI机器视觉光源可以实现部分玻璃表面划痕的检测，但是实践中此类照明光源对于微弱缺陷往往也无能为力，图像对比度和信噪比较差，微弱缺陷极易漏检。
因此急需一种微弱缺陷显微照明装置和方法，可以解决现有方法的上述问题，最终实现微弱缺陷的优质成像。
发明内容
本发明提供一种精密光学表面微弱缺陷显微照明方法及装置，目的是解决精密光学表面微弱缺陷探测困难的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种精密光学表面微弱缺陷显微照明方法及装置，包括照明光源(1)、照明光学模组(2)和光源连接支架(3)；其中照明光学模组(2)包括照明光源(1)，所述照明光源(1)包括第一照明光源(1a)和第二照明光源(1b)，第一照明光源(1a)和第二照明光源(1b)呈“剪刀状”连接在光源连接支架(3)上，通过照明控制模块控制其亮度和亮灭；多个照明光学模组(2)呈等间距环形分布在光源连接支架(3)的圆周上。
所述照明控制模块通过串口与上位机连接，通过串口通信实现对每个照明模组的控制，包括光源的亮度和亮灭，此外控制模块中的控制器对控制机构发出控制信号，实现“剪刀状”照明模组的张角在0度到90度之间同步变化，所述张角为第一照明光源(1a)和第二照明光源(1b)之间的夹角。
进一步的，“剪刀状”照明光源在照明空间上从两个不同入射角度照明到视场中的微弱缺陷，同时多个照明模组(2)呈环形分布实现微弱缺陷的多个方位照明，照明光源从多个角度和多个方位对视场内缺陷进行无死角打光，从而保证相机采集到更多的微弱缺陷信号。整个照明系统包括至少3个照明模组呈等间距环形分布在光源连接支架(3)圆周上。
进一步的，“剪刀状”照明光源根据被测样品(4)的表面形状自动改变张角，张角大小在0度到90度之间变化；张角大小根据被测样品曲率变化而变化，在输入样品曲率信息时程序就自动计算出推荐张角，并通过控制机构发出控制信号来调整其大小；所述张角计算基于以下原则：(1)照明反射光不进入相机；(2)照明光源在被测镜面上不形成阴影；(3)使得更多的光照明在缺陷上。
进一步的，微弱缺陷图像采集模块(6)包括显微成像系统和图像传感器，使用的图像传感器是面阵传感器、或是线阵传感器；图像采集模块采集的信号为微弱缺陷在暗场照明下的散射光能量。
进一步的，所述控制器具体包括微处理器和与微处理器连接的驱动单元。
本发明还提出了一种精密光学表面微弱缺陷显微照明方法，包括如下具体步骤：
步骤1：将被测光学元件安装到测试台上，调整好样品与图像采集系统的姿态；
步骤2：根据被测光学表面形状，控制器控制“剪刀状”照明模组的初始化张角δ1；
步骤3：然后开启各个照明模组光源，采集初始化张角下视场内的缺陷图像I1；
步骤4：改变“剪刀状”照明模组的张角δi，开启多个照明模组Li，并采集对应照明模组在对应张角下的缺陷图像Ii；
步骤5：根据图像叠加算法，叠加已采集图像，图像处理并评估叠加图像的信噪比，如果微弱缺陷信噪比符合阈值，则进入步骤6进行接下来的测量；否则，通过开启更多方位上的照明模组，同时使用照明模组的不同张角，重复步骤4和步骤5，直至信噪比符合阈值要求；
步骤6：移动到下一个视场，重复步骤2到步骤5，直到完成整个光学表面缺陷的采集，然后进行图像拼接得到整个光学表面的缺陷图像，最后进行缺陷识别和分级。
进一步的，所述步骤(2)包括：
所述张角大小根据被测样品曲率变化而变化，在输入样品曲率信息时程序就自动计算出推荐张角，并通过控制机构发出控制信号来调整其大小；张角计算基于以下原则：(1)照明反射光不进入相机；(2)照明光源在被测镜面上不形成阴影；(3)使得更多的光照明在缺陷上。
与现有技术相比，本发明所给的精密光学表面微弱缺陷显微照明方法及装置，可以提高微弱缺陷的探测灵敏度，增强横向分辨能力和纵向分辨能力，最终提高微弱缺陷检测的精度、降低漏检率。
附图说明
图1为本发明精密光学表面微弱缺陷显微照明构成示意图；
图2为本发明张角为δ的“剪刀状”照明模组入射到被测样品表面的截面示意图；
图3为本发明实施例1中的“剪刀状”照明模组空间方位分布的二维平面图；
图4为本发明实施例2中的“剪刀状”照明模组空间方位分布的二维平面图；
图5为本发明实施例3中的“剪刀状”照明模组空间方位分布的二维平面图；
图6为本发明微弱缺陷显微照明方法的流程图。
图中：1为照明光源；1a为第一照明光源；1b为第二照明光源；2为照明光学模组；3为光源连接支架；4为被测样品；5为划痕缺陷样本；6为微弱缺陷图像采集模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。。
如图1所示，本发明实施例中，一种精密光学表面微弱缺陷显微照明方法及装置，包括照明光源1、照明光学模组2、光源连接支架3、被测样品4、划痕缺陷样本5、微弱缺陷图像采集模块6。其中，照明光学模组2包括第一照明光源1a和第二照明光源1b，微弱缺陷图像采集模块6包括显微成像系统和图像传感器，如图1所示。其中，多个照明光学模组呈等间距环形分布在光源连接支架圆周上，照明控制模块通过串口将其与上位机连接，通过串口通信实现对每个照明模组的控制，包括光源的亮度、亮灭以及“剪刀状”照明模组的张角。所述张角为第一照明光源1a和第二照明光源1b之间的夹角。
所述张角大小根据被测样品曲率变化而变化，在输入样品曲率信息时程序就自动计算出推荐张角，并通过控制机构发出控制信号来调整其大小。张角计算基于以下原则：1.照明反射光不进入相机；2.照明光源在被测镜面上不形成阴影；3.使得更多的光照明在缺陷上。
每个“剪刀状”照明模组在照明空间上从两个不同入射角度照明到视场中的微弱缺陷，如图2所示，为本发明张角为δ的“剪刀状”照明模组入射到被测样品表面的截面示意图，散射光为微弱缺陷图像采集模块所捕获。
实施例1
为了提高微弱缺陷的探测灵敏度，通过3个120°等间距分布的“剪刀状”照明模组2，本发明的剪刀照明模组，其中用于调整角度的机构包括电机、减速箱和偏心轴-连杆机构等，电机通过减速箱驱动偏心轴-连杆机构从而实现张角的自动调整。由两个可调入射角度照明到视场中的微弱缺陷，实现3个空间方位多个入射角度的微弱缺陷空间打光，进而使得探测器可以捕获更多的缺陷散射光能量。图3为其中的一种设计的“剪刀状”照明模组空间方位分布的二维平面图。
实施例2
区别于实施例1，本实施例中的设计是通过4个90°等间距分布的“剪刀状”照明模组构成，每个“剪刀状”照明模组的张角可以自适应调整。实现4个空间方位多个入射角度的微弱缺陷空间打光，相对实施例1微弱缺陷的信噪比会更高。图4为其中的一种设计的“剪刀状”照明模组空间方位分布的二维平面图。
实施例3
区别于实施例1，本实施例中的设计是通过8个45°等间距分布的“剪刀状”照明模组构成，每个“剪刀状”照明模组的张角可以自适应调整。实现8个空间方位多个入射角度的微弱缺陷空间打光，相对实施例1微弱缺陷的信噪比会更高。图5为其中的一种设计的“剪刀状”照明模组空间方位分布的二维平面图。
如图6所示，本发明还介绍了一种精密光学表面微弱缺陷显微照明方法，所述方法的装置的检测过程和检测步骤如下：
步骤1：将被测光学元件安装到测试台上，调整好样品与图像采集系统的姿态；
步骤2：根据被测光学表面形状，控制器控制“剪刀状”照明模组的初始化张角δ1；
步骤3：然后开启各个照明模组光源，采集初始化张角下视场内的缺陷图像I1；
步骤4：改变“剪刀状”照明模组的张角δi，开启多个照明模组Li，并采集对应照明模组在对应张角下的缺陷图像Ii；
步骤5：根据图像叠加算法，叠加已采集图像，图像处理并评估叠加图像的信噪比，如果微弱缺陷信噪比很好，则进入步骤6进行接下来的测量；否则，通过开启更多方位上的照明模组，同时使用照明模组的不同张角，重复步骤4和步骤5，直至采集到优质缺陷图像。
步骤6：移动到下一个视场，重复步骤2到步骤5，直到完成整个光学表面缺陷的采集，然后进行图像拼接得到整个光学表面的缺陷图像，最后进行缺陷识别和分级。
步骤2所述的“剪刀状”照明模组为了适应不同表面形状光学表面微弱缺陷的照明情形，可以自适应调整张角大小，张角大小在0度到90度之间变化。张角大小根据被测样品曲率变化而变化，在输入样品曲率信息时程序就自动计算出推荐张角，并通过控制机构发出控制信号来调整其大小。张角计算基于以下原则：1.照明反射光不进入相机；2.照明光源在被测镜面上不形成阴影；3.使得更多的光照明在缺陷上。
步骤4所述的多个照明模组在空间方位上呈环形分布在光源连接支架圆周上，保证至少从3个不同方位对视场内的微弱缺陷进行全方位无死角照明，从而保证相机采集到更多的微弱缺陷信号。
步骤5所述的图像叠加算法是为了提高检测灵敏度和动态范围，可以对同一视场缺陷进行多个不同张角的“剪刀状”照明光源打光，然后将多幅不同打光下采集到的图像进行叠加，从而提高微弱缺陷的信噪比。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种精密光学表面微弱缺陷显微照明装置，其特征在于：包括照明光源(1)、照明光学模组(2)和光源连接支架(3)；其中照明光学模组(2)包括照明光源(1)，所述照明光源(1)包括第一照明光源(1a)和第二照明光源(1b)，第一照明光源(1a)和第二照明光源(1b)呈“剪刀状”连接在光源连接支架(3)上，通过照明控制模块控制其亮度和亮灭；多个照明光学模组(2)呈等间距环形分布在光源连接支架(3)的圆周上；
所述照明控制模块通过串口与上位机连接，通过串口通信实现对每个照明模组的控制，包括光源的亮度和亮灭，此外控制模块中的控制器对控制机构发出控制信号，实现“剪刀状”照明模组的张角在0度到90度之间同步变化，所述张角为第一照明光源(1a)和第二照明光源(1b)之间的夹角。
2.如权利要求1所述的精密光学表面微弱缺陷显微照明装置，其特征在于：“剪刀状”照明光源在照明空间上从两个不同入射角度照明到视场中的微弱缺陷，同时多个照明模组(2)呈环形分布实现微弱缺陷的多个方位照明，照明光源从多个角度和多个方位对视场内缺陷进行无死角打光，从而保证相机采集到更多的微弱缺陷信号；整个照明系统包括至少3个照明模组呈等间距环形分布在光源连接支架(3)圆周上。
3.如权利要求1所述的精密光学表面微弱缺陷显微照明装置，其特征在于：“剪刀状”照明光源根据被测样品(4)的表面形状自动改变张角，张角大小在0度到90度之间变化；张角大小根据被测样品曲率变化而变化，在输入样品曲率信息时程序就自动计算出推荐张角，并通过控制机构发出控制信号来调整其大小；所述张角计算基于以下原则：(1)照明反射光不进入相机；(2)照明光源在被测镜面上不形成阴影；(3)使得更多的光照明在缺陷上。
4.如权利要求1所述的精密光学表面微弱缺陷显微照明装置，其特征在于：微弱缺陷图像采集模块(6)包括显微成像系统和图像传感器，使用的图像传感器是面阵传感器、或是线阵传感器；图像采集模块采集的信号为微弱缺陷在暗场照明下的散射光能量。
5.如权利要求1所述的精密光学表面微弱缺陷显微照明装置，其特征在于：所述控制器具体包括微处理器和与微处理器连接的驱动单元。
6.一种精密光学表面微弱缺陷显微照明方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
步骤1：将被测光学元件安装到测试台上，调整好样品与图像采集系统的姿态；
步骤2：根据被测光学表面形状，控制器控制“剪刀状”照明模组的初始化张角δ1；
步骤3：然后开启各个照明模组光源，采集初始化张角下视场内的缺陷图像I1；
步骤4：改变“剪刀状”照明模组的张角δi，开启多个照明模组Li，并采集对应照明模组在对应张角下的缺陷图像Ii；
步骤5：根据图像叠加算法，叠加已采集图像，图像处理并评估叠加图像的信噪比，如果微弱缺陷信噪比符合阈值，则进入步骤6进行接下来的测量；否则，通过开启更多方位上的照明模组，同时使用照明模组的不同张角，重复步骤4和步骤5，直至信噪比符合阈值要求；
步骤6：移动到下一个视场，重复步骤2到步骤5，直到完成整个光学表面缺陷的采集，然后进行图像拼接得到整个光学表面的缺陷图像，最后进行缺陷识别和分级。
7.根据权利要求6所述的一种精密光学表面微弱缺陷显微照明方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：
所述张角大小根据被测样品曲率变化而变化，在输入样品曲率信息时程序就自动计算出推荐张角，并通过控制机构发出控制信号来调整其大小；张角计算基于以下原则：(1)照明反射光不进入相机；(2)照明光源在被测镜面上不形成阴影；(3)使得更多的光照明在缺陷上。
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