CN111292241A - 一种大口径光学元件分区域扫描拼接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大口径光学元件分区域扫描拼接方法，包括：(1)根据光学元件的待检测区域面积，将待检测区域划分为若干个子区域；(2)根据子区域的面积，将每个子区域划分为若干个子孔径；(3)选择扫描的起点，利用采集相机对起点子区域中的所有子孔径进行子孔径蛇形扫描，完成扫描的同时对该子区域中的子孔径进行子孔径拼接；(4)采用子区域蛇形扫描方法顺次扫描所有的子区域，每个子区域内采用步骤(3)相同的子孔径蛇形扫描和子孔径拼接方法进行扫描和拼接；(5)在完成相邻子区域的扫描工作后，进行子区域拼接，直到完成所有区域扫描，最终得到待检测区域的完整图像。本发明可以显著减小累计误差的影响，大幅提高拼接效率。

Description

一种大口径光学元件分区域扫描拼接方法
技术领域
本发明属于光学技术领域，尤其是涉及一种大口径光学元件分区域扫描拼接方法。
背景技术
大口径光学元件越来越广泛的应用于惯性约束核聚变(ICF)、天文光学、空间光学、地基空间目标探测与识别、高能激光武器以及光刻机等高新技术设备上。因此，与之相关的光学技术显得十分重要，其中就包括大口径光学元件表面质量检测技术。
为了对大口径光学元件进行一次性的全口径疵病检测，就必须有一个幅面不小于被检测元件尺寸的检测相机。然而，大幅面检测相机的生产难度大，生产成本高而且生产周期长。大口径光学元件的制造需要与之精度相适应的检测方法和仪器。
为了解决这个问题，美国亚利桑那大学光学中心的Kim于20世纪80年代初率先提出子孔径拼接检测方法，是一种低成本、高分辨率检测大口径光学元件的有效方法。该方法一经提出，便广泛地应用于大口径光学元件的表面质量检测。
时至今日，子孔径拼接检测方法已经成为检测大口径光学元件表面质量的主要方法，尤其在表面疵病检测、干涉拼接技术等应用广泛。当被测平面光学元件尺寸超过系统检测口径，或者检测疵病的分辨率大于CCD空间分辨率，利用小幅面检测相机每次仅检测整个光学元件的一部分区域(子孔径)，待完成全孔径测量后，再使用适当的算法“拼接”就可得到全孔径元件表面信息。
但与此同时，由于光学元件的尺寸巨大，以及测量元件的位移累积误差，单一依靠子孔径的划分并不能很好的实现疵病的拼接工作。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种大口径光学元件分区域扫描拼接方法，解决了大口径光学元件缺陷检测时累积误差造成的拼接不准问题，提高了拼接准确率和拼接效率。
本发明的技术方案如下：
一种大口径光学元件分区域扫描拼接方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据光学元件的待检测区域面积，设定约束条件，将待检测区域划分为若干个子区域；
(2)根据每个子区域的面积，再将每个子区域划分为若干个子孔径；
(3)选择扫描的起点，利用采集相机对起点子区域中的所有子孔径进行子孔径蛇形扫描，完成扫描的同时对该子区域中的子孔径进行子孔径拼接；
(4)采用子区域蛇形扫描方法顺次扫描所有的子区域，每个子区域内采用步骤(3)相同的子孔径蛇形扫描和子孔径拼接方法进行扫描和拼接；
(5)在完成相邻子区域的扫描工作后，进行子区域拼接，直到完成所有区域扫描，最终得到待检测区域的完整图像。
本发明根据采集相机的视场大小、系统分辨率设定子区域和子孔径的划分条件，设定初始点进行子区域和子孔径相互配合的“蛇形”方式扫描工作，可实现大口径光学元件在整体扫描检测过程中边扫描边拼接的功能，提高系统拼接速度和效率；通过子区域的划分可以有效减少大口径光学元件缺陷检测时拼接累积误差的影响，提高子孔径及子区域拼接的准确性。
步骤(1)中，划分的每个子区域的面积相同，且每个子区域任意边长不大于采集相机每次移动步长的25倍。
步骤(3)中，进行子孔径蛇形扫描时，以子区域其中一个角上的子孔径作为起点开始扫描，每当采集相机完成一次成像，往横向移动一个步长距离，完成该行的扫描后往纵向移动一个步长距离，进行下一行子孔径的扫描，直到完成该子区域的全部子孔径扫描。
相邻两个子区域在扫描过程中，前一个子区域中扫描终点的子孔径与后一个子区域中扫描起点的子孔径相邻。
步骤(3)中，子孔径拼接的具体过程为：
(3-1)对各个子孔径图设置合适的重叠区域；
(3-2)在采集相机完成一个子孔径的扫描工作后，采集相机即时将采集到的图像传输给数据分析处理单元；
(3-3)对所有子孔径的重叠区域进行遍历分析，提取出有特征信息的重叠区域和没有特征信息的重叠区域；
(3-4)对有特征信息的部分先进行模板匹配拼接，而对没有特征信息的部分则在模板匹配结束后使用直接拼接；
(3-5)完成重叠区域的匹配拼接，实现子孔径的拼接工作。
步骤(4)中，进行子区域蛇形扫描时，以待检测区域左上角的子区域作为起点，每当采集相机完成一个子区域的成像后，往横向移动进行下一个子区域的扫描，完成该行所有子区域的扫描后往纵向移动进行下一行子区域的扫描，直到完成所有子区域的扫描。
步骤(5)中，所述子区域拼接的具体过程为：
(5-1)采集相机完成所有的子区域扫描工作，数据分析处理单元实现该子区域内的所有子孔径拼接工作，数据分析处理单元对相邻的子区域利用模板匹配进行图像拼接工作；
(5-2)对各个子区域图设置合适的重叠区域；
(5-3)选择相邻子区域中一个子区域的重叠区域，提取出所有包含线、块特征参数信息的模板，再遍历另一子区域的重叠区域，获取模板相似度最高的同等大小区域；利用图像的灰度信息来直接计算图像的相似程度；
(5-4)修正子区域重叠区域的偏移量，完成模板重合与拼接，实现重叠区域的匹配拼接，从而完成子区域的拼接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明解决了光学元件口径大，需扫描子孔径多带来的用时长、精度低的问题，有效避免了由于导轨累积定位误差导致的拼接错位，且采用的模板匹配拼接算法较一般算法效率更高，实现了大孔径光学元件快速检测的必要前提。另外，通过合理划分扫描子区域，按需选择拼接算法，边扫描边拼接的工作模式充分利用了数据分析处理单元，大大提高了大口径图像的拼接效率。
附图说明
图1为本发明大口径光学元件分区域扫描拼接方法的流程示意图；
图2为本发明大口径光学元件分区域扫描拼接方法的模式示意图；
图3为本发明中子孔径拼接的流程示意图。
图4为本发明中子区域拼接时重叠区域示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种大口径光学元件分区域扫描拼接方法，包括以下步骤：
步骤1、设定初始参数
确定大口径光学元件的全口径图像区域大小，设定视场大小、移动步长、起始坐标等参数。
本实施例中，对口径1000×800mm的光学元件，确定单个视场大小为4×4mm，测量装置移动步长为4.3mm。单个子区域的大小为100×100mm，共划分为80个子区域，每个子区域另划分为25×25个子孔径。
步骤2、子孔径扫描
扫描系统从起始坐标为原点，以图2中小方框中连续箭头走向进行蛇形扫描，获得子区域中的子孔径图像。其中，采集相机安装在位移台上，根据设定的扫描蛇形路线和移动步长进行移动扫描，并在采集相机完成一个子孔径的扫描工作后，即时将采集到的图像传输给数据分析处理单元。
对子孔径的扫描过程如下：
2-1，对每个子区域进行“蛇形”方式扫描，从子区域的左上角起始位置开始扫描，先进行X方向扫描，在X方向移动一个步长距离，依次经过S1,1、S1,2…S1,n共n个扫描点后，完成第一行的扫描；
2-2，完成一行扫描后再进行下一行X方向的反向扫描，先下移一个步长距离，到达第二行的S2,n扫描点，依次经过S2,n-1、S2,n-2…S2,1共n个扫描点后，完成第二行的扫描；
2-3，以此类推，直到完成该子区域的全部扫描工作。
步骤3、移动到下一子区域
扫描系统完成当前子区域扫描后，以图2中每小块子区域之间的箭头走向进行蛇形扫描，移动到下一个子区域起始位置。
对子区域的扫描过程如下：
3-1，从待检测区域的左上角起始位置开始扫描，先进行X方向扫描，在X方向移动下一个子区域，依次经过A1,1、A1,2…A1,N共N个子区域后，完成第一行子区域的扫描；
3-2，完成一行子区域的扫描后再进行下一行X方向的反向扫描，先下移到下方的子区域，到达第二行的A2,N子区域，依次经过A2,N-1、A2,N-2…A2,1共N个子区域后，完成第二行所有子区域的扫描；
3-3，以此类推,，直到完成整个待检测区域的蛇形扫描。
步骤4、子孔径拼接
在对当前子区域中子孔径图像扫描的同时，对上一个m×n子孔径中的子区域图像进行一次图像拼接，获得子区域的拼接图像AMN，具体过程如下：
4-1，对各个子孔径图设置合适的重叠区域；
4-2，在导轨完成一个子孔径的扫描工作后，传感器会即时将采集到的图像传输给数据分析处理单元；
4-3，对所有子孔径的重叠区域进行遍历分析，提取出有特征信息的重叠区域和没有特征信息的重叠区域；
4-4，对有特征信息的部分先进行模板匹配拼接，而对没有特征信息的部分则在模板匹配结束后使用直接拼接；
4-5，完成重叠区域的匹配拼接，实现子孔径的拼接工作。
如图3所示，首先将有特征信息的重叠区域和没有特征信息的重叠区域区分开来，对有明显特征信息的部分先进行2×2幅图像进行模板匹配拼接，若其特征没有在周围的四个重叠区域均出现，则进行2幅图像的模板匹配拼接，之后再对没有明显特征信息的重叠区域使用直接拼接。
步骤5、子区域拼接
重复步骤3和步骤4，直至完成所有子区域内的子孔径扫描工作，对子区域进行模板匹配算法的拼接；子区域的拼接方法整体上与子孔径的拼接方法类似，具体如下：
5-1，在探测器完成所有的子区域扫描工作后，且数据分析处理单元实现了该子区域内的所有子孔径拼接工作，数据分析处理单元会对相邻的子区域利用模板匹配进行图像拼接工作；
5-2，对各个子区域图设置合适的重叠区域；
5-3，选择相邻子区域的一个重叠区域，提取出所有包含线、块等特征参数信息的模板，再遍历另一子区域的重叠区域，获取模板相似度最高的同等大小区域；利用图像的灰度信息来直接计算图像的相似程度；
5-4，修正子区域重叠区域的偏移量，即可完成模板重合与拼接，实现重叠区域的匹配拼接，从而实现子图的拼接。
如图4所示，子区域A1、A2为待拼接的两个图像，虚线区域为二者之间的重叠区域。在子区域A1中取出所有包含线、块等特征参数信息的模板，遍历右侧子区域A2的重叠区域，获取模板相似度最高的同等大小区域。去除模板的过大或过小偏移后，所有有效模板的位移偏量的平均值(或众数)即为重叠区域的偏离值。修正子区域重叠区域的偏移量，即可完成模板重合与拼接。
步骤6、同步拼接，完成扫描，
完成所有子区域图像拼接工作，全部拼接工作完成。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种大口径光学元件分区域扫描拼接方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据光学元件的待检测区域面积，设定约束条件，将待检测区域划分为若干个子区域；
(2)根据每个子区域的面积，再将每个子区域划分为若干个子孔径；
(3)选择扫描的起点，利用采集相机对起点子区域中的所有子孔径进行子孔径蛇形扫描，完成扫描的同时对该子区域中的子孔径进行子孔径拼接；
(4)采用子区域蛇形扫描方法顺次扫描所有的子区域，每个子区域内采用步骤(3)相同的子孔径蛇形扫描和子孔径拼接方法进行扫描和拼接；
(5)在完成相邻子区域的扫描工作后，进行子区域拼接，直到完成所有区域扫描，最终得到待检测区域的完整图像。
2.根据权利要求1所述的大口径光学元件分区域扫描拼接方法，其特征在于，步骤(1)中，划分的每个子区域的面积相同，且每个子区域的任意边长不大于采集相机每次移动步长的25倍。
3.根据权利要求1所述的大口径光学元件分区域扫描拼接方法，其特征在于，步骤(3)中，进行子孔径蛇形扫描时，以子区域其中一个角上的子孔径作为起点开始扫描，每当采集相机完成一次成像，往横向移动一个步长距离，完成该行的扫描后往纵向移动一个步长距离，进行下一行子孔径的扫描，直到完成该子区域的全部子孔径扫描。
4.根据权利要求3所述的大口径光学元件分区域扫描拼接方法，其特征在于，相邻两个子区域在扫描过程中，前一个子区域中扫描终点的子孔径与后一个子区域中扫描起点的子孔径相邻。
5.根据权利要求1所述的大口径光学元件分区域扫描拼接方法，其特征在于，步骤(3)中，子孔径拼接的具体过程为：
(3-1)对各个子孔径图设置合适的重叠区域；
(3-2)在采集相机完成一个子孔径的扫描工作后，采集相机即时将采集到的图像传输给数据分析处理单元；
(3-3)对所有子孔径的重叠区域进行遍历分析，提取出有特征信息的重叠区域和没有特征信息的重叠区域；
(3-4)对有特征信息的部分先进行模板匹配拼接，而对没有特征信息的部分则在模板匹配结束后使用直接拼接；
(3-5)完成重叠区域的匹配拼接，实现子孔径的拼接工作。
6.根据权利要求1所述的大口径光学元件分区域扫描拼接方法，其特征在于，步骤(4)中，进行子区域蛇形扫描时，以待检测区域左上角的子区域作为起点，每当采集相机完成一个子区域的成像后，往横向移动进行下一个子区域的扫描，完成该行所有子区域的扫描后往纵向移动进行下一行子区域的扫描，直到完成所有子区域的扫描。
7.根据权利要求1所述的大口径光学元件分区域扫描拼接方法，其特征在于，步骤(5)中，所述子区域拼接的具体过程为：
(5-1)采集相机完成所有的子区域扫描工作，数据分析处理单元实现该子区域内的所有子孔径拼接工作，数据分析处理单元对相邻的子区域利用模板匹配进行图像拼接工作；
(5-2)对各个子区域图设置合适的重叠区域；
(5-3)选择相邻子区域中一个子区域的重叠区域，提取出所有包含线、块特征参数信息的模板，再遍历另一子区域的重叠区域，获取模板相似度最高的同等大小区域；利用图像的灰度信息来直接计算图像的相似程度；
(5-4)修正子区域重叠区域的偏移量，完成模板重合与拼接，实现重叠区域的匹配拼接，从而完成子区域的拼接。
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