CN112083008A - 一种基于移动环形光源的光学表面划痕表征装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明专利涉及测试计量技术领域，尤其是一种基于移动环形光源的光学表面划痕表征装置及方法，结构上包括上位机、电动照明平移台、照明模块、成像模块、电动聚焦平移台、待测光学元件、电动样品平移台、电机驱动模块；待测光学元件置于电动样品平移台上，照明模块固定在电动照明平移台上，电动照明平移台上可沿照明模块上下移动，调整照明模块与待测光学元件之间的相对位置并调整照明角度，电动聚焦平移台安装于固定的支架上，成像模块可沿电动聚焦平移台上下移动。本发明可使用低分辨率进行表面测量，同时多角度测量提供了更准确的数据，有助于划痕等级反演，具有准确高效的优点。

Description

一种基于移动环形光源的光学表面划痕表征装置及方法
技术领域
本发明专利涉及测试计量技术领域，具体涉及一种基于移动环形光源的光学表面划痕表征方法及装置，适用于精密光学元件表面划痕的表征。
背景技术
表面光洁度是影响精密光学元件性能的重要参数之一，其性能参数直接影响了集成光学系统的成像质量，比如卫星相机镜头、光刻机镜头、大数值孔径显微物镜等光学系统必须对透镜表面光洁度进行严格的控制。
目前表面光洁度表征一般有人工目测和机器视觉两种方法。人工目测中一般使用强光照射透镜表面，观察并比较划痕与麻点缺陷与标准划痕与麻点的亮度决定缺陷等级，虽然适用范围广，但主观性强，难以定量表征，且工作环境恶劣，人力成本很高，对光学加工企业造成了较大的负担。机器视觉中使用工业相机拍摄透镜表面，基于图像处理技术提取缺陷亮度及形状，计算后确定缺陷等级。目前主要有ISO-10110-7: 2008及MIL-PRF-13830B两种缺陷检测标准。由于划痕一般宽度较小，需要较高分辨率，导致使用ISO-10110-7:2008标准时难以兼顾测量效率及极限划痕等级。尽管MIL-PRF-13830B标准通过划痕亮度可高效表征划痕，但划痕亮度与宽度、深度、照明角度等多种因素有关，单纯使用亮度指标表征划痕误差较大。目前国外已分别基于ISO-10110-7: 2008及MIL-PRF-13830B开发了商业化设备，但市场反馈表明两种类型的设备并不能满足加工检测需求，国内厂家仍然主要依靠人工进行检测，因此迫切需要改进现有测量技术，开发一种新型表面划痕光学表征方法，实现表面划痕的高效、定量测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于移动环形光源的光学表面划痕表征方法及装置，适用于平面、球面精密光学元件表面划痕的高效、定量表征，在光学元件检测中有广阔的应用前景。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于移动环形光源的光学表面划痕表征装置，包括上位机、电动照明平移台、照明模块、成像模块、电动聚焦平移台、待测光学元件、电动样品平移台、电机驱动模块；
待测光学元件置于电动样品平移台上，上位机通过电机驱动模块驱动电动样品平移台控制待测光学元件移动至用户指定位置；
照明模块固定在电动照明平移台上，电动照明平移台上可沿照明模块上下移动，调整照明模块与待测光学元件之间的相对位置并调整照明角度；
电动聚焦平移台安装于固定的支架上，成像模块可沿电动聚焦平移台上下移动，成像模块位于照明模块上方。
作为更进一步的优选方案，照明模块包括多组LED组成的环形光源、强度检测模块、匀光板及照明驱动模块，匀光板位于环形光源下方，强度检测模块位于匀光板上。
作为更进一步的优选方案，环形光源可为白色或其它单色波长LED，每组LED可单独控制通断。
作为更进一步的优选方案，成像模块包括成像镜头及工业相机，成像镜头为普通机器视觉使用镜头，工业相机像素数目为500万以上。
作为更进一步的优选方案，电动照明平移台、电动聚焦平移台及电动样品平移台分别由闭环步进电机驱动，分辨率高于5 um，重复定位精度高于20 um，各个闭环步进电机均由电机驱动模块控制，其中控制电动照明平移台和电动聚焦平移台的闭环步进电机均安装有刹车。
一种基于移动环形光源的光学表面划痕表征装置的表征方法，包括以下步骤：
成像标定模式，步骤为：
（1）表征装置装配完成装置后，使用标准V槽形划痕作为样品进行测量；
（2）电动照明平移台将照明模块移动至指定位置；
（3）采集表面图像，提取图像中划痕亮度；
（4）重复步骤（2）和（3），保证照明角度范围覆盖20°至85°，每隔5°采集一次图像；
（5）根据光线追迹仿真模拟，确定镜头孔径及视场角等参数；
样品标定模式，步骤为：
（6）对于给定材质及镀膜状况的光学元件，使用原子力显微镜或白光干涉仪测量表面划痕截面形状；
（7）基于光线追迹模拟该截面形状的划痕在不同角度照明时的散射光强；
（8）使用本发明的装置测量该划痕不同角度照明时的散射光强；
（9）比较步骤（7）和（8）中的仿真及测量光强，确定样品的反射率及粗糙度参数；
（10）重复步骤（6）-（9），验证样品参数的准确性；
（11）基于光线追迹模拟划痕不同截面形状及宽度、深度参数时多照明角度划痕的散射光强，保存于数据库；
测量模式，步骤为：
（12）给定任意待测抛光或镀膜后光学元件，打开电源模块，上位机控制电机驱动模块驱动电动照明平移台、电动聚焦平移台及电动样品平移台移动待测光学元件和成像模块及照明模块至指定位置，其中成像模块及照明模块具体位置均需根据光学元件厚度进行变化；
（13）开启照明模块并调节亮度；
（14）调节照明模块的高度，改变照明角度，调节成像模块的位置和高度，每移动至一个角度，成像模块采集一副图像，保存后获得不同照明角度对应的图像栈；
（15）上位机对多照明角度图像栈进行处理，识别图像中划痕缺陷位置，确定其平均亮度，在内存中保存照明角度与划痕亮度的对应关系；
（16）上位机在数据库中查找或使用机器学习技术确定多角度划痕强度对应的划痕截面形状及参数，根据预先设定标准确定该待测元件是否满足表面光洁度质量要求，在屏幕上显示测量结果并保存数据，数据格式由用户定义，最终实现自动化检测。
本发明的有益效果是：本发明提供一种基于移动环形光源的光学表面划痕表征方法及装置，通过控制照明光源位置，改变照明角度，获得不同照明角度时的划痕散射光强，进而基于数据库查找或机器学习技术反演划痕等级，适用于光学加工企业光学元件表面光洁度的质检工作。
相比传统机器视觉技术，本发明可使用低分辨率进行表面测量，提高了测量效率，同时多角度测量相比单角度提供了更准确的数据，有助于划痕等级反演，因此具有准确高效的优点，能够替代现有人工测量，改善工作环境、降低人力成本，有望在光学加工企业广泛应用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是照明模块结构示意图；
图中：1-上位机、2-电动照明平移台、3-照明模块、4-成像模块、5-电动聚焦平移台、6-待测光学元件、7-电动样品平移台、8-电机驱动模块、9-电源模块、31-环形光源、32-强度检测模块、33-匀光板、34-照明驱动模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
结合图1，一种基于移动环形光源的光学表面划痕表征装置，包括上位机1、电动照明平移台2、照明模块3、成像模块4、电动聚焦平移台5、待测光学元件6、电动样品平移台7、电机驱动模块8和电源模块9。
待测光学元件6放置于电动样品平移台7上，上位机1通过电机驱动模块8控制待测光学元件6移动至用户指定位置，具体的说，上位机1通过RS232串口发送命令至电动驱动模块8控制样品移动至指定位置；
照明模块3固定在电动照明平移台上2，可上下移动，调整照明模块3与待测光学元件6之间的相对位置并调整照明角度，相对位置变化后LED光源与表面之间的夹角自然变化，照明角度随着相对位置变化而变化；
成像模块4固定在电动聚焦平移台5上，可根据待测光学元件6表面高度垂直移动调整成像模块聚焦位置，拍摄照明模块3位于不同位置时的表面图像；上位机1处理图像，提取表面缺陷亮度与照明位置之间的关系，根据查找预先基于光线追迹计算的数据库或机器学习方法反演获得缺陷等级；
成像模块包括成像镜头及工业相机，成像镜头为普通机器视觉使用镜头，用于拍摄表面图像，当使用白光LED照明时，镜头需消色差，当使用单色LED照明时无此限制；工业相机像素数目为500万及以上，与成像镜头通过C型接口相连，使用CMOS图像传感器，可为彩色或者黑白图像，具有ROI功能，通过千兆网或Camera Link接口与上位机连接成像模块4中镜头一般使用定焦镜头，根据光学元件口径，镜头的焦距设置为50mm。
实施例中上位机自行编程用于获取工业相机图像的图像采集模块，用于控制LED照明的照明控制模块、用于控制三个电动平移台的运动控制模块，用于计算提取表面缺陷位置及亮度、用于数据库查找或机器学习、及检测用户所需参数设置的图像处理模块，用于将测量结果保存为Excel文件的文件模块，其中图像处理模块可使用混合编程Matlab或Python语言方式实现，上位机1使用Windows操作系统，自行开发控制软件，软件主体框架使用Visual C#语言编写。上位机根据划痕在不同照明角度时的光强确定划痕的等级。
实施例中成像模块4中工业相机一般使用千兆网或CameraLink接口，上位机1中需提供配套采集卡，使用千兆网时普通网卡即可，使用CameraLink接口时需提供对应CameraLink采集卡。工业相机的像素数目为500万及以上，可手动调整曝光时间及增益，支持外部触发功能。
实施例中照明模块包括多组LED组成的环形光源31、强度检测模块32、匀光板33及照明驱动模块34，其中LED均匀分布，可为白色或其它单色波长LED，每组LED可单独控制通断，照明驱动模块由单片机及固体继电器组成，单片机通过串口接收上位机1命令改变I/O口状态输入至固体继电器控制LED，强度检测模块检测LED照明强度。
实施例中匀光板33透光口径小于1cm，确保照明在元件表面的角度限制在较小的范围内。
实施例中待测光学元件6为平面或大曲率半径光学元件，表面形貌对散射强度影响可以忽略，表面经过抛光处理，不限制镀膜及元件材料。
电动照明平移台2、电动聚焦平移台5及电动样品平移台7均使用闭环步进电机驱动，分辨率高于5 um，重复定位精度高于20 um，由电机驱动模块8控制，其中电动照明平移台2及电动聚焦平移台5的步进电机均安装有刹车。
实施例中电动照明平移台2、电动聚焦平移台5及电动样品平移台7为丝杠导轨式平移台，丝杠无法自锁时电动照明平移台及电动聚焦平移台的步进电机需配置刹车功能。
实施例中电机驱动模块8包括单片机和步进电机驱动器，单片机通过串口与上位机1按照自定义协议进行通信，接收上位机命令，提供脉冲与方向信号给步进电机驱动器，共提供3路电机驱动信号，控制电机按照命令进行移动，当转动至指定位置后可提供外部触发信号至工业相机。
电机驱动模块包括单片机和步进电机驱动器，单片机通过串口接收上位机命令，提供脉冲与方向信号给步进电机驱动器控制步进电机转动位置，定位三个电动平移台。
实施例中当使用刹车时电机驱动模块8提供相应刹车信号。
实施例中电源模块使用开关电源，提供24V与5V两路电源，其中24V电压用于电机驱动模块及刹车信号，5V电压用于单片机、步进电机驱动器及照明驱动模块，输入交流信号可根据不同国家及地区标准进行更改。
一种移动环形光源的光学表面划痕表征方法，包括以下步骤：
1）打开电源模块，上位机控制电机驱动模块驱动三个电动平移台，移动待测光学元件至指定位置；
2）点亮照明模块中LED，强度检测模块测量LED亮度；
3）电动照明平移台移动照明模块位置，改变照明角度，每移动至一个角度，成像模块采集一副图像，保存后获得不同照明角度对应的图像栈；
4）上位机对图像栈进行处理，首先识别图像中划痕缺陷位置，确定其平均亮度；
5）上位机在数据库中查找或使用机器学习技术确定多角度划痕强度对应的划痕截面形状及参数，根据预先设定标准确定该待测元件是否满足表面光洁度质量要求，在屏幕上显示测量结果并保存数据，数据格式由用户定义，最终实现自动化检测
本发明的方法及装置具有成像标定、样品标定及测量三种工作模式，在进行测量前需分别使用成像标定及样品标定模式确定系统参数。
成像标定模式步骤为：
1. 装配完成装置后，使用标准V槽形划痕作为样品进行测量；
2. 电动照明平移台将照明模块移动至指定位置；
3. 采集表面图像，提取图像中划痕亮度；
4. 重复步骤23，保证照明角度范围覆盖20°至85°，每隔5°采集一次图像；
5. 根据光线追迹仿真模拟，确定镜头孔径及视场角等参数。
样品标定模式步骤为：
1. 对于给定材质及镀膜状况的光学元件，使用原子力显微镜或白光干涉仪测量表面划痕截面形状；
2. 基于光线追迹模拟该截面形状的划痕在不同角度照明时的散射光强；
3. 使用本发明的装置测量该划痕不同角度照明时的散射光强；
4. 比较步骤2及3中的仿真及测量光强，确定样品的反射率及粗糙度参数；
5. 重复步骤1-4，验证样品参数的准确性
6. 基于光线追迹模拟划痕不同截面形状及宽度、深度参数时多照明角度划痕的散射光强，保存于数据库。
测量模式步骤为：
1. 给定任意待测抛光或镀膜后光学元件，打开电源模块，上位机控制电机驱动模块驱动三个电动平移台，移动待测光学元件、成像模块及照明模块至指定位置，其中成像模块及照明模块具体位置均需根据光学元件厚度进行变化；
2. 打开照明模块中LED，强度检测模块测量LED亮度；
3. 电动照明平移台移动照明模块位置，改变照明角度，每移动至一个角度，成像模块采集一副图像，保存后获得不同照明角度对应的图像栈；
4. 上位机对多照明角度图像栈进行处理，识别图像中划痕缺陷位置，确定其平均亮度，在内存中保存照明角度与划痕亮度的对应关系；
5. 上位机在数据库中查找或使用机器学习技术确定多角度划痕强度对应的划痕截面形状及参数，根据预先设定标准确定该待测元件是否满足表面光洁度质量要求，在屏幕上显示测量结果并保存数据，数据格式由用户定义，最终实现自动化检测。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于移动环形光源的光学表面划痕表征装置，其特征在于：包括上位机(1)、电动照明平移台(2)、照明模块(3)、成像模块(4)、电动聚焦平移台(5)、待测光学元件(6)、电动样品平移台(7)、电机驱动模块(8)；
所述待测光学元件(6)置于电动样品平移台(7)上，上位机(1)通过电机驱动模块(8)驱动电动样品平移台(7)控制待测光学元件(6)移动至用户指定位置；
所述照明模块(3)固定在电动照明平移台上(2)，电动照明平移台上(2)可沿照明模块(3)上下移动，调整照明模块(3)与待测光学元件(6)之间的相对位置并调整照明角度；
所述电动聚焦平移台(5)安装于固定的支架上，成像模块(4)可沿电动聚焦平移台(5)上下移动，成像模块(4)位于照明模块(3)上方。
2.根据权利要求1所述的一种基于移动环形光源的光学表面划痕表征装置，其特征在于：所述照明模块(3)包括多组LED组成的环形光源(31)、强度检测模块(32)、匀光板(33)及照明驱动模块，匀光板(33)位于环形光源(31)下方，强度检测模块(32)位于匀光板(33)上。
3.根据权利要求2所述的一种基于移动环形光源的光学表面划痕表征装置，其特征在于：所述环形光源(31) 可为白色或其它单色波长LED，每组LED可单独控制通断。
4.根据权利要求1所述的一种基于移动环形光源的光学表面划痕表征装置，其特征在于：所述成像模块(4)包括成像镜头及工业相机，成像镜头为普通机器视觉使用镜头，工业相机像素数目为500万以上。
5.根据权利要求1所述的一种基于移动环形光源的光学表面划痕表征装置，其特征在于：所述电动照明平移台(2)、电动聚焦平移台(5)及电动样品平移台(7)分别由闭环步进电机驱动，分辨率高于5 um，重复定位精度高于20 um，各个闭环步进电机均由电机驱动模块(8)控制，其中控制电动照明平移台(2)和电动聚焦平移台(5)的闭环步进电机均安装有刹车。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种基于移动环形光源的光学表面划痕表征装置的表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
成像标定模式，步骤为：
（1）表征装置装配完成装置后，使用标准V槽形划痕作为样品进行测量；
（2）电动照明平移台（2）将照明模块（3）移动至指定位置；
（3）采集表面图像，提取图像中划痕亮度；
（4）重复步骤（2）和（3），保证照明角度范围覆盖20°至85°，每隔5°采集一次图像；
（5）根据光线追迹仿真模拟，确定镜头孔径及视场角等参数；
样品标定模式，步骤为：
（6）对于给定材质及镀膜状况的光学元件，使用原子力显微镜或白光干涉仪测量表面划痕截面形状；
（7）基于光线追迹模拟该截面形状的划痕在不同角度照明时的散射光强；
（8）使用本发明的装置测量该划痕不同角度照明时的散射光强；
（9）比较步骤（7）和（8）中的仿真及测量光强，确定样品的反射率及粗糙度参数；
（10）重复步骤（6）-（9），验证样品参数的准确性；
（11）基于光线追迹模拟划痕不同截面形状及宽度、深度参数时多照明角度划痕的散射光强，保存于数据库；
测量模式，步骤为：
（12）给定任意待测抛光或镀膜后光学元件，打开电源模块，上位机（1）控制电机驱动模块（8）驱动电动照明平移台(2)、电动聚焦平移台(5)及电动样品平移台(7)移动待测光学元件（6）和成像模块（4）及照明模块（3）至指定位置，其中成像模块（4）及照明模块（3）具体位置均需根据光学元件厚度进行变化；
（13）开启照明模块(3)并调节亮度；
（14）调节照明模块(3)的高度，改变照明角度，调节成像模块(4)的位置和高度，每移动至一个角度，成像模块(4)采集一副图像，保存后获得不同照明角度对应的图像栈；
（15）上位机对多照明角度图像栈进行处理，识别图像中划痕缺陷位置，确定其平均亮度，在内存中保存照明角度与划痕亮度的对应关系；
（16）上位机(1)在数据库中查找或使用机器学习技术确定多角度划痕强度对应的划痕截面形状及参数，根据预先设定标准确定该待测元件是否满足表面光洁度质量要求，在屏幕上显示测量结果并保存数据，数据格式由用户定义，最终实现自动化检测。
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