CN114705626B - 检测曲面表面缺陷的检测装置与补偿透镜组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测曲面表面缺陷的检测装置与补偿透镜组，其补偿透镜组包括：第一补偿透镜为正弯月透镜，第一补偿透镜的第一面面向曲面且为非球面，第二面为球面；第二补偿透镜为负弯月透镜，配置于第一补偿透镜相对于曲面的另一侧，第二补偿透镜的第一面与第二面为球面；第三补偿透镜为正弯月透镜，配置于第二补偿透镜相对于第一补偿透镜的另一侧，第三补偿透镜的第一面与第二面为球面。本发明的检测装置与补偿透镜组有助于检测在物面端的曲面，一次性完成曲面全表面检测，提高检测效率，利于工业生产。

Description

检测曲面表面缺陷的检测装置与补偿透镜组

技术领域

本发明一般地涉及检测领域。更具体地，本发明涉及一种检测曲面表面缺陷的检测装置与补偿透镜组。

背景技术

外观缺陷对于元件的品质影响甚巨，检测平面外观缺陷方法有很多，但曲面元件的外观检测的方法却非常有限。

虚拟现实或是增强现实是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，其利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。以目前的技术水平来说，需要用户通过穿戴虚拟现实设备（如VR眼镜）或增强现实设备（如AR眼镜）来呈现模拟环境。VR或AR眼镜的主要配置为显示屏加上特殊设计的设备透镜，设备透镜就是一种曲面元件，设备透镜的质量决定了虚拟现实或增强现实的真实度。

手机摄像头是另一种曲面元件的应用，目前几乎所有的手机均配置有摄像头，部分高端手机甚至于配置了4颗或5颗摄像头。这些摄像头本身亦是一种曲面元件。由于其精密度高，任何表面缺陷都影响摄像头的成像质量。

随着科技的进步，上述这类曲面元件的应用领域越来越广。现有技术在检测这类曲面元件的表面缺陷时，是使用显微系统按照曲面的路径进行扫描检测。这种方法非常耗时，不利于工业生产。因此如何高效地检测曲面表面的缺陷是亟待解决的技术问题。

发明内容

为了至少部分地解决背景技术中提到的技术问题，本发明的方案提供了一种检测曲面表面缺陷的检测装置与补偿透镜组。

在一方面，本发明揭露一种检测曲面表面缺陷的补偿透镜组，其特征在于包括：第一补偿透镜、第二补偿透镜及第三补偿透镜。第一补偿透镜为正弯月透镜，第一补偿透镜的第一面面向曲面且为非球面，第二面为球面；第二补偿透镜为负弯月透镜，配置于第一补偿透镜相对于曲面的另一侧，第二补偿透镜的第一面与第二面为球面；第三补偿透镜为正弯月透镜，配置于第二补偿透镜相对于第一补偿透镜的另一侧，第三补偿透镜的第一面与第二面为球面。

在另一方面，本发明揭露一种检测曲面表面缺陷的检测装置，其特征在于包括检测镜头、上述补偿透镜组、相机及处理器。检测镜头用以成像；补偿透镜组用于将检测镜头的物面转化为涵盖所述曲面；相机用以将成像转换成电信号；处理器用以根据电信号检测所述曲面表面缺陷。

本发明通过配置补偿透镜组，使得检测物面由原本的平面转换为曲面，检测装置的相机得以接收清晰且完整的曲面元件表面的实像。利用补偿透镜组，本发明提高了检测的通用性，并减少检测成本。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分。其中：

图1是示出本发明实施例的补偿透镜组的示意图；

图2是示出本发明实施例的检测装置的示意图；

图3是示出本发明实施例的检测装置中检测镜头在未加入补偿透镜组的成像光路；

图4是示出本发明实施例未加入补偿透镜组的检测装置在检测曲面元件时的像方点列图；

图5是示出本发明实施例未加入补偿透镜组的检测装置在检测曲面元件时的像方传递函数曲线图；

图6是示出本发明实施例在加入补偿透镜组后检测镜头的检测曲面的成像光路；

图7是示出本发明实施例在加入补偿透镜组后的检测曲面的像方点列图；

图8是示出本发明实施例在加入补偿透镜组后的检测曲面的像方传递函数曲线图；

图9是示出本发明实施例在加入补偿透镜组后的检测曲面的像方场曲和畸变图。

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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动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。

本发明提供一种检测曲面表面缺陷的检测方案，只要是表面光滑平整且类似圆弧形的曲面元件都可以利用本发明进行缺陷检测，所谓类似圆弧形指的是曲面的中央隆起，逐渐向四周倾斜往下。由于曲面元件的表面不在同一个平面上，本发明通过配置一个补偿透镜组，产生足够的景深，使得曲面元件类似圆弧形的表面均落在补偿透镜组的景深范围内，通过补偿透镜组对于曲面中央光线与周围光线的折射路径不同，将物方的曲面表面做了一次补偿，使得检测装置得以顺利进行检测。

本发明的一种实施例是用以检测设备透镜表面缺陷的补偿透镜组。此实施例的设备透镜是用透明物质制成的表面为球面或非球面（包括自由曲面）的光学元件，常见的透镜为正透镜和负透镜。正透镜是中央较厚、边缘较薄的透镜，分为双凸、平凸和正弯月等形式，具有会聚光束的作用；负透镜则是中间薄、边缘厚，分为双凹、平凹、负弯月等形式，具有发散光束的作用。这样的设备透镜再加上显示屏便是VR或AR眼镜的关键组件。

图1示出此实施例的补偿透镜组的示意图。此实施例的补偿透镜组包括第一补偿透镜101、第二补偿透镜102及第三补偿透镜103。处于物方的曲面元件（设备透镜）的表面105不在同一个平面上，此实施例的补偿透镜组可以在物面产生足够的场曲，使得设备透镜类似圆弧形的表面105经过补偿透镜组补偿后，再通过后端的检测镜头便能够清晰成像在景深范围内。这3个补偿透镜与设备透镜均位于同一个光轴104上。

第一补偿透镜101为正弯月透镜，其材质为D-ZF93的重火石玻璃，中心厚度为8mm，共有二面，其第一面面向曲面105且为非球面，第一面与曲面105的第一距离介于5mm至10mm间，较佳地第一距离为7mm。

此实施例的第一补偿透镜101的第一面的矢高根据以下偶次非球面表达式来表示：

其中，z为矢高，r为第一补偿透镜101的第一面的孔径半径，k为圆锥（conic）系数，在此实施例中其值为-0.386，c为曲率半径的倒数，在此实施例中曲率半径的值为13.741mm，α₁为0，α₂为

，α₃为

，α₄为

，α₅为

，α₆为

，α₇为

，α₈为

。

第一补偿透镜101的第二面面向第二补偿透镜102且为球面，其曲率半径为10.616mm。

第二补偿透镜102为负弯月透镜，其材质为D-ZF93的重火石玻璃，中心厚度为5mm，配置于第一补偿透镜101相对于曲面105的另一侧，第二补偿透镜102的第一面与第二面均为球面，其中第二补偿透镜102的第一面的曲率半径为-8.175mm，与第一补偿透镜101的第二面相对，第一补偿透镜101的第二面与第二补偿透镜102的第一面的第二距离介于12mm至16mm间，较佳地第二距离为14.476mm。第二补偿透镜102的第二面面向第三补偿透镜103，其曲率半径为-17.385mm。

第三补偿透镜103为正弯月透镜，其材质为D-ZF93的重火石玻璃，中心厚度为8mm，配置于第二补偿透镜102相对于第一补偿透镜101的另一侧，第三补偿透镜103的第一面与第二面亦均为球面，其中第三补偿透镜103的第一面的曲率半径为-43.476mm，其与第二补偿透镜102的第二面相对，第二补偿透镜102的第二面与第三补偿透镜103的第一面的第三距离介于3mm至4mm间，较佳地第三距离为3.44mm。第三补偿透镜的第二面的曲率半径为-24.290mm，其面向检测镜头，与后方检测镜头前端面的第四距离介于45mm至50mm间，较佳地第四距离为47.409mm。

上述各距离（第一至第四距离）指的是补偿透镜靠近临近补偿透镜的表面中心与临近补偿透镜靠近该补偿透镜的表面中心的距离。

在进行外观缺陷检测时，可以使用单波长光源检测，补偿透镜组不需要考虑消色差，只需适配光源波长即可，因此补偿透镜组中的所有透镜可以使用同一玻璃材料，以降低补偿透镜组的研制成本。

本发明的另一个实施例是一种检测曲面表面缺陷的检测装置，图2示出此实施例的示意图。此实施例的检测装置用以检测设备透镜201的表面缺陷，设备透镜201为平凸透镜，直径约为20mm，曲率半径约为20mm，圆锥系数为-1，材料为K9玻璃。

检测装置包括补偿透镜组202、检测镜头203、相机204、光源205及处理器206，其中设备透镜201、补偿透镜组202、检测镜头203、相机204均位于光轴104上。

补偿透镜组202邻近设备透镜201，用以将检测镜头203的物面由平面转换为曲面，这样的曲面涵盖设备透镜201的曲面表面。补偿透镜组202的结构与其补偿透镜的规格、相对位置如前一个实施例与图1所示，不再赘述。

检测镜头203为远心镜头，用以成像。在传统的应用场景中，检测镜头203通常被设计来在物面获取平面图像。图3示出此实施例的检测镜头203在未加入补偿透镜组202的成像光路，如图所示，检测镜头203只能对物面为平面301的待检测物在像面成像302。图4示出未加入补偿透镜组202的检测装置在检测曲面元件时的像方点列图，像方点列图可以看出被测曲面各部分成像的点列图与艾里斑的关系。艾里斑是光源通过衍射受限透镜成像时，由于衍射而在焦点处形成的光斑。图中黑色圆形为衍射极限的情况，实际像质接近衍射极限说明补偿透镜组像质佳。图4分别示出在中心位置（光轴104上，IMA：0.000mm）、距离中心位置-9.933mm处（IMA：-9.933mm）、距离中心位置-14.190mm处（IMA：-14.190mm）的艾里斑图，由于曲面各部分到镜头的距离都不同，因此如果检测镜头203对焦在设备透镜201的中心，则曲面其它部分不在检测镜头203的成像光路中，从点列图中可以看出只有对焦部分成像清晰。

图5示出未加入补偿透镜组202的检测装置在检测曲面元件时的像方传递函数曲线图。像方传递函数又称为调制传递函数（modulation transfer function，MTF），是本领域技术人员用来评估镜头的对比度和分辨率的工具，其中横坐标为空间频率或反应分辨率，纵坐标为对比度值。从图5可以看出其与点列图效果一致，只有在对焦部分的效果好。

图6示出此实施例在加入补偿透镜组202后，检测镜头203在检测曲面时的成像光路，可以看出通过在检测镜头203前增加补偿透镜组202，使物面由平面转换为曲面。图7是示出此实施例在加入补偿透镜组202后的检测曲面的像方点列图，可以看出被测曲面各部分成像的点列图都在艾里斑以内。图7分别示出平面成像106在中心位置（光轴104上，IMA：0.000mm）、距离中心位置-9.979mm处（IMA：-9.979mm）、距离中心位置-14.206mm处（IMA：-14.206mm）的艾里斑图，可以看出经过补偿透镜组202的补偿后，最终被接收的像质被控制在十分接近于理想情况。

图8是示出此实施例在加入补偿透镜组202后，检测镜头203在检测曲面时的像方传递函数曲线图，从图中可以看出经过补偿透镜组202的补偿后，即使在高频空间仍然能够有效分辨。

图9示出此实施例在加入补偿透镜组202后，检测镜头203的检测曲面的像方场曲和畸变图，其中左图为像方场曲图，横坐标的单位为mm，右图为像方畸变图，横坐标的单位为百分比。可以看出经过设计的补偿透镜组202配合检测镜头203在像方的场曲和畸变也控制在很小的范围，换言之，补偿透镜组202有效地让检测镜头203的物面转化为涵盖设备透镜201的曲面表面，有利于对缺陷的检测。

回到图2，检测镜头203配置于补偿透镜组202相对于设备透镜201的另一侧，在此实施例中，检测镜头203的结构与参数是固定的，与相机204搭配使用，原始用途为获取物面的平面图像。较佳地，使用补偿透镜组202后物方数值孔径不大于检测镜头203原有最大物方数值孔径，以确保在一定分辨率的情况下适当增大景深，也能保证补偿透镜202适配检测镜头203，并简化补偿透镜组202。

光源205从侧边对设备透镜201打光，该光束经设备透镜201的曲面表面反射后，穿过补偿透镜组202，再经检测镜头203后使得相机204接收到实像。光源205可以配置多个，从不同方向对设备透镜201打光。

相机204将成像后的实像转换成电信号，传送至处理器206，供处理器206分析电信号以识别设备透镜201的曲面表面的缺陷。

具体地，处理器206接收到图像后，首先定位设备透镜201的发光区域。由于光源205打在设备透镜201表面的范围是有限的，未发光的区域无法进行检测，因此处理器206利用感兴趣区域（ROI，region of interest）的定位方法定位出适合进行检测的发光区域，也就是有效检测区域。

处理器206进一步分别将光束灰度值与灰度阈值对比，以获得ROI区域内至少一个异常点对应的异物属性分类。具体地，如果当前光束灰度值不小于灰度阈值，则处理器206识别当前灰度值对应的异常点的属性分类为设备透镜201的曲面表面的缺陷，需进一步分类。

此实施例的处理器206可以识别点、线等的缺陷。当处理器206在判读是否为点缺陷或线缺陷时，会对接收到的实像进行高斯滤波、灰度滤波及二值化等相关系列算法处理，图像上的点缺陷或线缺陷会呈现不同的图形特征，所呈现出来的灰度值与正常图像灰度值亦会存在差别。举例来说，点缺陷的图像灰度值可能为60，而正常图像的灰度值为160。基于灰度值的差异，处理器206能快速将缺陷的异常点区分出来。

处理器206选择ROI区域的图像上的某像素点为基准点，对比基准点和所有异常点所在像素的位置，计算出异常点的坐标，再根据这些异常点的坐标，通过对其距离及灰度值等参数进行比较，建立这些异常点的关系。由于点缺陷长度与面积远小于线缺陷，且点缺陷一般为圆形缺陷（例如凹洞），而线缺陷则为长条形缺陷（例如刮痕）。处理器206对缺陷的长度以及面积进行分析，来判定缺陷是点缺陷或线缺陷。

本发明利用配置补偿透镜组使检测镜头在物方产生反向场曲，即使物面产生一定弯曲，而反向场曲的程度恰好补偿了曲面元件的曲度，使检测镜头能够一次性对曲面元件的表面清晰成像，有利于缺陷检测，曲面表面缺陷检测变得高效，有助于工业生产。再者，检测装置从监测平面缺陷改为检测曲面缺陷时，仅需置入补偿透镜组，其余设备无需变动。补偿透镜组结构简单、成本低，可以实现从平面检测至曲面检测的快速切换，有利于曲面表面检测技术的普及。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (16)

1.一种检测曲面表面缺陷的补偿透镜组，其特征在于包括：

第一补偿透镜，为正弯月透镜，所述第一补偿透镜的第一面面向所述曲面且为非球面，第二面为球面；

第二补偿透镜，为负弯月透镜，配置于所述第一补偿透镜相对于所述曲面的另一侧，所述第二补偿透镜的第一面与第二面为球面；以及

第三补偿透镜，为正弯月透镜，配置于所述第二补偿透镜相对于所述第一补偿透镜的另一侧，所述第三补偿透镜的第一面与第二面为球面；

其中，所述第一补偿透镜的第一面的矢高的偶次非球面表达式为：

其中z为所述矢高，r为所述第一补偿透镜的第一面的孔径半径，k为圆锥系数且值为-0.386，c为曲率半径的倒数且所述曲率半径的值为13.741mm，α₁为0，α₂为

，α₃为

，α₄为

，α₅为

，α₆为

，α₇为

，α₈为

。

2.根据权利要求1所述的补偿透镜组，其中所述第一补偿透镜的第一面与所述曲面的第一距离介于5mm至10mm间。

3.根据权利要求2所述的补偿透镜组，其中所述第一距离为7mm。

4.根据权利要求1所述的补偿透镜组，其中所述第一补偿透镜的第二面的曲率半径为10.616mm。

5.根据权利要求1所述的补偿透镜组，其中所述第一补偿透镜的第二面与所述第二补偿透镜的第一面的第二距离介于12mm至16mm间。

6.根据权利要求5所述的补偿透镜组，其中所述第二距离为14.476mm。

7.根据权利要求1所述的补偿透镜组，其中所述第二补偿透镜的第一面面向所述第一补偿透镜，所述第二补偿透镜的第一面的曲率半径为-8.175mm。

8.根据权利要求1所述的补偿透镜组，其中所述第二补偿透镜的第二面面向所述第三补偿透镜，所述第二补偿透镜的第二面的曲率半径为-17.385mm。

9.根据权利要求8所述的补偿透镜组，其中所述第二补偿透镜的第二面与所述第三补偿透镜的第一面的第三距离介于3mm至4mm间。

10.根据权利要求9所述的补偿透镜组，其中所述第三距离为3.44mm。

11.根据权利要求1所述的补偿透镜组，其中所述第三补偿透镜的第一面面向所述第二补偿透镜，所述第三补偿透镜的第一面的曲率半径为-43.476mm。

12.根据权利要求1所述的补偿透镜组，其中所述第三补偿透镜的第二面面向像方，所述第三补偿透镜的第二面的曲率半径为-24.290mm。

13.根据权利要求12所述的补偿透镜组，其中所述第三补偿透镜的第二面与相机的第四距离介于45mm至50mm间。

14.根据权利要求13所述的补偿透镜组，其中所述第四距离为47.409mm。

15.一种检测曲面表面缺陷的检测装置，其特征在于包括：

检测镜头，用以成像；

根据权利要求1至14任一项所述的补偿透镜组，用于将所述检测镜头的物面转化为涵盖所述曲面；

相机，用以将所述成像转换成电信号；以及

处理器，用以根据所述电信号检测所述曲面表面缺陷。

16.根据权利要求15所述的检测装置，还包括光源，用以对所述曲面表面打光，经所述补偿透镜组使得所述相机接收到所述成像。

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