CN115165309B - 一种用于激光剪切散斑系统的剪切镜调节及其校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光剪切散斑系统的剪切镜调节及其校准方法，通过平衡弹簧、中心旋转支架、精密螺杆及步进电机设计了一种改进的剪切镜调节装置，同时使用特定激光图像发生器生成校准图案，利用激光图案尺寸不随距离变化的特性，设计了相应的剪切镜调节量的自动校准及量化方法，能够实现图像与被测面实际尺寸的对应，有效地提高激光剪切散斑检测系统的实际使用效率，避免繁琐的人工校对与计算过程。

Description

一种用于激光剪切散斑系统的剪切镜调节及其校准装置及 方法

技术领域

本发明涉及激光剪切散斑检测系统领域，具体的，主要针对基于迈克尔逊干涉原理的激光剪切散斑检测系统，用于对此类系统中的剪切镜进行自动调节及校准，实现激光散斑剪切量的精确可控与量化。

背景技术

在激光剪切散斑检测应用中，剪切量的正确设置对检测结果有极大的影响，增大剪切量可提高检测灵敏度，然而过大的剪切量会导致检测结果失真,无法检测出尺寸小于剪切量的缺陷；减小剪切量可以提升对缺陷全貌的刻画能力，但会缺失对缺陷细节的敏感性。精确的剪切量控制需要ccd像素与实际检测面的对应关系。由于被检测目标的距离、区域等随检测条件、环境等因素变化，因此剪切量难以进行精确的标定及量化。传统的激光剪切散斑检测系统通过仅以CCD像素为基准来设置剪切量，与实际被测面没有对应关系，这造成在检测应用中，对检测缺陷结果的标定与量化有极大困难。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种用于激光剪切散斑系统的剪切镜调节及其校准装置及方法，能够有效地提高激光剪切散斑检测系统的实际检测速度与效率，避免繁琐的人工校对核准流程

本发明的技术方案是：一种用于激光剪切散斑系统的剪切镜调节及其校准装置，包括激光剪切散斑背景激光激励装置，分光棱镜，相移平面镜，剪切镜，感光CCD单元，前置镜头，剪切镜调节装置；所述的剪切镜调节装置包括安装在剪切镜背面中心位置的旋转支架、两个平衡弹簧以及两个由步进电机驱动的精密螺杆；所述两个平衡弹簧位于旋转支架同侧用于稳定剪切镜镜面位置，位于旋转支架另一侧的两个精密螺杆用于在步进电机的驱动下调节剪切镜偏转量。

优选的，装置还包括激光发生器，所述的激光发生器产生已知尺寸的激光校准图案，所述激光校准图案为空心且外形封闭的几何图形。

优选的，所述激光校准图案优选空心等腰或等边三角形。

一种利用所述装置实现的剪切镜调节及校准方法，包括：

S1、打开激光发生器，在被测面上投影相应的标准图案；

S2、从感光CCD单元中采集一幅图像，并进行图像边缘检测，再从边缘检测结果中提取封闭区域；

S3、通过封闭区域中连通区域的个数判断当前剪切量等级；根据不同的剪切量等级计算当前的剪切量Δx,Δy；

S4、利用剪切镜调节装置驱动剪切镜分别在X和Y方向偏转，即产生剪切角Δθ_x,Δθ_y,重复步骤S2至S3得到新的剪切量Δx′,Δy′,进而得到剪切量与剪切角的对应关系Δθ_x→(Δx′-Δx),Δθ_y→(Δy′-Δy)；

S5、根据上述对应关系，调节剪切镜的剪切角，使得标准图案完全重合，此时剪切镜在X与Y方向上的剪切量都为0,由此实现了校准的目的；

上述X方向为水平方向；Y是垂直方向，与精密螺杆在剪切镜背面触点连线平行。

优选的，方法还包括：

已知被测面上投影的标准图案内部空心区域面积为S_inner,标准图案完全重合后其连通区域S′_inner所占用的像素点总数为N，则像素与实际尺寸的量化对应关系为N/S_inner，由此得到实际尺寸与像素之间的对应关系。

优选的，Δθ_x,Δθ_y为任意非零，且保证激光校正图像在CCD视野范围内的值，优先选择使得剪切量等级变小的值。

优选的，剪切镜调节装置通过下述方式驱动剪切镜偏转：

沿Y轴方向偏转调节：控制两个步进电机驱动两个精密螺杆伸缩相同的位移量

则剪切镜沿Y轴的偏转角度为/>

此时，沿X轴偏转角度为θ_x＝0；

沿X轴方向偏转调节：控制两个步进电机驱动精密螺杆伸缩相反的位移量

则剪切镜沿X轴的偏转角度为/>

此时，沿Y轴偏转角度为θ_y＝0；

同时沿X与Y轴方向偏转调节：控制两个步进电机驱动两个精密螺杆伸缩不同的位移量

则沿X与Y轴方向的偏转角度为

l_x,l_y是分别两螺杆触点间距、螺杆与弹簧触点间距。

优选的，S1中被测面上投影相应的标准图案为空心三角形，则S3中连通区域数量等于1，剪切量为低等级；连通区域数量为2时，剪切量为高等级；连通区域数量为3时，剪切量为中等级。

优选的，在计算时，将根据三个等级分别进行计算剪切量：

低等级：通过边缘检测得到三角形各边宽度d₁、d₂、d₃，则X方向的剪切量为

Y方向剪切量为Δy＝d₃-d；

中等级：将检测得到连接区域S₁与S₃合并得到新的连通区域S′₁，S₂与S₃合并S′₂，分别计算S′₁与S′₂的中心点P₁(x₁,y₁)及P₂(x₂,y₂),则X方向的剪切量为Δx＝x₁-x₂,Y方向上的剪切量为Δy＝y₁-y₂；其中S3为中间位置的连通区域；

高等级：分别计算检测得到连接区域S₁与S₂的中心点P₁(x₁,y₁)及P₂(x₂,y₂),则X方向的剪切量为Δx＝x₁-x₂,Y方向上的剪切量为Δy＝y₁-y₂。

优选的，S1中关闭剪切散斑激光激励，或减弱剪切散斑激光激励使投影的标准图案的亮度大于剪切散斑激光激励的亮度。

本发明主要表现在两个方面，一是基于改进的控制机构实现剪切镜在两个方向上的稳定可调，二是基于特定激光图案的剪切量自动校准与量化。

前者针对的是，在现有的技术实现中，剪切镜多通过螺杆硬连接的方式进行控制，同时旋转点为剪切镜的一角。这种方案的局限性在于剪切镜在旋转点对侧位移量偏大，对剪切镜尺寸、装置空间、装配精度都有较高要求，同时转动硬连接的方式导致回程误差的产生。本发明采用将旋转点设置于剪切镜中央，有效地减小了剪切镜边缘最大位移偏移量，同时采用弹簧平衡的方式，使得剪切镜在任意时刻处于受力平衡状态，消除间隙，公差等因素带来的行程误差。

后者针对的是，在现有的技术实现中，剪切量的设置通常以像素为单位，没有直接与实际的检测对应尺寸相关联，对检测过程中缺陷尺寸的标定带来不便；同时0校准往往需要额外的器具及方法，在对设备进行校准时流程较为复杂。本发明基于特定激光图案的方式，结构图像处理方法，自动判断当前切剪量大小，结合剪切镜调整装置可实现系统的快速0校准，同时能够快速得到检测目标尺寸与像素点之间的比例关系，达到对剪切量进行精确量化的目标。

附图说明

图1为本发明实施例具备剪切量量化与校准功能的激光剪切散斑干涉检测系统。

其中，1为激光剪切散斑背景激光激励装置，2为分光棱镜，3为相移平面镜，4为剪切镜，5为感光CCD单元，6为基于4F成像的光学透镜，7为特定激光图像发生器，8为前置镜头，9为检测对象，10为生成的校准图案。

图2为本发明实施例剪切镜偏转调节装置。

其中，11为剪切镜，12、16为平衡弹簧，13、18为精密螺杆，14，17为步进电机，15为旋转支架。

图3本发明实施例基于特定激光图案的剪切量量化及校准方法。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

一个典型的传统激光剪切散斑检测系统其基本组成如图1所示，主要包含激光剪切散斑背景激光激励装置1，分光棱镜2，相移平面镜3，通常由压电陶瓷驱动，剪切镜4，感光CCD单元5，基于4F的成像的光学透镜6(可选)，前置镜头8，检测对象9；

其中激光激励装置1产生激光，照射至检测对象9上。由检测对象9粗糙表面反射的激光从前置镜头8导入检测装置。激光在经过基于4F的成像的光学透镜6后，进入分光棱镜2均分为两路激光。其中一路经过相移平面镜3反射，分光棱镜2透射后，经基于4F的成像的光学透镜6入射感光CCD单元5；另一路经过剪切镜4反射、分光棱镜2反射后，经基于4F的成像的光学透镜6入射感光CCD单元5。两路激光由于存在光程差，因此在感光CCD单元5上会产生干涉。以上结构实现了两路激光求光程差的过程，类似于函数求导，因此被称为剪切激光散斑干涉系统。

本发明内容涉及对剪切镜4的角度调节方法，同时增加了特定激光图像发生器亦称激光发生器7，以生成校准图案10于被测面上，通过对CCD采集到的剪切图像进行图像处理以实现对剪切角度的校准与量化。

其中剪切镜调节装置的基本原理是，利用步进电机驱动精密螺杆进行伸缩，改变剪切镜边缘受力，在弹簧的作用下剪切镜将绕中心点旋转进而在不同的位置达到力平衡。该装置主要包含剪切镜11，位于剪切镜背面左侧的平衡弹簧12、16，位置剪切镜背面右侧的精密螺杆13、18，它们分别由步进电机驱动14，17，以及位置剪切镜背面中心位置的旋转支架15组成。

其工作流程可表述为(其中螺杆伸为正位移量，缩为负位移量，X、Y两个方向分别为水平和垂直，如图2左图所示)：

沿Y轴方向偏转调节：控制步进电机14，17驱动精密螺杆13、18伸缩相同的位移量

则剪切镜沿Y轴的偏转角度为/>

此时，沿X轴偏转角度为θ_x＝0；

沿X轴方向偏转调节：控制步进电机14，17驱动精密螺杆13、18伸缩相反的位移量

则剪切镜沿X轴的偏转角度为/>

此时，沿Y轴偏转角度为θ_y＝0；

同时沿X与Y轴方向偏转调节：控制步进电机驱动14精密螺杆13伸缩位移量

控制步进电机驱动17精密螺杆18伸缩位移量/>

则没X、Y轴方向的偏转角度为

本发明中，对系统剪切量的量化及校准过程可表述为：

开启特定激光图像发生器7，激发校准图案(亦称标准图案)10映射于检测面上。其中校准图案10的特征为空心图像，本例中采用空心三角形，三角形为等腰三角形，底角角度为∠a,腰长为l,各个宽的度为d。同时10的亮度明显大于1背景激光亮度(或在此流程前关闭1背景激光)；

从感光CCD单元5中采集一幅图像，对该图像进行二值化、滤波等操作后进行边缘检测，从边缘检测结果中提取封闭区域，该封闭区域可能的结果如图3所示；

通过上述处理图像中的连通区域检测个数，判断当前剪切量大小等级。连通区域数量等于1，剪切量为低等级；连通区域数量为2时，剪切量为高等级；连通区域数量为3时，剪切量为中等级。在计算剪切量时，将根据三个等级分别进行计算：

低等级：通过边缘检测得到三角形各边宽度d₁、d₂、d₃，则X方向的偏移量为

Y方向偏移量为Δy＝d₃-d

中等级：将检测得到连接区域S₁与S₃合并得到新的连接区域S′₁，S₂与S₃合并S′₂，分别计算S′₁与S′₂的中心点P₁(x₁,y₁)及P₂(x₂,y₂),则X方向的偏移量为Δx＝x₁-x₂,Y方向上的偏移量为Δy＝y₁-y₂。

高等级：分别计算检测得到连接区域S₁与S₂的中心点P₁(x₁,y₁)及P₂(x₂,y₂),则X方向的偏移量为Δx＝x₁-x₂,Y方向上的偏移量为Δy＝y₁-y₂。

驱动剪切镜调节装置分别绕X轴与Y轴偏移Δθ_x,Δθ_y后，重复步骤2及步骤3，计算新的Δx′，Δy′。则剪切量与剪切角的对应关系Δθ_x→(Δx′-Δx),Δθ_y→(Δy′-Δy)

根据上述对应关系，调节剪切镜的剪切量，使得校准图案完全重合，即d₁＝d₂＝d₃＝d，则此时剪切镜在X与Y方向上的偏移量都为0,由于实现校准的目的

同时已知激光图案内部空心区域面积为S_inner,若此时在采集的图像(已重合)中，连通区域S′_inner所占用的像素点总数为N，则像素与实际尺寸的量化对应关系为N/S_inner

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种利用用于激光剪切散斑系统的剪切镜调节及其校准装置实现的剪切镜调节及校准方法，所述剪切镜调节及其校准装置包括激光剪切散斑背景激光激励装置，分光棱镜，相移平面镜，剪切镜，感光CCD单元，前置镜头，剪切镜调节装置、激光发生器；所述的剪切镜调节装置包括安装在剪切镜背面中心位置的旋转支架、两个平衡弹簧以及两个由步进电机驱动的精密螺杆；所述两个平衡弹簧位于旋转支架同侧用于稳定剪切镜镜面位置，位于旋转支架另一侧的两个精密螺杆用于在步进电机的驱动下调节剪切镜偏转量；其特征在于包括：

S1、打开激光发生器，在被测面上投影相应的标准图案；

S2、从感光CCD单元中采集一幅图像，并进行图像边缘检测，再从边缘检测结果中提取封闭区域；

S3、通过封闭区域中连通区域的个数判断当前剪切量等级；根据不同的剪切量等级计算当前的剪切量Δx,Δy；

S4、利用剪切镜调节装置驱动剪切镜分别在X和Y方向偏转，即产生剪切角Δθ_x,Δθ_y,重复步骤S2至S3得到新的剪切量Δx′,Δy′,进而得到剪切量与剪切角的对应关系Δθ_x→(Δx′-Δx),Δθ_y→(Δy′-Δy)；

S5、根据上述对应关系，调节剪切镜的剪切角，使得标准图案完全重合，此时剪切镜在X与Y方向上的剪切量都为0,由此实现了校准的目的；

上述X方向为水平方向；Y是垂直方向，与精密螺杆在剪切镜背面触点连线平行。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：

已知被测面上投影的标准图案内部空心区域面积为S_inner,标准图案完全重合后其连通区域S′_inner所占用的像素点总数为N，则像素与实际尺寸的量化对应关系为N/S_inner，由此得到实际尺寸与像素之间的对应关系。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：Δθ_x,Δθ_y为任意非零，且保证激光校正图像在CCD视野范围内的值，优先选择使得剪切量等级变小的值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：剪切镜调节装置通过下述方式驱动剪切镜偏转：

沿Y轴方向偏转调节：控制两个步进电机驱动两个精密螺杆伸缩相同的位移量

则剪切镜沿Y轴的偏转角度为/>

此时，沿X轴偏转角度为θ_x＝0；

沿X轴方向偏转调节：控制两个步进电机驱动精密螺杆伸缩相反的位移量

则剪切镜沿X轴的偏转角度为/>

此时，沿Y轴偏转角度为θ_y＝0；

同时沿X与Y轴方向偏转调节：控制两个步进电机驱动两个精密螺杆伸缩不同的位移量

则沿X与Y轴方向的偏转角度为/>

l_x,l_y分别是螺杆与弹簧触点间距、两螺杆触点间距。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：S1中被测面上投影相应的标准图案为空心三角形，则S3中连通区域数量等于1，剪切量为低等级；连通区域数量为2时，剪切量为高等级；连通区域数量为3时，剪切量为中等级。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在计算时，将根据三个等级分别进行计算剪切量：

低等级：通过边缘检测得到三角形各边宽度d₁、d₂、d₃，则X方向的剪切量为

Y方向剪切量为Δy＝d₃-d；

中等级：将检测得到连接区域S₁与S₃合并得到新的连通区域S′₁，S₂与S₃合并S′₂，分别计算S′₁与S′₂的中心点P₁(x₁,y₁)及P₂(x₂,y₂),则X方向的剪切量为Δx＝x₁-x₂,Y方向上的剪切量为Δy＝y₁-y₂；其中S3为中间位置的连通区域；

高等级：分别计算检测得到连接区域S₁与S₂的中心点P₁(x₁,y₁)及P₂(x₂,y₂),则X方向的剪切量为Δx＝x₁-x₂,Y方向上的剪切量为Δy＝y₁-y₂。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：S1中关闭剪切散斑激光激励，或减弱剪切散斑激光激励使投影的标准图案的亮度大于剪切散斑激光激励的亮度。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述标准图案为空心且外形封闭的几何图形。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述标准图案为空心等腰或等边三角形。

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