CN115639158A - 一种自然光与偏振光混合成像检测超薄光学功能片的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自然光与偏振光混合成像检测超薄光学功能片的方法及装置，自然光与偏振光混合成像检测超薄光学功能片的方法，从自然光图像中提取每一个单元元件的边界线，确定每一个单元元件的位置，然后从单元元件边界线内的偏振图像中发现、并提取超薄光学功能片的位置；其中，一个单元元件包括一个光学材料基底和粘合在光学材料基底上的超薄光学功能片，或者，一个单元元件仅包括一个光学材料基底。本发明通过自然光图像与偏振图像相配合的方式，可准确无误地检测到超薄光学功能片在加工工件中的位置，同时确定各光学材料基底上是否有超薄光学功能片，准确性高，简单易操作。

Description

一种自然光与偏振光混合成像检测超薄光学功能片的方法及 装置

技术领域

本发明涉及一种自然光与偏振光混合成像检测超薄光学功能片的方法及装置，属于光学薄片器件的检测领域。

背景技术

在光学器件的设计、加工制造的过程中，经常需要用到一类薄片，例如光学晶体的薄片，其厚度非常薄，通常以波长为计量单位，力学强度不足于自我支撑作为独立的器件使用。工程实践上往往需要利用一块具有适当厚度的光学材料基底，将超薄的光学功能薄片粘合到光学基底材料上(见图1)，以便进一步地加工成合用的光学器件。

很多时候，这些功能性光学薄片(超薄光学功能片)的厚度不足于0.1mm，即小于100um。除了厚度很小之外，加之此类材料本身的透光特性，使得在生产加工的过程中难于/无法用肉眼分辨，经常会发生光学基底材料上没有粘结光学薄片的现象，浪费材料、浪费加工时间、降低了生产效率、提高了生产成本，若在光学器件组装完成前均没发现，还会严重影响光学器件的质量。为此，急需开发一种能检测光学材料基底上是否粘合了光学薄片的方案，以提高光学器件的有效率。

发明内容

本发明提供一种自然光与偏振光混合成像检测超薄光学功能片的方法及装置，通过自然光图像与偏振图像相配合的方式，实现了超薄光学功能片的快速检测。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种自然光与偏振光混合成像检测超薄光学功能片的方法，从自然光图像中提取每一个单元元件的边界线，确定每一个单元元件的位置，然后从单元元件边界线内的偏振图像中发现、并提取超薄光学功能片的位置；其中，一个单元元件包括一个光学材料基底和粘合在光学材料基底上的超薄光学功能片，或者，一个单元元件仅包括一个光学材料基底。

通过上述方法，可检测出光学材料基底上是否粘结了超薄光学功能片。

本发明超薄光学功能片包括超薄的光学晶体薄片或其他功能材料薄片。

本发明“超薄”的厚度小于0.1mm，当然，本申请的适用范围并不限于此厚度，本申请的方案对于≥0.1mm的功能片，也是适用的。

发明人在研发实践中发现，通过自然光图像与偏振图像相配合的方式，可使光学材料基底和超薄光学功能片呈现出不同的图像特征，从而实现对是否有超薄光学功能片的光学材料基底的区分和识别，究其原因，发明人认为，通常情况下，超薄光学功能片的材料与光学材料基底有着巨大的差异，例如，基底材料通常是玻璃，而超薄光学功能片通常是晶体，且由于超薄光学功能片是粘贴在光学材料基底上的，粘胶在固化的过程中体积发生收缩，必然会在界面产生一定的应力，因为光学材料基底的厚度远远大于超薄光学功能片，因而胶粘过程中在界面产生的应力，其绝大部分都被转移到了超薄光学功能片上，基于前述原因，都会在超薄光学功能片中产生各向异性的光学折射率，当光通过超薄光学功能片后必然会引起偏振特性的变化，而单单作为光学材料基底的玻璃则显示为各向同性的特性，当光通过基底玻璃时，偏振特性则不会发生变化，因此，可明显区分光学材料基底上是否粘合了超薄光学功能片。

为了提高检测效率和准确性，将自然光图像融合在偏振图像中显示。这样可在一张图像中完成自然光图像和偏振图像特征的读取。具体通过将自然光图像中提取的信息，按照对应的位置叠加在偏振图像中显示即可。图像的叠加技术，直接采用现有技术即可，本申请对此没有改进，因此不再赘述。

上述单元元件的边界线及取超薄光学功能片的位置均通过与其它区域的亮度差异或颜色差异来提取。这样既直观，又简单。

当光学材料基底和超薄光学功能片均透明时，自然光图像与偏振图像的获取方式为透射式；当光学材料基底和超薄光学功能片均不透明，或光学材料基底不透明、超薄光学功能片透明时，自然光图像与偏振图像的获取方式为反射式。

当超薄光学功能片不透明、而光学材料基底透明时，则可直观看出是否有超薄光学功能器。

上述透射式为：平行光源、起偏器、单元元件、检偏器、成像镜头和相机自下而上依次排列，将检偏器移出光路，拍摄的图像为自然光图像，将检偏器移进光路，拍摄的图像为偏振图像；

反射式为：单元元件、偏振分光器、检偏器、成像镜头和相机自下而上依次排列，平行光源设在偏振分光器的侧面，将检偏器移出光路，拍摄的图像为自然光图像，将检偏器移进光路，拍摄的图像为偏振图像。

为了降低成本，相机为CCD相机或CMOS相机；偏振分光器为直角棱柱结构或平面镜构型，偏振分光器的分光面45°安装，也即偏振分光器的分光面与水平或竖直的均呈45°夹角，平行光源的光线呈45°角照射在偏振分光器的分光面上。

为了提高检测效率，单元元件有n排、m列，其中n≥1，m≥1。一个器件单元的尺寸是比较小的，在实际的加工制造过程中，如图2所示，可将n排、m列单元元件排列粘合在同一个基体上，完成切割、精磨、抛光、检测等工序，以提高效率，n、m的具体取值，可根据单元元件大小确定，如可以是5排5列、5排4列等。

一种自然光与偏振光混合成像检测超薄光学功能片的装置，当光学材料基底和超薄光学功能片均透明时，包括支架、平行光源、起偏器、中空的样品载台、检偏器、成像镜头和相机，平行光源、起偏器、中空的样品载台、检偏器、成像镜头和相机自下而上依次连接在支架上，其中，平行光源的光线与起偏器、中空的样品载台、检偏器及成像镜头均垂直，检偏器可旋转地连接在支架上；

当光学材料基底和超薄光学功能片均不透明、或光学材料基底不透明和超薄光学功能片透明时，包括支架、平行光源、连接杆、中空的样品载台、偏振分光器、检偏器、成像镜头和相机，中空的样品载台、偏振分光器、检偏器、成像镜头和相机自下而上依次连接在支架上，平行光源通过连接杆连接在支架上，且平行光源位于偏振分光器的一侧，且平行光源位于偏振分光器的一侧，其中，检偏器可旋转地连接在支架上，中空的样品载台、检偏器及成像镜头相互平行，平行光源与偏振分光器正对，平行光源的光线照射到偏振分光器上，部分光线被向下反射、并且形成线偏振光，当向下照射的线偏振光到达单元元件后被反射向上，依次穿过偏振分光器和检偏器或穿过偏振分光器从成像镜头进入相机。

上述中空的样品载台，指样品载台为边框结构，便于光线穿过样品载台上的单元元件。

为了节约成本，相机为CCD相机或CMOS相机；偏振分光器可采用偏振分光镜，偏振分光器为直角棱柱结构或平面镜构型，偏振分光器的分光面45°安装，也即偏振分光器的分光面与水平或竖直的均呈45°夹角，平行光源的光线呈45°角照射在偏振分光器的分光面上。偏振分光器的分光面与中空的样品载台、检偏器及成像镜头均呈45°夹角。

为了便于控制，上述各装置还包括工控机，平行光源和相机均与工控机连接、并受工控机控制。工控机直接采用现有设备即可。

为了便于控制，检偏器通过安装在支架上的电机驱动旋转，电机与工控机连接、并受工控机控制。

利用上述自然光与偏振光混合成像检测超薄光学功能片的装置检测超薄光学功能片的方法，当光学材料基底和超薄光学功能片均透明时，包括如下步骤：

1)打开平行光源，将待检测单元元件置于中空的样品载台上；

2)将检偏器旋转、移出光路，拍摄自然光条件下的自然光图像，通过亮度差异，提取每一个单元元件的边界线，确定每一个单元元件的位置；

3)将检偏器旋转、移入光路，拍摄偏振光条件下的偏振图像，通过单元元件边界线内的亮度差异，发现、并提取超薄光学功能片的位置。

上述通过步骤3)中的偏振图像，超薄光学功能片与光学材料基底可得到明显的区分，很容易识别出超薄光学功能片的存在与否。偏振成像大大增强了光学材料基底与超薄光学功能片之间的信号差异，不但可以轻易地用肉眼将超薄光学功能片分辨出来，而且可以实现自动化判读检测。

上述步骤2)中，将检偏器旋转、移出光路，拍摄自然光条件下的自然光图像，单元元件的边界线与其它区域形成明显的亮度或颜色差异，由此可提取每一个单元元件的边界线，确定每一个单元元件的位置；

步骤3)中，将检偏器旋转、移入光路，拍摄偏振光条件下的偏振图像，有超薄光学功能片的单元元件的右侧出现一条明显的高亮度或高色差区域，而没有超薄光学功能片的单元元件的右侧则没有高亮度或高色差区域，由此可确定是否有发现、并提取超薄光学功能片的位置。

为了提高检测效率和准确性，将步骤2)中的自然光图像融合在步骤3)中的偏振图像中显示，将两幅图像中提取的信息，按照位置对应关系叠加融合后，可清楚地显示单元元件的边界线和超薄光学功能片右侧的高亮度的条纹区域，不仅肉眼可见，而且可通过计算机自动判读检测的结果，可实现自动化检测，大大提高了生产效率。

反射式的方案，操作流程与上述的类似，不再赘述。

本申请可结合现有的自动化技术，实现全自动化检测。

本发明创造性体融合了单元元件在自然光条件下的成像特点以及在偏振光条件下的成像特点，实现了对超薄光学功能片的识别和定位。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

本发明自然光与偏振光混合成像检测超薄光学功能片的方法，通过自然光图像与偏振图像相配合的方式，可准确无误地检测到超薄光学功能片在加工工件中的位置，同时确定各光学材料基底上是否有超薄光学功能片，准确性高，简单易操作。

附图说明

图1为光学材料基底与光学功能薄片厚度方向的粘合示意图；

图2为5排、5列单元元件粘合在同一个基体上的示意图；

图3为通过透射式的方式获取图像的原理示意图；

图4为通过反射式的方式获取图像的原理示意图；

图5为实施例1中自然光与偏振光混合成像检测超薄光学功能片的装置的结构示意图；

图6为实施例1中5排、4列单元元件粘合在一起拍摄的自然光图像；

图7为实施例1中单个单元元件的自然光图像；

图8为实施例1中5排、4列单元元件粘合在一起拍摄的偏振图像；

图9为实施例1中单个单元元件的偏振图像；

图10为实施例1中自然光图像叠加在偏振图像中的示意图；

图中，1为单元元件，11为光学材料基底，12为超薄光学功能片，2为平行光源，3为起偏器，4为检偏器，5为相机，6为偏振分光器，7为支架，8为中空的样品载台，9为成像镜头，10为电机，11为电源线。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

本申请上下、左右、水平、竖直、顶底等方位词，均为基于附图所示的相对方位或位置关系，不应理解为对本申请的绝对限制。

各例中，超薄光学功能器为晶体材质，光学材料基底为玻璃材质。

实施例1

本例中，光学材料基底和超薄光学功能片均为透明材质，如图1所示，超薄光学功能片粘贴在光学材料基底上，由于超薄光学功能片与光学材料基底都是光学透明的材料，且粘胶也是光学透明的，加之超薄光学功能片的厚度很小，因此，在生产过程中难于识别光学材料基底是否已经粘贴了超薄光学功能片，很容易导致混料的发生，实践中会发生将没有粘贴超薄光学功能片的光学材料基底当成成品发送给客户的现象。

一种自然光与偏振光混合成像检测超薄光学功能片的方法，从自然光图像中提取每一个单元元件的边界线，确定每一个单元元件的位置，然后从边界线内的偏振图像中发现、并提取超薄光学功能片的位置；其中，一个单元元件包括一个光学材料基底(玻璃材质)和粘合在光学材料基底上的超薄光学功能片(晶体材质，厚度0.08)，或者，一个单元元件仅包括一个光学材料基底。通过前述方法，可检测出光学材料基底上是否粘结了超薄光学功能片。

本例中，光学材料基底和超薄光学功能片均为可见透明的，通过透射式的方式获取自然光图像与偏振图像，如图3所示，在平行光源之上安装一个偏振片作为起偏器，将照明光源改造成线偏振光，当线偏振光穿过光学材料基底和超薄光学功能器后，由于材料的不同以及在加工过程中产生的应力的不同，穿透过去的光的偏振特性存在较大的差异，在光线进入相机镜头前，安装一个与起偏器垂直的偏振片作为检偏器，将检偏器移出光路，拍摄自然光图像，将检偏器移进光路，拍摄偏振图像，自然光图像叠加在偏振图像中显示，通过分析图像中的差异，可以实现对超薄光学功能片的检测。

本例采用具体的检测装置的结构，如图5所示，包括支架、平行光源、起偏器、中空的样品载台、检偏器、成像镜头和相机，平行光源、起偏器、中空的样品载台、检偏器、成像镜头和相机自下而上依次连接在支架上，其中，平行光源的光线与起偏器、中空的样品载台、检偏器、成像镜头及相机的镜头均垂直，检偏器可旋转地连接在支架上；前述相机为CCD相机，当然也选用CMOS相机，相机在支架上的高度可调；

采用上述的装置的检测过程如下：

1)打开平行光源，将待检测单元元件置于中空的样品载台上；

2)将检偏器旋转、移出光路，拍摄自然光条件下的自然光图像，见图6-7，从图6-7可明显看出，单元元件的边界线与其它区域形成明显的亮度差异，由此可提取每一个单元元件的边界线，确定每一个单元元件的位置；从图7也可现轻微的亮度差异，实际就是超薄光学功能片，由于信号差异很小，不仔细观察，根本无法分辨出来，更无法实现自动化检测了；

3)将检偏器旋转、移入光路，拍摄偏振光条件下的偏振图像，见图8-9，从图8-9可明显看出，有超薄光学功能片的单元元件的右侧出现一条明显的高亮度的条纹区域，而没有超薄光学功能片的单元元件的右侧则没有此条纹区域，由此可确定是否有发现、并提取超薄光学功能片的位置；

将步骤2)中的自然光图像叠加在步骤3)中的偏振图像中显示，见图10，由图10可明显看到单元元件的边界线和超薄光学功能片右侧的高亮度的条纹区域，不仅肉眼可见，而且可通过计算机自动判读检测的结果。通过连续对10批(每批500-800件)单元元件的检测，对超薄光学功能片检测(判断有无超薄光学功能片)的准确性达到100％，误判率为0。

实施例2

在实施例1的基础上，进一步作了如下改进：检测装置还包括工控机，检偏器通过安装在支架上的电机驱动旋转，平行光源、相机和电机均与工控机连接、并受工控机控制。

实施例3

本例中，光学材料基底和超薄光学功能片均不透明材质，当然，光学材料基底不透明、超薄光学功能片透明时，可采用本例的方式，当超薄光学功能片不透明、而光学材料基底透明时，则可直观快速地看出光学材料基底上是否有超薄光学功能器。

本例中，自然光图像与偏振图像的获取方式为反射式，通过反射式的方式获取自然光图像与偏振图像，如图4所示，将均匀照射的平行光源照射到一个偏振分光器上，有一半的光被反射向下并且形成线偏振光，将照明光源改造成线偏振光，当向下照射的线偏振光到达超薄光学功能器和光学材料基底后被反射向上，由于前述的材料的不同以及在加工过程中产生的应力的不同，超薄光学功能器和光学材料基底反射向上的光的偏振特性存在较大的差异。这束携带了超薄光学功能器和光学材料基底之间差异信息的光将穿过偏振检偏器继续向上传导，进入相机镜头。将检偏器移出光路，拍摄自然光图像，将检偏器移进光路，拍摄偏振图像，自然光图像叠加在偏振图像中显示，通过分析图像中的差异，可以实现对超薄光学功能片的检测。

本例中，具体的检测装置的结构，包括支架、平行光源、连接杆、中空的样品载台、偏振分光器、检偏器、成像镜头和相机，中空的样品载台、偏振分光器、检偏器、成像镜头和相机自下而上依次连接在支架上，平行光源通过连接杆连接在支架上，且平行光源位于偏振分光器的一侧，且平行光源位于偏振分光器的一侧，其中，检偏器可旋转地连接在支架上，中空的样品载台、检偏器、成像镜头及相机的镜头相互平行，平行光源与偏振分光器正对，平行光源的光线照射到偏振分光器上，部分光线被向下反射、并且形成线偏振光，当向下照射的线偏振光到达单元元件后被反射向上，依次穿过偏振分光器和检偏器或穿过偏振分光器从成像镜头进入相机。本例中相机为CCD相机，当然也可采用CMOS相机，相机在支架上的高度可调；如图4所示，偏振分光器为直角棱柱结构，当然也可以是平面构型，偏振分光器的分光面45°安装，平行光源的光线呈45°角照射在偏振分光器的分光面上，偏振分光器的分光面与中空的样品载台、检偏器及成像镜头均呈45°夹角。

采用上述的装置，检测各光学材料基底上是否有超薄光学功能片的过程和现象与实施例1相同，对超薄光学功能片检测的准确性达到100％。

实施例4

在实施例3的基础上，进一步作了如下改进：检测装置还包括工控机，检偏器通过安装在支架上的电机驱动旋转，平行光源、相机和电机均与工控机连接、并受工控机控制。

Claims (10)

1.一种自然光与偏振光混合成像检测超薄光学功能片的方法，其特征在于：从自然光图像中提取每一个单元元件的边界线，确定每一个单元元件的位置，然后从边界线内的偏振图像中发现、并提取超薄光学功能片的位置；其中，一个单元元件包括一个光学材料基底和粘合在光学材料基底上的超薄光学功能片，或者，一个单元元件仅包括一个光学材料基底。

2.如权利要求1所述的自然光与偏振光混合成像检测超薄光学功能片的方法，其特征在于：将自然光图像融合在偏振图像中显示；单元元件的边界线及取超薄光学功能片的位置均通过与其它区域的亮度或颜色的差异来提取。

3.如权利要求1或2所述的自然光与偏振光混合成像检测超薄光学功能片的方法，其特征在于：当光学材料基底和超薄光学功能片均透明时，自然光图像与偏振图像的获取方式为透射式；当光学材料基底和超薄光学功能片均不透明，或光学材料基底不透明、超薄光学功能片透明时，自然光图像与偏振图像的获取方式为反射式。

4.如权利要求3所述的自然光与偏振光混合成像检测超薄光学功能片的方法，其特征在于：透射式为：平行光源、起偏器、单元元件、检偏器、成像镜头和相机自下而上依次排列，将检偏器移出光路，拍摄的图像为自然光图像，将检偏器移进光路，拍摄的图像为偏振图像；

反射式为：单元元件、偏振分光器、检偏器、成像镜头和相机自下而上依次排列，平行光源设在偏振分光器的侧面，将检偏器移出光路，拍摄的图像为自然光图像，将检偏器移进光路，拍摄的图像为偏振图像。

5.如权利要求1或2所述的自然光与偏振光混合成像检测超薄光学功能片的方法，其特征在于：相机为CCD相机或CMOS相机；偏振分光器为直角棱柱结构或平面镜构型，偏振分光器的分光面45°安装，平行光源的光线呈45°角照射在偏振分光器的分光面上；单元元件有n排、m列，其中n≥1，m≥1。

6.一种自然光与偏振光混合成像检测超薄光学功能片的装置，其特征在于：当光学材料基底和超薄光学功能片均透明时，包括支架、平行光源、起偏器、中空的样品载台、检偏器、成像镜头和相机，平行光源、起偏器、中空的样品载台、检偏器、成像镜头和相机自下而上依次连接在支架上，其中，平行光源的光线与起偏器、中空的样品载台、检偏器及成像镜头均垂直，检偏器可旋转地连接在支架上；

当光学材料基底和超薄光学功能片均不透明、或光学材料基底不透明和超薄光学功能片透明时，包括支架、平行光源、连接杆、中空的样品载台、偏振分光器、检偏器、成像镜头和相机，中空的样品载台、偏振分光器、检偏器、成像镜头和相机自下而上依次连接在支架上，平行光源通过连接杆连接在支架上，且平行光源位于偏振分光器的一侧，且平行光源位于偏振分光器的一侧，其中，检偏器可旋转地连接在支架上，中空的样品载台、检偏器及成像镜头相互平行，平行光源与偏振分光器正对，平行光源的光线照射到偏振分光器上，部分光线被向下反射、并且形成线偏振光，当向下照射的线偏振光到达单元元件后被反射向上，依次穿过偏振分光器和检偏器或穿过偏振分光器从成像镜头进入相机。

7.如权利要求6所述的自然光与偏振光混合成像检测超薄光学功能片的装置，其特征在于：相机为CCD相机或CMOS相机；偏振分光器为直角棱柱结构或平面镜构型，偏振分光器的分光面45°安装，平行光源的光线呈45°角照射在偏振分光器的分光面上；偏振分光器的分光面与中空的样品载台、检偏器及成像镜头均呈45°夹角。

8.如权利要求6或7所述的自然光与偏振光混合成像检测超薄光学功能片的装置，其特征在于：还包括工控机，平行光源和相机均与工控机连接、并受工控机控制；检偏器通过安装在支架上的电机驱动旋转，电机与工控机连接、并受工控机控制。

9.利用权利要求7-8任意所述的自然光与偏振光混合成像检测超薄光学功能片的装置检测超薄光学功能片的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)打开平行光源，将待检测单元元件置于中空的样品载台上；

2)将检偏器旋转、移出光路，拍摄自然光条件下的自然光图像，通过亮度差异，提取每一个单元元件的边界线，确定每一个单元元件的位置；

3)将检偏器旋转、移入光路，拍摄偏振光条件下的偏振图像，通过单元元件边界线内的亮度差异，发现、并提取超薄光学功能片的位置。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤2)中，将检偏器旋转、移出光路，拍摄自然光条件下的自然光图像，单元元件的边界线与其它区域形成明显的亮度或颜色差异，由此提取每一个单元元件的边界线，确定每一个单元元件的位置；

步骤3)中，将检偏器旋转、移入光路，拍摄偏振光条件下的偏振图像，有超薄光学功能片的单元元件的右侧出现一条明显的高亮度或高色差区域，而没有超薄光学功能片的单元元件的右侧则没有高亮度或高色差区域，由此可确定是否有发现、并提取超薄光学功能片的位置；将步骤2)中的自然光图像融合在步骤3)中的偏振图像中显示。

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