CN116358842A - 基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法及装置 - Google Patents
基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法及装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116358842A CN116358842A CN202310649207.0A CN202310649207A CN116358842A CN 116358842 A CN116358842 A CN 116358842A CN 202310649207 A CN202310649207 A CN 202310649207A CN 116358842 A CN116358842 A CN 116358842A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mechanical arm
- optical element
- caliber optical
- camera module
- defect
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000007547 defect Effects 0.000 title claims abstract description 140
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 114
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 49
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 76
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims abstract description 43
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 claims abstract description 14
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 10
- 238000013507 mapping Methods 0.000 claims description 7
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 5
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 claims description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 11
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 238000005305 interferometry Methods 0.000 description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000000790 scattering method Methods 0.000 description 2
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 230000004313 glare Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 238000006748 scratching Methods 0.000 description 1
- 230000002393 scratching effect Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
- G01M11/02—Testing optical properties
- G01M11/0242—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations
- G01M11/0278—Detecting defects of the object to be tested, e.g. scratches or dust
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
- G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
- G01N2021/0106—General arrangement of respective parts
- G01N2021/0112—Apparatus in one mechanical, optical or electronic block
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Abstract
本发明涉及光学检测领域，具体提供了基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法及装置，采用粗扫模式和精扫模式结合的方式，对待检测大口径光学元件表面缺陷进行暗场成像和明场成像，并对采集到的图像进行拼接，对定位误差以及复杂背景噪声进行消除，实现表面缺陷的轮廓提取及定位，结合显微成像技术可以实现对多种材料、多种面型的大口径光学元件表面缺陷在位检测，具有检测效率高、判定缺陷等级准确的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测领域，特别涉及一种基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷在位检测方法及装置。
背景技术
随着航空航天领域需求的提升，光学元件的尺寸发展至米级甚至更大口径，同时对各种光学参数的精密检测也提出了更高的要求，在光学系统中大口径的复杂曲面光学元件表面缺陷在位检测显得至关重要。光学元件中的表面缺陷会极大地影响光学系统的性能，而且会对导致光学元件的良率的下降，表面缺陷的检测与控制技术更是区别发达国家制造能力高低的关键所在，例如：在大型天文望远镜“詹姆斯-韦伯”中主镜的对角线长度达到6.5m，由于其处于第二拉格朗日点，不可能派宇航员进行维修，所以在制造过程中必须要做到精益求精。另外，在我国的神光项目、美国的国家点火装置、法国的兆焦耳激光装置，都是为研究惯性约束核聚变所建成的高功率激光装置，由于表面缺陷的存在会产生大量的热效应，所以对于表面缺陷的检测技术提出了更为严苛的要求。
目前，光学表面缺陷的检测主要有接触式和非接触式两大类，接触式主要使用的仪器有扫描探针式表面轮廓仪、原子力显微镜等，其优点是精度高，而且能获得缺陷的具体形貌，但接触式检测的缺点同样明显，其检测速度较慢，并且存在划伤工件的隐患，不适用于大口径的全表面检测。非接触式主要分为干涉法、目视法及散射法等，干涉法主要有激光、白光干涉仪微分干涉差法，但是其存在条纹解调复杂、横向分辨率低以及表面材料不同时不具通用性等问题，目测法是国内外表面检测使用最多的方法，该方法也是国际标准、美国军事标准、我国军事标准中使用的表面质量检测方法。检测人员身处暗场照明的环境中，人工观测并自主判断表面缺陷的情况。因此，该方法存在无法定量对缺陷尺寸进行统计、检测能力和数据统计分析局限性大、检测判断主观性强等诸多不足。散射法主要有散射成像法，其优点是结果直观、对比度好。
目前，表面缺陷的检测一般采用对同等加工工艺的小尺寸样品进行测试，针对大口径非球面光学元件的表面缺陷检测，国内外鲜有报道。在有限的研究和产品中，多针对小口径和平面光学元件，多数检测方法也只能实现表面缺陷的离线检测，存在检测精度差、效率低、口径小、非在线、面型单一等问题。本发明提出基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷在位检测技术及装置，结合显微成像技术，能实现对多种材料、各种面型光学元件的在位快速检测。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例中提供一种基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法及装置，具有缺陷检测效率高的优点。
第一方面，本发明实施例中提供一种基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法，机械臂与相机模块进行结合，利用机械臂的高自由度及大扫描范围对待检测大口径光学元件进行表面缺陷在位检测，所述待检测大口径光学元件划分为多个子孔径，包括：
所述相机模块具有粗扫模式和精扫模式，当所述相机模块处于粗扫模式下，利用高功率平行光束倾斜入射至所述待检测大口径光学元件表面并按照所述路径规划对所述多个子孔径进行逐个扫描，针对每个子孔径，反射光束偏离所述相机模块的物镜的接收孔径并形成暗场检测环境，所述待检测大口径光学元件表面的缺陷区域对所述高功率平行光束进行漫反射形成散射光，所述散射光进入所述物镜并在所述相机模块进行成像得到暗场散射成像；
当所述相机模块处于精扫模式下，在所述暗场散射成像的基础上，结合粗扫结果对缺陷进行定位并反馈给所述机械臂，机械臂驱动相机模块上的精扫相机进入到缺陷区域，并切换至明场模式所述相机模块采用所述相机模块的同轴照明，经过准直的光源经过分光镜反射后与光轴同轴，所述相机模块通过分光镜接收来自所述缺陷区域的少量反射光，从而与不存在缺陷区域进行对比，较暗处为缺陷，并以此方式计算缺陷宽度或长度，得到检测图像；
在满足所述机械臂沿法线方向对所述待检测大口径光学元件表面进行扫描条件下，根据所述视场范围值和所述面型微分特征对所述机械臂进行路径规划，所述路径规划包括所述多个子孔径以及机械臂抖动补偿；
对多个子孔径对应的检测图像进行拼接形成所述待检测大口径光学元件表面的全表面图像；
对所述全表面图像进行图像识别得到缺陷区域的轮廓提取特征和定位信息，并基于所述轮廓提取特征和所述定位信息确定所述待检测大口径光学元件表面的缺陷等级。
作为一种可选的方案，所述检测方式是基于机械臂进行在位检测扫描，当对所述待检测大口径光学元件的表面加工完成以后，将相机模块直接放置于机械臂，对所述待检测大口径光学元件进行在位检测。
本方案可以对多种材料的光学元件进行检测，如各种光学玻璃、碳化硅陶瓷、金属镜、红外晶体等。
作为一种可选的方案，所述在满足所述机械臂沿法线方向对所述待检测大口径光学元件表面进行扫描条件下，根据所述视场范围值和所述面型微分特征对所述机械臂进行路径规划之前，还包括：
对所述待检测大口径光学元件表面的放置平面进行标定；
将激光跟踪仪的靶球放置于所述相机模块镜头处，手动控制所述机械臂以及靶球接近于所述放置平面的坐标原点，并且分别沿着X轴和Y轴运动目标距离；
利用所述激光跟踪仪辅助标定确定所述机械臂无其他方向的偏移，并根据所述机械臂内置系统软件确定新工具坐标系。
作为一种可选的方案，在满足所述机械臂沿法线方向对所述待检测大口径光学元件表面进行扫描条件下，所述根据所述视场范围值和所述面型微分特征对所述机械臂进行路径规划之前，还包括：
通过曲面法线方程建立复杂曲面法线方向的数学表达模型，利用所述机械臂对应的仿真软件模拟机械臂末端运动，分析所述机械臂的变换矩阵建立机械臂运动空间表征模型；
分析所述相机模块的显微成像系统空间几何特征以及测量工具与被测曲面的坐标变换关系，建立机械臂关节坐标到末端执行坐标的高精度映射模型，完成对机械臂运动轨迹的规划。
作为一种可选的方案，所述基于所述轮廓提取特征和所述定位信息确定所述待检测大口径光学元件表面的缺陷等级，包括：
对表面缺陷进行轮廓提取及定位，并对于包括缺陷累计长度、等效长度在内的标准要求参数进行提取，得到所述待检测大口径光学元件表面的缺陷等级。
第二方面，本发明实施例中提供一种基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测装置，用于执行如上述的基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法，包括机械臂、相机模块，所述相机模块设置在所述机械臂的末端。
作为一种可选的方案，所述机械臂采用六自由度机械臂，所述相机模块具有显微成像系统。
本发明实施例中提供的基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法及装置，采用粗扫模式和精扫模式结合的方式，对待检测大口径光学元件表面进行暗场成像和明场成像，并对采集到的图像进行拼接，对定位误差以及复杂背景噪声进行消除，实现表面缺陷的轮廓提取及定位，结合显微成像技术可以实现对多种材料（光学玻璃、碳化硅陶瓷、金属镜、红外晶体等）、多种面型（平面、球面、非球面、自由曲面等）的大口径光学元件的缺陷快速检测，具有缺陷检测效率高的优点。
本发明的有益效果是：
在有限的研究和产品中，多针对小口径和平面光学元件，多数检测方法也只能实现表面缺陷的离线检测，存在检测精度差、效率低、口径小、非在线、面型单一等问题。本发明是一种基于机械臂的表面缺陷检测技术及装置，能够完成对大口径复杂曲面表面缺陷的在位检测，增加了表面缺陷检测领域的在位检测、大口径复杂曲面的缺陷检测能力。并且结合图像处理技术可以实现对多种材料、不同缺陷的准确拼接，完成对表面缺陷的轮廓提取以及准确定位，并能够结合统计结果实现表面等级判定。
附图说明
图1为本发明实施例中提供一种基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法的流程图；
图2为本发明实施例中提供一种基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法中的路径规划示意图；
图3A为本发明实施例中提供一种基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法中的装置结构示意图；
图3B为本发明实施例中提供一种基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法中放置平面的标定过程示意图；
图4为本发明实施例中提供一种基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法中高精度坐标关系映射转化关系示意图；
图5为本发明实施例中提供一种基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法中暗场成像检测反射镜表面缺陷示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
结合图1所示，本发明实施例中提供一种基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法，机械臂与相机模块进行结合，利用机械臂的高自由度及大扫描范围对待检测大口径光学元件进行表面缺陷在位检测，待检测大口径光学元件划分为多个子孔径，具体包括：
S101、所述相机模块具有粗扫模式和精扫模式，当所述相机模块处于粗扫模式下，利用高功率平行光束倾斜入射至所述待检测大口径光学元件表面并按照所述路径规划对所述多个子孔径进行逐个扫描，针对每个子孔径，反射光束偏离所述相机模块的物镜的接收孔径并形成暗场检测环境，所述待检测大口径光学元件表面的缺陷区域对所述高功率平行光束进行漫反射形成散射光，所述散射光进入所述物镜并在所述相机模块进行成像得到暗场散射成像；
S102、当所述相机模块处于精扫模式下，在所述暗场散射成像的基础上，结合粗扫结果对缺陷进行定位并反馈给机械臂，机械臂驱动相机模块上的精扫相机进入到缺陷区域，并切换至明场模式所述相机模块采用同轴照明，经过准直的光源经过分光镜反射后与相机模块的光轴同轴，所述相机模块通过分光镜接收来自所述缺陷区域的少量反射光，从而与不存在缺陷区域进行对比，较暗处为缺陷，并以此方式计算缺陷宽度或长度，得到检测图像；
S103、在满足所述机械臂沿法线方向对所述待检测大口径光学元件表面进行扫描条件下，根据所述视场范围值和所述面型微分特征对所述机械臂进行路径规划，所述路径规划包括多个子孔径以及机械臂抖动补偿；
S104、对多个子孔径对应的检测图像进行拼接形成所述待检测大口径光学元件表面的全表面图像；
S105、对所述全表面图像进行图像识别得到缺陷区域的轮廓提取特征和定位信息，并基于所述轮廓提取特征和所述定位信息确定所述待检测大口径光学元件表面的缺陷等级。
本发明实施例中提供的基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法，采用粗扫模式和精扫模式结合的方式，对待检测大口径光学元件表面进行暗场成像和明场成像，并对采集到的图像进行拼接，对定位误差以及复杂背景噪声进行消除，实现表面缺陷的轮廓提取及定位，结合显微成像技术可以实现对多种材料、多种面型的大口径光学元件的缺陷快速检测，具有缺陷检测效率高的优点。
本实施例中，相机模块的视场范围值可以为正方形，对于视场范围值可以根据需要进行选择，方便扫描即可，对此不做限定。
结合图2所示，本实施例中，待检测大口径光学元件表面可以为椭圆形的反射镜，当相机模块处于粗扫模式下，每个图像有5%-10%的像素重叠，在待检测大口径光学元件表面上的扫描规划图。
结合图3A和3B所示，机械臂1的末端安装有靶球4，通过激光跟踪仪5对靶球4进行跟踪观测，具体地，在一些实施例中，为实现精确运行，需对待检测大口径光学元件表面3的摆放平面进行标定，在S102所述在满足所述机械臂沿法线方向对所述待检测大口径光学元件表面进行扫描条件下，根据所述视场范围值和所述面型微分特征对所述机械臂进行路径规划之前，还包括：
对所述待检测大口径光学元件表面的放置平面进行标定；
将靶球4放置于所述相机模块2镜头处，手动控制所述机械臂1以及靶球4接近于所述放置平面的坐标原点，并且分别沿着X轴和Y轴运动目标距离；
利用所述激光跟踪仪5辅助标定确定所述机械臂1无其他方向的偏移，并根据所述机械臂内置系统软件确定新工具坐标系。
具体地，机械臂内置系统软件通过坐标原点、运动后的X轴坐标、Y轴坐标等数据自动计算求得新工具坐标系。
本发明实施例中提供了坐标系标定方法，具体地，在待检测大口径光学元件表面区域内放置尖点，采用激光跟踪器和靶球作为示教器控制机械臂1进行对准，保持机械臂1指针中心不变，重复操作四到五次，为了方便理解，这里对机械臂的坐标系进行介绍，世界坐标系是一个固定在“地面”上的一个静止的参考坐标系,这个坐标系不会随着时间发生平移/旋转，也称之为全局参考坐标系。机械臂的基坐标系在机械臂基座的位置上，如果机械臂是固定在地面上的，则机械臂的基坐标系相对世界坐标系就是静止的;如果机械臂安装在滑轨上/AGV移动平台上，基坐标系相对于世界坐标系就是动态变换的，机械臂的工具坐标系的一般定义方法是以工具中心点为原点建立坐标系。例如采用六轴机械臂时，六轴机械臂末端的位姿包括六个参数，分别为XYZABC。六轴机械臂末端的位姿是以基坐标系作为参考坐标系的。X：笛卡尔坐标系的X轴，X轴距离Y：笛卡尔坐标系的Y轴，Y轴距离Z：笛卡尔坐标系的Z轴，Z轴距离A：X-Y-Z固定角坐标系下的偏转角B：X-Y-Z固定角坐标系下的俯仰角C：X-Y-Z固定角坐标系下的回转角，基于基坐标系并结合机械臂内置软件生成工作坐标系，完成工件标定。并与显微成像系统标定方法的结果进行分析结合，用以形成基坐标和工作坐标，本领域普通技术人员应当了解，对此不做赘述。
作为一种可选的方案，在满足所述机械臂沿法线方向对所述待检测大口径光学元件表面进行扫描条件下，所述根据所述视场范围值和所述面型微分特征对所述机械臂进行路径规划之前，还包括：
通过曲面法线方程建立复杂曲面法线方向的数学表达模型，其中复杂曲面包括离轴非球面、高阶非球面以及自由曲面等，利用所述机械臂1对应的仿真软件模拟机械臂末端运动，分析所述机械臂1的变换矩阵建立机械臂运动空间表征模型；
分析所述相机模块2的显微成像系统空间几何特征以及测量工具与被测曲面的坐标变换关系，建立机械臂关节坐标到末端调执行坐标的高精度映射模型。
具体地，在S105中所述基于所述轮廓提取特征和所述定位信息确定所述待检测大口径光学元件表面的缺陷等级，包括：
对表面缺陷进行轮廓提取及定位，并对于包括缺陷累计长度、等效长度在内的标准要求参数进行提取，得到所述待检测大口径光学元件表面的缺陷等级。并且本装置可对多种材料进行缺陷检测，如碳化硅、改性硅、光学玻璃等。
待检测大口径光学元件表面的表面缺陷等级，依据麻点和划痕等表面缺陷的大小和数量划分为若干个等级，可以采用新国标 GB/T1185-2006《光学零件表面疵病》（以下简称新国标）或者美军标（MIL-0-13830A或MIL-PRF-13830B，以下简称美军标），具体地，新国标与德国标准DIN3140，以及国际标准ISO10110-7十分相似，可以很方便的与国际标准接轨。一般用B/N×A表示，B/为缺陷标记，N为允许的缺陷个数，A为级数，A=M1/2，M为表面缺陷的面积，单位为平方毫米。ISO国际标准中通常用5/N×A表示，5/为缺陷标记，其余同国标。新国标采用面积法来表征缺陷，按照单个缺陷的级数A从小到大（0.004~4）按照公比1.6设置了16个等级。美军标至今美国光学界一直在沿用1963年实施的MIL-0-13830A，或沿用1971年修订的MIL-PRF-13830B，作为判断外观的标准。表示方法很简单：划痕号码和麻点号码之间加一短划线或斜线，如60-40或60/40，表示划痕号码是60，麻点号码是40。美军标中规定长宽比大约4:1的为划痕，小于4:1的为麻点。关于麻点，美军标规定如下：每20mm直径上只允许有1个较大的麻点。每20mm直径上所有麻点直径总和不超过较大的麻点的2倍。当麻点要求等级为10甚至更高时，任意2个麻点之间距必须大约1mm。小于2.5μm的麻点忽略不计。关于划痕，美军标规定如下：当划痕级数没有超出品质要求，但存在较大划痕，此时所有较大划痕长度之和须小于通光口径的1/4，需要说明的是，对于缺陷等级本领域普通技术人员可以灵活选择，对此不做限定。
结合图4所示，为了实现机械臂1沿法线方向进行扫描，还需要分析复杂曲面面型的微分特征，本发明实施例中提供了基于高精度法线指向的多自由度复合控制技术，具体地，利用曲面微分方法，通过曲面法线方程建立复杂曲面法线方向的数学表达模型，使用机械臂仿真软件模拟机械臂末端运动，分析机械臂的变换矩阵建立机械臂运动空间表征模型与显微成像系统空间几何特征，标定显微成像系统的空间几何位置关系，实现高精度安装，分析测量工具与被测曲面的坐标变换关系，建立机械臂关节坐标到末端执行坐标的高精度映射模型，图4中展示了高精度坐标关系映射转化关系图，实现基于机械臂的高精度法线指向的多自由度复合控制，从而实现自由曲面大口径反射镜的粗扫模式。
本发明实施例中提供了显微成像系统标定方法，具体地，将检测工具与机械臂结合时，需要对相机模块2的显微成像系统进行标定，首先在机械臂工作区放置一个标准平面，使标准平面作为工件坐标系，并在相机模块2上放置靶球4，对机械臂1精扫路径进行误差分析，并利用激光跟踪仪5对机械臂的零位姿进行高精度标定。
本发明实施例中，首先对串联结构机械臂六自由度运动特点进行分析，继而基于高精度法线指向的多自由度复合控制方法，建立机械臂关节坐标到末端执行坐标的高精度映射模型，从而制定基于位移传感器的实时位移测量方法和复杂边界条件下的测量轨迹规划策略，以实现对不同光学材料、多种面型的大口径光学元件表面缺陷的高效高精度在位测量路径规划。其中面型包括高阶非球面、离轴非球面以及自由曲面等。
本发明实施例中提供了误差自适应动态校正技术，具体地，结合显微成像系统的测量动态范围，通过似然估计等统计学方法，建立适用于显微成像系统测量的运动轨迹误差统计学分布模型，结合显微成像系统的位移及角度动态约束，建立多目标约束的运动误差优化模型，基于激光跟踪仪的实时位移测量进行误差监测，通过分析复杂曲面及显微测量系统的相对位置关系，建立基于位移传感器的实时位移测量模型，分析得到实时测量的位移数据规律，根据延时控制等理论方法，实现显微成像系统空间误差自适应动态校正技术。
本发明实施例中还提供另一种基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法，包括：
S201、获取位于机械臂上的相机模块的视场范围值以及待检测大口径光学元件表面的面型微分特征，所述相机模块具有粗扫模式和精扫模式；
S202、在满足所述机械臂沿法线方向对所述待检测大口径光学元件表面进行扫描条件下，根据所述视场范围值和所述面型微分特征对所述机械臂进行路径规划，所述路径规划包括多个子孔径；
S203、当所述相机模块处于粗扫模式下，利用高功率平行光束倾斜入射至所述待检测大口径光学元件表面并按照所述路径规划对所述多个子孔径进行逐个扫描，针对每个子孔径，反射光束偏离所述相机模块的物镜的接收孔径并形成暗场检测环境，所述待检测大口径光学元件表面的缺陷区域对所述高功率平行光束进行漫反射形成散射光，所述散射光进入所述物镜并在所述相机模块进行成像得到暗场散射成像；
S204、当所述相机模块处于精扫模式下，在所述粗扫的基础上，结合上述粗扫结果对缺陷进行定位并反馈给机械臂，机械臂驱动相机模块上的精扫相机进入到缺陷区域，并切换至明场模式所述相机模块采用同轴照明，经过准直的光源经过分光镜反射后与光轴同轴，所述相机模块通过分光镜接收来自所述缺陷区域的少量反射光，从而与不存在缺陷区域进行对比，较暗处为缺陷，并以此方式计算缺陷宽度或长度，得到检测图像；
S105、利用图像拼接技术对得到的多个子孔径对应的检测图像进行拼接形成所述待检测大口径光学元件表面的全表面图像；
S106、对所述全表面图像进行图像识别得到缺陷区域的轮廓提取特征和定位信息，并基于所述轮廓提取特征和所述定位信息确定所述待检测大口径光学元件表面的缺陷等级。
结合图5所示，本发明实施例中，相机模块采用双模式，暗场成像模式为粗扫模式，首先高功率平行光束斜入射至待检测大口径光学元件表面，反射光束偏离相机模块的物镜的接收孔径，形成暗场检测环境。待检测大口径光学元件表面缺陷产生的散射光会进入相机模块的物镜最终成像于图像传感器上，因此形成包含表面缺陷的暗场图像。相较于眀场成像，在弱缺陷的检测上暗场成像有诸多的优势。如图5所示为暗场成像原理，由于暗视场入射光束倾斜角度极大，使相机模块的物镜的有效数值孔径随着增加，因此物镜的鉴别能力亦随着提高。在暗视场照明下观察，即使是极细的磨痕也极易鉴别，而且显著地降低了由于光线多次通过玻璃—空气界面所引起的反射与眩光，提高了最后影像的衬度。在核心的暗场散射成像基础上，增加眀场显微成像模式。眀场显微成像为精扫模式，通常采用同轴照明，经过准直的光源经分光镜反射后与光轴同轴，相机模块的成像系统通过分光镜接收来自反射光，可以更加细致地观测缺陷的样貌形态。
相应地，本发明实施例中提供一种基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测装置，用于执行如上述的基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法，包括机械臂1、相机模块2，相机模块2设置在所述机械臂1的末端。
作为一种可选的方案，所述机械臂1采用六自由度机械臂，所述相机模块2具有显微成像系统。
本发明实施例中提供的基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测装置，结合显微成像技术可以实现对多种材料、多种面型的大口径光学元件的缺陷快速检测。
本发明的有益效果是：
在有限的研究和产品中，多针对小口径和平面光学元件，多数检测方法也只能实现表面缺陷的离线检测，存在检测精度差、效率低、口径小、非在线、面型单一等问题。本发明是一种基于机械臂的表面缺陷检测技术及装置，能够完成对大口径复杂曲面表面缺陷的在位检测，增加了表面缺陷检测领域的在位检测、大口径复杂曲面的缺陷检测能力。并且结合图像处理技术可以实现对多种材料、不同缺陷的准确拼接，完成对表面缺陷的轮廓提取以及准确定位，并能够结合统计结果实现表面等级判定。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法，其特征在于，机械臂与相机模块进行结合，利用机械臂的高自由度及大扫描范围对待检测大口径光学元件进行表面缺陷在位检测，所述待检测大口径光学元件划分为多个子孔径，包括：
所述相机模块具有粗扫模式和精扫模式；当所述相机模块处于粗扫模式下，利用高功率平行光束倾斜入射至所述待检测大口径光学元件表面并按照路径规划对所述多个子孔径进行逐个扫描，针对每个子孔径，反射光束偏离所述相机模块的物镜的接收孔径并形成暗场检测环境，所述待检测大口径光学元件表面的缺陷区域对所述高功率平行光束进行漫反射形成散射光，所述散射光进入所述物镜并在所述相机模块进行成像得到暗场散射成像；
当所述相机模块处于精扫模式下，在所述暗场散射成像的基础上，结合粗扫结果对缺陷进行定位并反馈给所述机械臂，所述机械臂驱动相机模块上的精扫相机进入到缺陷区域，并切换至明场模式，所述相机模块采用同轴照明，经过准直的光源经过分光镜反射后与所述相机模块的光轴同轴，所述相机模块通过分光镜接收来自所述缺陷区域的少量反射光，与不存在缺陷区域进行对比，较暗处为缺陷，并计算缺陷宽度或长度，得到检测图像；
在满足所述机械臂沿法线方向对所述待检测大口径光学元件表面进行扫描条件下，根据视场范围值和面型微分特征对所述机械臂进行路径规划，所述路径规划包括所述多个子孔径以及机械臂抖动补偿；
对多个子孔径对应的检测图像进行拼接形成所述待检测大口径光学元件表面的全表面图像；
对所述全表面图像进行图像识别得到缺陷区域的轮廓提取特征和定位信息，并基于所述轮廓提取特征和所述定位信息确定所述待检测大口径光学元件表面的缺陷等级。
2.根据权利要求1所述的基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法，其特征在于，所述检测方式是基于机械臂进行在位检测扫描，当对所述待检测大口径光学元件的表面加工完成以后，将相机模块直接放置于机械臂，对所述待检测大口径光学元件进行在位检测。
3.根据权利要求1所述的基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法，其特征在于，在满足所述机械臂沿法线方向对所述待检测大口径光学元件表面进行扫描条件下，根据所述视场范围值和所述面型微分特征对所述机械臂进行路径规划之前，还包括：
对所述待检测大口径光学元件表面的放置平面进行标定；
将激光跟踪仪的靶球放置于所述相机模块镜头处，手动控制所述机械臂以及靶球接近于所述放置平面的坐标原点，并且分别沿着X轴和Y轴运动目标距离；
利用所述激光跟踪仪辅助标定确定所述机械臂无其他方向的偏移，并根据所述机械臂内置系统软件确定新工具坐标系。
4.根据权利要求1或3所述的基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法，其特征在于，在满足所述机械臂沿法线方向对所述待检测大口径光学元件表面进行扫描条件下，根据所述视场范围值和所述面型微分特征对所述机械臂进行路径规划之前，还包括：
通过曲面法线方程建立复杂曲面法线方向的数学表达模型，利用所述机械臂对应的仿真软件模拟机械臂末端运动，分析所述机械臂的变换矩阵，建立机械臂运动空间表征模型；
分析所述相机模块的显微成像系统空间几何特征以及测量工具与被测曲面的坐标变换关系，建立机械臂关节坐标到末端调执行坐标的高精度映射模型，完成对机械臂运动轨迹的规划。
5.根据权利要求1所述的基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法，其特征在于，基于所述轮廓提取特征和所述定位信息确定所述待检测大口径光学元件表面的缺陷等级，包括：
对表面缺陷进行轮廓提取及定位，并对于包括缺陷累计长度、等效长度在内的标准要求参数进行提取，得到所述待检测大口径光学元件表面的缺陷等级。
6.一种基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测装置，用于执行如权利要求1至5中任一项所述的基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法，其特征在于，包括机械臂和相机模块，所述相机模块设置在所述机械臂的末端。
7.根据权利要求6所述的基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测装置，其特征在于，所述机械臂采用六自由度机械臂，所述相机模块具有显微成像系统。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310649207.0A CN116358842B (zh) | 2023-06-02 | 2023-06-02 | 基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法及装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310649207.0A CN116358842B (zh) | 2023-06-02 | 2023-06-02 | 基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法及装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116358842A true CN116358842A (zh) | 2023-06-30 |
| CN116358842B CN116358842B (zh) | 2023-08-01 |
Family
ID=86913469
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310649207.0A Active CN116358842B (zh) | 2023-06-02 | 2023-06-02 | 基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法及装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116358842B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103389311A (zh) * | 2013-08-01 | 2013-11-13 | 哈尔滨工业大学 | 用于光学元件位相缺陷检测的线扫描相微分成像装置 |
| CN105181601A (zh) * | 2015-09-02 | 2015-12-23 | 哈尔滨工业大学 | 大口径曲面光学元件微缺陷修复用可微调显微检测装置 |
| US20170292916A1 (en) * | 2014-09-18 | 2017-10-12 | Zhejiang University | Surface defects evaluation system and method for spherical optical components |
| CN114113114A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-03-01 | 哈尔滨工业大学 | 一种大口径元件表面微缺陷检测与修复的自动化工艺方法 |
| CN116038127A (zh) * | 2022-11-11 | 2023-05-02 | 上海理工大学 | 一种复杂曲面微织构激光加工装置及方法 |
-
2023
- 2023-06-02 CN CN202310649207.0A patent/CN116358842B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103389311A (zh) * | 2013-08-01 | 2013-11-13 | 哈尔滨工业大学 | 用于光学元件位相缺陷检测的线扫描相微分成像装置 |
| US20170292916A1 (en) * | 2014-09-18 | 2017-10-12 | Zhejiang University | Surface defects evaluation system and method for spherical optical components |
| CN105181601A (zh) * | 2015-09-02 | 2015-12-23 | 哈尔滨工业大学 | 大口径曲面光学元件微缺陷修复用可微调显微检测装置 |
| CN114113114A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-03-01 | 哈尔滨工业大学 | 一种大口径元件表面微缺陷检测与修复的自动化工艺方法 |
| CN116038127A (zh) * | 2022-11-11 | 2023-05-02 | 上海理工大学 | 一种复杂曲面微织构激光加工装置及方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 杨甬英;陆春华;梁蛟;刘东;杨李茗;李瑞洁;: "光学元件表面缺陷的显微散射暗场成像及数字化评价系统", 光学学报, no. 06, pages 1031 - 1038 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116358842B (zh) | 2023-08-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102147240B (zh) | 差动共焦干涉元件多参数测量方法与装置 | |
| US20160370172A1 (en) | Device and method for measuring workpieces | |
| CN105157606A (zh) | 非接触式复杂光学面形高精度三维测量方法及测量装置 | |
| CN104913732B (zh) | 基于复合激光干涉的法线跟踪式非球面测量方法与系统 | |
| CN108332946A (zh) | 一种微透镜阵列模具车削加工中的反射焦距在位检测方法 | |
| CN111272103B (zh) | 一种大口径球面光学元件球心和曲率半径测量方法 | |
| CN103471524A (zh) | 共焦抛物面顶点曲率半径测量方法 | |
| Schwenke et al. | Future challenges in co-ordinate metrology: addressing metrological problems for very small and very large parts | |
| CN209992407U (zh) | 线面阵相机结合的大口径超净光滑表面缺陷检测装置 | |
| CN115202061A (zh) | 一种大口径望远镜的主光学系统装调对准方法 | |
| CN103471525B (zh) | 差动共焦抛物面顶点曲率半径测量方法 | |
| US8184301B2 (en) | Surface alignment and positioning method and apparatus | |
| CN116358842B (zh) | 基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法及装置 | |
| CN116105638A (zh) | 一种u型转台同轴度检测系统及检测方法 | |
| JP2005140673A (ja) | 非球面偏心測定装置及び非球面偏心測定方法 | |
| EP2236978A1 (en) | Optical measuring device and method to determine the shape of an object and a machine to shape the object. | |
| CN115540730A (zh) | 一种高陡度或深凹复杂曲面的坐标测量系统与方法 | |
| CN106840024B (zh) | 大口径非球面在线轮廓检测装置及其检测方法 | |
| JP4311952B2 (ja) | ３次元座標測定方法 | |
| CN113791086A (zh) | 基于计算机视觉的扇形段叶片表面缺陷测量方法及装置 | |
| Lee et al. | A laser sensor with multiple detectors for freeform surface digitization | |
| CN213956278U (zh) | 一种斜照明式的彩色共聚焦测量系统 | |
| CN213956279U (zh) | 一种简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统 | |
| Brown et al. | Portable metrology | |
| US20240077381A1 (en) | Simultaneous Multi-Surface Non-Contact Optical Profiler |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |