CN116754565B - 一种光学元件全口径表面微缺陷光致荧光检测用自动对焦检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种光学元件全口径表面微缺陷光致荧光检测用自动对焦检测方法，涉及光学元件技术领域，为解决现有的对焦检测方法，需要手动对焦及检测，效率低，且无法保证检测结果的准确性和一致性的问题。包括如下步骤：一、安装物镜与待测光学元件；二、确定待检测区域内多个标定检测点坐标，构建检测物镜焦平面方程，制定检测扫描路径；三、控制元件沿检测扫描路径移动进行检测，判断待测点是否处于物镜焦平面，若是，则在该点进行扫描检测，若不是，则计算补偿量并控制移动平台在调焦方向对元件进行距离补偿；四、实时保存光谱信息及检测成像信息；五、根据检测扫描路径判断检测是否结束。实现了光学元件表面微缺陷光致荧光检测的自动对焦及检测。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件技术领域，具体而言，涉及一种光学元件全口径表面微缺陷光致荧光检测用自动对焦检测方法。
背景技术
光致荧光技术是目前一种被广泛使用的实时性且灵敏度较高的无损检测手段，已经逐渐被应用于熔石英、KDP晶体等光学元件的缺陷检测当中，以检测相应损伤区域的原子结构与种类。
当使用荧光光路系统对光学元件进行光致激发时，需使元件表面检测点处于物镜焦平面位置，而对光学元件进行全口径检测时，由于存在安装误差，光学元件所在平面与激光光轴不垂直，需要反复对焦，使光学元件表面检测点始终处于物镜焦平面位置。
目前，在已知的光学元件全口径表面微缺陷光致荧光检测系统中，因光学元件被测区域不能保证始终处在检测物镜的焦平面上，故在检测不同区域不同的待测点之前，均需要手动进行对焦，每次调焦需要大量的辅助时间，且过程受人为主观因素影响较大，不能保证每次调焦的准确性。由于各检测点的检测环境和条件存在差异，不可避免的会造成检测结果的质量偏差，为检测结果的处理增大难度，大大降低了检测效率和一致性。因此，亟需一种光学元件全口径表面微缺陷光致荧光检测用自动对焦检测方法，以实现光学元件全口径表面微缺陷高效、准确地的自动对焦检测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：
现有的对焦检测方法，需要手动对焦及检测，效率低，且无法保证检测结果的准确性和一致性，为后续的数据分析处理带来不便。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案：
本发明提供了一种光学元件全口径表面微缺陷光致荧光检测用自动对焦检测方法，包括如下步骤：
步骤一、安装物镜与待测光学元件，物镜安装在物镜架上，待测光学元件固定装夹在三维电动移动平台上；
步骤二、控制移动平台归零，构建三维坐标系，确定待检测区域内多个标定检测点坐标，通过对各标定检测点进行对焦构建检测物镜焦平面方程，制定待检测区域的检测扫描路径；
步骤三、控制移动平台使元件沿检测扫描路径移动进行检测，过程中判断待测点是否处于物镜焦平面，若是，则在该点进行扫描检测，若不是，则计算补偿量并控制移动平台在调焦方向对元件进行距离补偿，实现自动对焦及检测；
步骤四、实时保存光谱信息及检测成像信息；
步骤五、根据检测扫描路径判断检测是否结束；若未结束，执行步骤三至步骤四，至检测完成。
进一步地，步骤二中制定的检测扫描路径的扫描方式为“S”形循环检测扫描方式，扫描过程中移动步距保持固定不变。
进一步地，步骤二中确定标定检测点的个数为3～5个。
进一步地，步骤二包括如下过程：
步骤二一、控制移动平台归零，以待测光学元件的几何中心点为坐标原点，建立三维坐标系，其中X轴正方向为激光光轴穿过待测元件的方向，即远离显微物镜的方向；
步骤二二、采用CCD面阵相机，确定扫描区域3个不共线的检测点作为标定检测点，对各标定检测点进行对焦，对焦过程中激光光束以尽量小的光斑对元件整个检测区域进行辐照，并将此时的标定检测点的坐标分别记为P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y2，z2)、P3(x3，y3，z3)，构建物镜焦平面方程为：
步骤二三、制定待检测区域的检测扫描路径。
进一步地，步骤二二中对焦过程中激光光束的光斑的直径D＝1.5μm。
进一步地，步骤三的检测过程中，激光器输出功率为20MHZ，重复频率50％；显微物镜放大倍数为100倍，焦距为0.35μm。
一种光学元件全口径表面微缺陷光致荧光检测用自动对焦检测系统，该系统具有与上述技术方案中任一项技术方案的步骤对应的程序模块，运行时执行上述的光学元件全口径表面微缺陷光致荧光检测用自动对焦检测方法中的步骤。
进一步地，所述程序模块至少包括自动对焦模块，数据采集、处理与存储模块，实时成像显示模块；
所述自动对焦模块用于控制移动平台使元件沿检测扫描路径移动，及用于计算当前检测点的对焦补偿量，控制电动平台在调焦方向进行距离补偿；
所述数据采集、处理与存储模块包括：
数据采集子模块，用于控制光谱仪的打开和关闭，控制光谱仪采集的积分时间，对采集到的光谱数据信息进行均值化处理，去除电子暗光谱处理及多次平滑度处理；
数据处理子模块，用于对采集的稳态荧光光谱数据的荧光强度信息的提取，并根据对应扫描探测位置将荧光强度信息存储在数组矩阵当中，对数据进行实时存储；
数据存储子模块用于将荧光强度矩阵数据存储为.xlsx表格文件、.txt文本文件、.dat数据格式三种文件存储类型；
所述实时成像显示子模块，用于稳态荧光光谱的实时显示及光致激发过程中探测区域的实时成像显示。
进一步地，所述自动对焦模块通过调用电动平台运动控制器PcommServer.exe底层服务器中的SelectDevice()函数，实现计算机与控制器的通讯连接，调用OpenDevice()函数和CloseDevice()函数实现对电动平台控制器使能的控制，调用GetResponseEx()函数和DownLoadFile()函数实现对电动平台控制器操作指令的输入，基于对以上库函数的顺序调用，通过LabVIEW中的循环结构、事件结构进行逻辑控制，实现移动平台使元件沿检测扫描路径移动及元件自动对焦控制。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序配置为由处理器调用时实现上述技术方案中任一项所述的光学元件全口径表面微缺陷光致荧光检测用自动对焦检测方法的步骤。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
本发明一种光学元件全口径表面微缺陷光致荧光检测用自动对焦检测方法，通过构建焦面方程，根据焦平面方程对待测点进行对焦补偿，实现在检测过程中光学元件的自动对焦，简化操作流程，避免了对焦过程中的人为因素的影响，减少辅助工作时间，提高了工作效率；且通过本发明自动对焦方法得到的对焦位置与手动对焦得到的对焦位置绝对偏差在0.3μm以内，完全满足对光学元件检测扫描的激光光斑聚焦要求。本发明的检测方法保证了检测过程中各个检测点检测环境和检测条件的一致性，提高检测结果的可用性，降低了后续对检测结果进行处理的难度，提高光学元件表层微缺陷荧光表征的效率。
附图说明
图1为本发明实施例中一种光学元件全口径表面微缺陷光致荧光检测用自动对焦检测方法流程图；
图2为本发明实施例中的光致荧光瞬-稳态检测光路示意图；
图3为本发明实施例中的熔石英元件光致激发扫描检测方式示意图；
图4为本发明实施例中的物镜和移动平台安装示意图；
图5为本发明实施例中的激光聚焦光斑与2.0N维氏压痕对比图像；
图6为本发明实施例中的待测区域与焦平面位置关系示意图；
图7为本发明实施例中的自动对焦模块功能实现过程程序框图与对应用户操作面板图；
图8为本发明实施例中的数据采集、处理与存储模块程序框图；
图9为本发明实施例中的实时成像显示子模块功能实现过程程序框图与对应的用户操作面板图；
图10为本发明实施例中的熔石英元件表层蚌状加工缺陷二维重建图像；其中，图(a)为荧光光谱图，图(b)为伪彩色图；
图11为本发明实施例中的不同焦距位置激光聚焦光斑二值化前后对比图像；其中，图(a)为CCD图像，图(b)为二值化处理后图像；
图12为本发明实施例中的激光聚焦光斑焦距位置与像素数变化关系曲线。
具体实施方式
在本发明的描述中，应当说明的是，在本发明的实施例中所提到的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，并不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
具体实施方案一：如图1所示，本发明提供一种光学元件全口径表面微缺陷光致荧光检测用自动对焦检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、如图4所示，安装物镜与待测光学元件，物镜安装在物镜架上，待测光学元件固定装夹在三维电动移动平台上；
步骤二、控制移动平台归零，构建三维坐标系，确定待检测区域内多个标定检测点坐标，通过对各标定检测点进行对焦构建检测物镜焦平面方程，制定待检测区域的检测扫描路径；
步骤三、控制移动平台使元件沿检测扫描路径移动进行检测，过程中判断待测点是否处于物镜焦平面，若是，则在该点进行扫描检测，若不是，则计算补偿量并控制移动平台在调焦方向对元件进行距离补偿，实现自动对焦及检测；
步骤四、实时保存光谱信息及检测成像信息；
步骤五、根据检测扫描路径判断检测是否结束；若未结束，执行步骤三至步骤四，至检测完成。
如图2所示，本实施方案方法基于现有设备一种软脆光学晶体加工表层微区荧光性缺陷检测光学系统(申请号：CN202010158345.5)，按功能可划分为三个子系统，分别是激发光系统，显微成像系统和荧光信号检测系统。激发光系统用于出射激光光束并通过二向色镜反射、显微物镜聚焦至元件表面，使其激发出荧光信号，主要由皮秒脉冲激光器、反射镜、带通滤光片、光阑、二向色镜、移动平台以及熔石英元件组成。荧光信号检测系统主要包含二向色镜、滤光片、透镜、光纤、光谱仪、TCSPC以及计算机等，用于接收元件表层缺陷的荧光信息。显微成像系统则由白光光源、显微物镜、反射镜，凸透镜、CCD面阵相机以及计算机组成，主要可实现两种功能，一是通过背照光源对元件表面缺陷进行定位与成像，二是将激光激发光学元件得到的荧光转化成平行光束。显微成像和荧光信号检测共用一套光路系统，简化了光路布局。
本实施方案采用尺寸为50×50×10mm融石英光学元件进行对焦检测。
具体实施方案二：步骤二中制定的检测扫描路径的扫描方式为“S”形循环检测扫描方式，扫描过程中移动步距保持固定不变。本实施方案其它与具体实施方案一相同。
如图3所示，本实施方案中确定的检测扫描方式为如图(a)所示的“S”形循环检测扫描方式，该检测扫描方式步距保持固定不变，从上往下每行依次扫描。相较于如图(b)所示的光栅式单向扫描方法，在单一方向上移动的扫描步距不变，同样从上往下每行依次扫描，但其对元件每一行扫描完成后需要移动一定空程，在端点重新定位扫描，在一定程度上降低了扫描检测效率。而“S”形循环检测扫描方式节省了每次在端点的定位时间，检测效率相对较高，同事实现了对元件的全面扫描。
具体实施方案三：步骤二中确定标定检测点的个数为3～5个。本实施方案其它与具体实施方案一相同。
具体实施方案四：步骤二包括如下过程：
步骤二一、控制移动平台归零，以待测光学元件的几何中心点为坐标原点，建立三维坐标系，其中X轴正方向为激光光轴穿过待测元件的方向，即远离显微物镜的方向；
步骤二二、采用CCD面阵相机，确定扫描区域3个不共线的检测点作为标定检测点，对各标定检测点进行对焦，对焦过程中激光光束以尽量小的光斑对元件整个检测区域进行辐照，并将此时的标定检测点的坐标分别记为P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y2，z2)、P3(x3，y3，z3)，构建物镜焦平面方程为：
步骤二三、制定待检测区域的检测扫描路径。本实施方案其它与具体实施方案一相同。
本实施方案中第一个标定检测点选取时一般选在待测区域范围内，另外两个标定待测点的选取时，为了便于操作，使任意两轴坐标与第一个标定待测点相同，从而保证三个标定待测点不共线。
具体实施方案五：步骤二二中对焦过程中激光光束的光斑的直径D＝1.5μm。本实施方案其它与具体实施方案四相同。
如图5所示，本实施方案中确定激光光束经显微物镜聚焦在光学元件表面的光斑尺寸的方法为，通过反复调节物距，使光斑以最佳聚焦状态汇聚到元件表面，并通过CCD面阵相机获取光斑图像，将光斑图像与标定的2.0N维氏压痕缺陷进行尺寸对比。如表1所示，经多次测量，最终确定激光聚焦光斑直径D＝1.5μm，误差约为5％。
表1
具体实施方案六：步骤三的检测过程中，激光器输出功率为20MHZ，重复频率50％；显微物镜放大倍数为100倍，焦距为0.35μm。本实施方案其它与具体实施方案一相同。
本实施方案中参数的选取，为使激光聚焦在光学元件表面的光斑清晰明亮，成像效果好，便于调焦和成像检测。
具体实施方案七：一种光学元件全口径表面微缺陷光致荧光检测用自动对焦检测系统，该系统具有与上述实施方案一至六任一项权利要求的步骤对应的程序模块，运行时执行上述的光学元件全口径表面微缺陷光致荧光检测用自动对焦检测方法中的步骤。
具体实施方案八：所述程序模块至少包括自动对焦模块，数据采集、处理与存储模块，实时成像显示模块；
所述自动对焦模块用于控制移动平台使元件沿检测扫描路径移动，及用于计算当前检测点的对焦补偿量，控制电动平台在调焦方向进行距离补偿；
所述数据采集、处理与存储模块包括：
如图8所示，数据采集子模块，用于控制光谱仪的打开和关闭，控制光谱仪采集的积分时间，对采集到的光谱数据信息进行均值化处理，去除电子暗光谱处理及多次平滑度处理；
数据处理子模块，用于对采集的稳态荧光光谱数据的荧光强度信息的提取，并根据对应扫描探测位置将荧光强度信息存储在数组矩阵当中，对数据进行实时存储；
数据存储子模块用于将荧光强度矩阵数据存储为.xlsx表格文件、.txt文本文件、.dat数据格式三种文件存储类型；
如图9所示，所述实时成像显示子模块，用于稳态荧光光谱的实时显示及光致激发过程中探测区域的实时成像显示。本实施方案其它与具体实施方案七相同。
具体实施方案九：如图7所示，所述自动对焦模块通过调用电动平台运动控制器PcommServer.exe底层服务器中的SelectDevice()函数，实现计算机与控制器的通讯连接，调用OpenDevice()函数和CloseDevice()函数实现对电动平台控制器使能的控制，调用GetResponseEx()函数和DownLoadFile()函数实现对电动平台控制器操作指令的输入，基于对以上库函数的顺序调用，通过LabVIEW中的循环结构、事件结构进行逻辑控制，实现移动平台使元件沿检测扫描路径移动及元件自动对焦控制。本实施方案其它与具体实施方案八相同。
具体实施方案十：一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序配置为由处理器调用时实现实施方案一至六中任一项所述的光学元件全口径表面微缺陷光致荧光检测用自动对焦检测方法的步骤。
采用如下实施例验证本发明对焦过程的准确性
实施例1
如图6所示，控制移动平台归零，以此时待测元件的几何中心点为坐标原点，建立三维坐标系，其中X轴正方向为激光光轴穿过待测元件的方向，即远离显微物镜的方向，Y、Z两轴根据X轴正方向由右手定则确定，采用CCD面阵相机，确定扫描区域3个不共线的检测点作为标定检测点，对各标定检测点进行对焦，对焦过程中激光光束以尽量小的光斑对元件整个检测区域进行辐照，并将此时的标定点位置坐标分别记为P1(-2.26745，-0.97060，-1.17260)，P2(-2.26607，-0.97060，-0.97260)，P3(-2.26457，-0.78060，-0.97260)，构建焦平面方程式为：
控制移动平台使元件沿检测扫描路径移动进行检测，过程中判断待测点是否处于物镜焦平面，若是，则在该点进行扫描检测，若不是，计算X轴调焦方向的补偿距离为ΔXi(i＝4，5，6...)(ΔX4＝0.00496388，ΔX5＝0.00444539，ΔX6＝0.0051962...)，控制移动平台在X轴调焦方向进行距离补偿，实现自动对焦检测。
如图10所示，通过自动对焦激光光束以最佳聚焦位置对整个检测区域进行扫描并成像，得到熔石英元件表层蚌状加工缺陷的荧光强度热图和荧光强度等高线图。为验证本发明自动对焦方法的可行性，通过CCD面阵相机，分别采集多组相同位置下手动对焦和本发明自动对焦方法得到的激光光斑图像进行对比，如图11所示，采用二值化方法对图像进行二次处理，统计两种方法下激光聚焦光斑的像素数、光斑占相机成像区域比例及对焦位置的绝对偏差，结果如表2所示。
表2
结合如图12所示，根据不同焦距位置光斑图像的二值化处理结果，可以得到激光聚焦光斑焦距位置与像素数的变化关系曲线，根据图10及图11可以发现，随元件依次经过近焦平面位置(-2.0～0μm)、焦平面位置(0μm)和远焦平面位置(0～2.0μm)，激光聚焦光斑从完全散射状态逐渐转变为完整聚焦光斑形态，而后激光光斑再次发散，直至完全散射消失；对于激光聚焦光斑的二值化像素数变化规律，随焦距改变整体呈现为马鞍形曲线，其焦平面处于曲线波谷位置，像素数约为1750个，两波峰处像素数最大，最高可达3500个。综合CCD面阵相机采集的激光聚焦光斑图像与激光聚焦光斑焦距位置与像素数关系曲线可以得出，在±1.0μm焦深范围内，激光聚焦光斑形态完整，各光斑图片二值化处理的像素数处于马鞍形曲线的两波峰峰值之间。因此可以确定荧光光路系统中显微物镜的焦深为2.0μm，即在此范围内，激光光束经显微物镜汇聚可以最佳聚焦形态对元件表面进行光致激发检测。
根据手动对焦光斑和自动对焦光斑图像经二值化处理前后对比统计结果可以发现，采用本发明方法在自动对焦过程中激光聚焦光斑形态良好，与手动对焦光斑较为相似；根据表1的统计信息可以得出，手动对焦光斑像素数约为1800个，占比约为5.13‰，自动对焦光斑像素数约为2100个，占比约为6.07‰，两者偏差较小，且自动对焦光斑像素数远小于临界离焦位置(±1.0μm)的光斑像素数3700个。此外，自动对焦方式与手动对焦在X轴调焦方向的坐标位置绝对偏差均在0.3μm以内，完全满足对光学元件检测扫描的激光光斑聚焦要求。
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本发明领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种光学元件全口径表面微缺陷光致荧光检测用自动对焦检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、安装物镜与待测光学元件，物镜安装在物镜架上，待测光学元件固定装夹在三维电动移动平台上；
步骤二、控制移动平台归零，构建三维坐标系，确定待检测区域内多个标定检测点坐标，通过对各标定检测点进行对焦构建检测物镜焦平面方程，制定待检测区域的检测扫描路径；
步骤三、控制移动平台使元件沿检测扫描路径移动进行检测，过程中判断待测点是否处于物镜焦平面，若是，则在该点进行扫描检测，若不是，则计算补偿量并控制移动平台在调焦方向对元件进行距离补偿，实现自动对焦及检测；
步骤四、实时保存光谱信息及检测成像信息；
步骤五、根据检测扫描路径判断检测是否结束；若未结束，执行步骤三至步骤四，至检测完成；
步骤二包括如下过程：
步骤二一、控制移动平台归零，以待测光学元件的几何中心点为坐标原点，建立三维坐标系，其中X轴正方向为激光光轴穿过待测元件的方向，即远离显微物镜的方向；
步骤二二、采用CCD面阵相机，确定扫描区域3个不共线的检测点作为标定检测点，对各标定检测点进行对焦，对焦过程中激光光束以尽量小的光斑对元件整个检测区域进行辐照，并将此时的标定检测点的坐标分别记为P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y2，z2)、P3(x3，y3，z3)，构建物镜焦平面方程为：
步骤二三、制定待检测区域的检测扫描路径。
2.根据权利要求1所述的光学元件全口径表面微缺陷光致荧光检测用自动对焦检测方法，其特征在于，步骤二中制定的检测扫描路径的扫描方式为“S”形循环检测扫描方式，扫描过程中移动步距保持固定不变。
3.根据权利要求1所述的光学元件全口径表面微缺陷光致荧光检测用自动对焦检测方法，其特征在于，步骤二二中对焦过程中激光光束的光斑的直径D＝1.5μm。
4.根据权利要求1所述的光学元件全口径表面微缺陷光致荧光检测用自动对焦检测方法，其特征在于，步骤三的检测过程中，激光器输出功率为20MHZ，重复频率50％；显微物镜放大倍数为100倍，焦距为0.35μm。
5.一种光学元件全口径表面微缺陷光致荧光检测用自动对焦检测系统，其特征在于，该系统具有与上述权利要求1～4任一项权利要求的步骤对应的程序模块，运行时执行上述的光学元件全口径表面微缺陷光致荧光检测用自动对焦检测方法中的步骤。
6.根据权利要求5所述的一种光学元件全口径表面微缺陷光致荧光检测用自动对焦检测系统，其特征在于，所述程序模块至少包括自动对焦模块，数据采集、处理与存储模块，实时成像显示模块；
所述自动对焦模块用于控制移动平台使元件沿检测扫描路径移动，及用于计算当前检测点的对焦补偿量，控制电动平台在调焦方向进行距离补偿；
所述数据采集、处理与存储模块包括：
数据采集子模块，用于控制光谱仪的打开和关闭，控制光谱仪采集的积分时间，对采集到的光谱数据信息进行均值化处理，去除电子暗光谱处理及多次平滑度处理；
数据处理子模块，用于对采集的稳态荧光光谱数据的荧光强度信息的提取，并根据对应扫描探测位置将荧光强度信息存储在数组矩阵当中，对数据进行实时存储；
数据存储子模块，用于将荧光强度矩阵数据存储为.xlsx表格文件、.txt文本文件、.dat数据格式三种文件存储类型；
所述实时成像显示模块，用于稳态荧光光谱的实时显示及光致激发过程中探测区域的实时成像显示。
7.根据权利要求6所述的一种光学元件全口径表面微缺陷光致荧光检测用自动对焦检测系统，其特征在于，所述自动对焦模块通过调用电动平台运动控制器PcommServer.exe底层服务器中的SelectDevice()函数，实现计算机与控制器的通讯连接，调用OpenDevice()函数和CloseDevice()函数实现对电动平台控制器使能的控制，调用GetResponseEx()函数和DownLoadFile()函数实现对电动平台控制器操作指令的输入，基于对以上库函数的顺序调用，通过LabVIEW中的循环结构、事件结构进行逻辑控制，实现移动平台使元件沿检测扫描路径移动及元件自动对焦控制。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序配置为由处理器调用时实现权利要求1～4中任一项所述的光学元件全口径表面微缺陷光致荧光检测用自动对焦检测方法的步骤。
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