CN116879166A - 一种基于机械臂的大口径平面光学元件表面缺陷扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于机械臂的大口径平面光学元件表面缺陷扫描方法，采用自动定心和定域装置，自动定心和定域装置包括样品台、机械臂、安装在机械臂上的带有光谱共焦传感器和相机的探头、与光谱共焦传感器电连接的数据采集单元、与数据采集单元电连接的数据分析处理单元，以及用于接收数据分析处理单元的反馈并控制机械臂运动的控制单元；调平之后，通过采集三个边缘点的坐标自动进行定心和定域，然后根据光学元件的参数进行扫描。本发明简单易行，无需对传感器进行定标，不需要针对特定样品定制高精度导轨和样品自旋台，降低机械设计与装配难度，实现光学元件的非接触式、快速、自动定心和定域扫描，适合流水化生产和检测大口径平面光学元件。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，尤其是涉及一种基于机械臂的大口径平面光学元件表面缺陷扫描方法。
背景技术
随着航空航天领域的进步和发展，在空间光学、航空航天技术的研究中使用的空间大型光学遥感系统如空间望远镜、遥感侦察相机，要求其光学系统的口径必须足够大，这样才能获得足够高的分辨率。在光学元件的表面缺陷检测领域，主要采用显微成像系统对被检样品表面进行扫描成像，从而获得表面缺陷的形貌与分布。在对大口径光学元件进行检测时，需要考虑到扫描的效率问题，如果不事先确定大口径光学元件的扫描范围，那么，在扫描过程中可能会存在冗余或者遗漏等问题，给后道工序中的缺陷检测带来不良的影响。所以，对于大口径光学元件来说，首先需要进行元件定心，再以轴心线位置作为参考点，进行扫描路径规划。工业机械臂是在各个领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，尽管它们的形态各异，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维(或二维)空间上的某一点进行作业。若能将光学元件的表面缺陷检测与工业机械臂相结合起来，对精密光学元件的流水线生产和加工都具有重要的意义。
公开号为CN116149037A的中国专利文献公开了一种超快大尺寸扫描系统及方法，该系统包括样品台、运动控制组件、光源组件、物镜、反射镜、高分辨相机、高度传感器、光强传感器和控制处理单元，能够实现对样品台的自动控制，实现自动、快速、大面积可靠扫描。然而，上述这种方法对机械结构的要求高，且涉及多个传感器的标定，增加了设计、加工和装调的复杂性。
公开号为CN110006905A的中国专利文献公开了一种线面阵相机结合的大口径超净光滑表面缺陷检测装置，首先利用低放大倍率的线阵相机快速地扫描全口径并采集样品表面的暗场图像，提取缺陷的位置信息，然后利用配置高定倍光学系统的面阵相机定位每一个缺陷，并对图像作进一步的数据处理分析，得到高精度的检测结果。但是，上述这种方法由于扫描运动及相应的位置反馈环节的存在，增加了系统的复杂性和成本，且图像精度可能受扫描运动精度的影响，进而影响最终的测量精度。
因此，需要设计简单、高效的装置与方法，实现大口径平面光学元件表面缺陷的扫描。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种基于机械臂的大口径平面光学元件表面缺陷扫描方法，实现大口径平面光学元件表面缺陷的非接触式、高效率和自动化扫描。
一种基于机械臂的大口径平面光学元件表面缺陷扫描方法，采用自动定心和定域装置，所述的自动定心和定域装置包括样品台、机械臂、安装在机械臂上的带有光谱共焦传感器和相机的探头、与光谱共焦传感器电连接的数据采集单元、与数据采集单元电连接的数据分析处理单元，以及用于接收数据分析处理单元的反馈并控制机械臂运动的控制单元；
所述的大口径平面光学元件表面缺陷扫描方法包括如下步骤：
(1)采用水平放置姿态，将待定心和定域的平面光学元件固定在样品台上；
(2)在机械臂的原始工具坐标系下，控制机械臂靠近样品台，使光谱共焦传感器的采样点位于平面光学元件的表面，控制机械臂沿Z轴方向移动，使光谱共焦传感器位于工作距离之内；
(3)在平面光学元件的表面随机定位三个不共线的点，并使得光谱共焦传感器的示数在量程中心点，依照三点法重建机械臂工具坐标系，记为坐标系T1，此时，平面光学元件的表面与T1坐标系的xoy平面平行；
(4)T1坐标系下，控制机械臂沿Z轴方向移动，使光谱共焦传感器位于工作距离之内，并使得光谱共焦传感器的示数在量程中心点；
(5)控制机械臂沿X轴负方向移动，直到光谱共焦传感器的示数发生突变(边缘点)，此时，T1坐标系的坐标记为P1(x1，y1，0)；控制机械臂沿X轴正方向移动，直到光谱共焦传感器的示数发生突变(边缘点)，此时，T1坐标系的坐标记为P2(x2，y2，0)；控制机械臂沿Y轴正方向移动，直到光谱共焦传感器的示数发生突变(边缘点)，此时，T1坐标系的坐标记为P3(x3，y3，0)；
(6)在T1坐标系的xoy平面，由P1和P2的中点横坐标得到圆心的x0坐标，由P2和P3的中点纵坐标得到圆心的y0坐标，因此，圆心的坐标为
(7)假设光谱共焦传感器和相机之间的标定距离为L，L在X轴的投影长度为α，在Y轴的投影长度为β，由 三点，依照三点法重建机械臂工具坐标系，记为坐标系T2；T2坐标系的原点对应于平面光学元件的圆心；
(8)在T2坐标系下，按照平面光学元件的尺寸进行定域，并按照算法规划的路径对平面光学元件进行扫描。
进一步地，所述机械臂为工业高精度机械臂，与控制单元进行通讯，通过在控制单元中设置算法实现机械臂对平面光学元件进行自动定心、定域和扫描功能。
进一步地，所述的机械臂为工业高精度机械臂，工业高精度机械臂上的坐标系有六种，分别为：大地坐标系、基坐标系、关节坐标系、工具坐标系、工件坐标系和用户坐标系，其中，工具坐标系用于确定工具的位置，即光学精密探头的位置，由工具中心点(TCP)和坐标位置组成。
工业机械臂的末端安装有经过周全集成设计的光学精密探头，能够高精度地实现距离探测，光学成像，自动对焦，缺陷检测等功能。
进一步地，所述的定域为确定光学平面元件的边界在机械臂工具坐标系上的函数。
进一步地，所述的光学精密探头带有光谱共焦传感器、光源、相机和物镜驱动器等多种设备，并且，所述机械臂上的相机主轴与光谱共焦传感器的光轴平行。
所述的光谱共焦传感器，是一种非接触式测量传感器，光谱共焦测量通过使用特殊透镜，延长不同颜色光的焦点光晕范围，形成特殊放大色差，使其根据不同的被测物体到透镜的距离，会对应一个精确波长的光聚焦到被测物体上，通过测量反射光的波长，就可以得到被测物体到透镜的精确距离。
进一步地，所述的大口径平面光学元件通过夹持机构固定在样品台上。
所述的水平放置姿态，是指大口径平面光学元件的光轴垂直于水平面放置。
进一步地，所述的大口径平面光学元件的定心和定域精度由工业机械臂的末端定位精度和光谱共焦传感器的测量精度共同决定。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明为大口径平面光学元件表面缺陷扫描提供了一种新的装置和方法，对于大口径平面光学元件，仅需要通过工业机械臂承载光学精密探头进行三维移动，不需要针对特定样品定制高精度导轨和样品自旋台，大大降低了机械设计、装调难度以及生产成本；采用光谱共焦传感器，抗倾角能力强，装调方便，并且一台传感器能够减少因多台传感器的差异而带来的各种定标工作，提高了生产的效率。定心方法操作简单、步骤少、速度快、效率高，具有很大的工程应用价值，为高效、快速、高精度大口径平面光学元件表面缺陷检测奠定了基础。
附图说明
图1为本发明实施例中大口径圆形平面光学元件调平示意图；
图2为本发明实施例中大口径圆形平面光学元件定心示意图；
图3为本发明实施例中大口径圆形平面光学元件扫描轨迹示意图；
图4为本发明实施例中150mm口径圆形平面光学元件扫描轨迹仿真示意图；
图5为本发明实施例中150mm口径圆形平面碳化硅样品和扫描拼接结果图；
图6为本发明实施例中大口径方形平面光学元件扫描轨迹示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本发明的方法采用自动定心和定域装置，自动定心和定域装置包括样品台、机械臂、安装在机械臂上的带有光谱共焦传感器和相机等设备的探头、与光谱共焦传感器电连接的数据采集单元、与数据采集单元电连接的数据分析处理单元，以及用于接收数据分析处理单元的反馈并控制机械臂运动的控制单元。
在大口径平面光学元件方面，方形口径的平面光学元件由于其几何特点，不需要定心，在调平之后根据光学元件的尺寸进行定域即可，而圆形口径的平面光学元件需要定心和定域，具体包括以下步骤：
步骤1、采用水平放置姿态，将待定心和定域的平面光学元件固定在样品台上。
步骤2、如图1所示，在原始工具坐标系下，控制机械臂靠近样品台，使光谱共焦传感器的采样点位于光学元件的表面，控制机械臂沿Z轴方向移动，使光谱共焦传感器位于工作距离之内，并使得光谱共焦传感器的示数在量程中心点，此时，原始工具坐标系的坐标记为A点。
步骤3、控制机械臂沿X轴方向移动一段距离，光谱共焦传感器的采样点不超出光学元件表面的范围，控制机械臂沿Z轴方向移动，使得光谱共焦传感器的示数在量程中心点，此时，原始工具坐标系的坐标记为B点。
步骤4、控制机械臂沿Y轴方向移动一段距离，光谱共焦传感器的采样点不超出光学元件表面的范围，控制机械臂沿Z轴方向移动，使得光谱共焦传感器的示数在量程中心点，此时，原始工具坐标系的坐标记为C点。
步骤5、根据A点、B点、C点的坐标，依照三点法重建机械臂工具坐标系，记为坐标系T1，此时，光学元件的表面与T1坐标系的xoy平面平行。
步骤6、如图2所示，T1坐标系下，控制机械臂沿Z轴方向移动，使光谱共焦传感器位于工作距离之内，并使得光谱共焦传感器的示数在量程中心点。
步骤7、控制机械臂沿X轴负方向移动，直到光谱共焦传感器的示数发生突变(边缘点)，此时，T1坐标系的坐标记为P1(x1，y1，0)；控制机械臂沿X轴正方向移动，直到光谱共焦传感器的示数发生突变(边缘点)，此时，T1坐标系的坐标记为P2(x2，y2，0)；控制机械臂沿Y轴正方向移动，直到光谱共焦传感器的示数发生突变(边缘点)，此时，T1坐标系的坐标记为P3(x3，y3，0)。
步骤8、在T1坐标系的xoy平面，由P1和P2的中点横坐标得到圆心的x0坐标，由P2和P3的中点纵坐标得到圆心的y0坐标，因此，圆心的坐标为
步骤9、考虑到光谱共焦传感器和相机之间的距离，假设光谱共焦传感器和相机之间的标定距离为L，L在X轴的投影长度为α，在Y轴的投影长度为β，由 三点，依照三点法重建机械臂工具坐标系，记为坐标系T2。T2坐标系的原点对应于平面光学元件的圆心。
步骤10、如图3所示，T2坐标系下，安装在机械臂末端上的光学精密探头从光学元件的左上角开始，由机械臂承载并按照路径规划算法计算的坐标进行蛇形扫描。
步骤11、如图4所示为150mm口径圆形平面光学元件扫描轨迹仿真示意图，根据控制单元给定的坐标点，机械臂按照相应的路径进行扫描，图中扫描范围刚好对整个光学元件平面实现全覆盖。
步骤12、如图5中(a)所示，为150mm口径圆形平面碳化硅样品实物，将样品固定在样品台上，在控制单元输入相应的参数，机械臂根据给定的坐标点进行扫描，在获取每一个子孔径的图片时，控制单元从机械臂上读取实时位置坐标，并根据反馈的实时位置坐标对图片进行拼接，如图5中(b)所示，为150mm口径圆形平面碳化硅样品扫描拼接结果图。
如图6所示，对于大口径方形平面光学元件来说，在调平之后根据其尺寸进行定域，安装在机械臂末端上的光学精密探头从样品的左上角开始，由机械臂承载并按照路径规划算法计算的坐标进行蛇形扫描；
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于机械臂的大口径平面光学元件表面缺陷扫描方法，其特征在于，采用自动定心和定域装置，所述的自动定心和定域装置包括样品台、机械臂、安装在机械臂上的带有光谱共焦传感器和相机的探头、与光谱共焦传感器电连接的数据采集单元、与数据采集单元电连接的数据分析处理单元，以及用于接收数据分析处理单元的反馈并控制机械臂运动的控制单元；
所述的大口径平面光学元件表面缺陷扫描方法包括如下步骤：
(1)采用水平放置姿态，将待定心和定域的平面光学元件固定在样品台上；
(2)在机械臂的原始工具坐标系下，控制机械臂靠近样品台，使光谱共焦传感器的采样点位于平面光学元件的表面，控制机械臂沿Z轴方向移动，使光谱共焦传感器位于工作距离之内；
(3)在平面光学元件的表面随机定位三个不共线的点，并使得光谱共焦传感器的示数在量程中心点，依照三点法重建机械臂工具坐标系，记为坐标系T1，此时，平面光学元件的表面与T1坐标系的xoy平面平行；
(4)T1坐标系下，控制机械臂沿Z轴方向移动，使光谱共焦传感器位于工作距离之内，并使得光谱共焦传感器的示数在量程中心点；
(5)控制机械臂沿X轴负方向移动，直到光谱共焦传感器的示数发生突变，此时，T1坐标系的坐标记为P1(x1，y1，0)；控制机械臂沿X轴正方向移动，直到光谱共焦传感器的示数发生突变，此时，T1坐标系的坐标记为P2(x2，y2，0)；控制机械臂沿Y轴正方向移动，直到光谱共焦传感器的示数发生突变，此时，T1坐标系的坐标记为P3(x3，y3，0)；
(6)在T1坐标系的xoy平面，由P1和P2的中点横坐标得到圆心的x0坐标，由P2和P3的中点纵坐标得到圆心的y0坐标，因此，圆心的坐标为
(7)假设光谱共焦传感器和相机之间的标定距离为L，L在X轴的投影长度为α，在Y轴的投影长度为β，由 三点，依照三点法重建机械臂工具坐标系，记为坐标系T2；T2坐标系的原点对应于平面光学元件的圆心；
(8)在T2坐标系下，按照平面光学元件的尺寸进行定域，并按照算法规划的路径对平面光学元件进行扫描。
2.根据权利要求1所述的基于机械臂的大口径平面光学元件表面缺陷扫描方法，其特征在于，所述机械臂为工业高精度机械臂，与控制单元进行通讯，通过在控制单元中设置算法实现机械臂对平面光学元件进行自动定心、定域和扫描功能。
3.根据权利要求1所述的基于机械臂的大口径平面光学元件表面缺陷扫描方法，其特征在于，所述的机械臂为工业高精度机械臂，工业高精度机械臂上的坐标系有六种，分别为：大地坐标系、基坐标系、关节坐标系、工具坐标系、工件坐标系和用户坐标系，其中，工具坐标系用于确定工具的位置，即光学精密探头的位置，由工具中心点和坐标位置组成。
4.根据权利要求1所述的基于机械臂的大口径平面光学元件表面缺陷扫描方法，其特征在于，所述的定域为确定光学平面元件的边界在机械臂工具坐标系上的函数。
5.根据权利要求1所述的基于机械臂的大口径平面光学元件表面缺陷扫描方法，其特征在于，所述机械臂上的相机主轴与光谱共焦传感器的光轴平行。
6.根据权利要求1所述的基于机械臂的大口径平面光学元件表面缺陷扫描方法，其特征在于，所述的大口径平面光学元件通过夹持机构固定在样品台上。
7.根据权利要求1所述的基于机械臂的大口径平面光学元件表面缺陷扫描方法，其特征在于，所述的大口径平面光学元件的定心和定域精度由工业机械臂的末端定位精度和光谱共焦传感器的测量精度共同决定。
8.根据权利要求1所述的基于机械臂的大口径平面光学元件表面缺陷扫描方法，其特征在于，所述的光谱共焦传感器根据不同的被测物体到透镜的距离，对应一个精确波长的光聚焦到被测物体上，通过测量反射光的波长，得到被测物体到透镜的精确距离。
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