CN116990320B - 一种用于疵病检测的暗场成像方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于疵病检测的暗场成像方法及装置，属于光学器件的成像技术领域。该暗场成像方法中辅助光源向反射镜发射明场光线，获得明场图像，再提取明场图像中明场疵病图案的中心线，根据中心线的第一偏角旋转检测台。LCD光源分别在旋转前与旋转后发射四个相位的条纹光线，反射至第一光采集器生成参考图，根据获得的参考图计算反射镜的高度函数。沿反射镜不同的方向生成两组暗场图并融合成暗场图像，提取暗场图像的暗场疵病图案，再结合所述高度函数计算暗场疵病图案的三维坐标。本发明可以根据高度函数确定反射镜的表面曲率，调整暗场光源的照射方向，避免反射光线进入光采集器影响暗场图像的成像效果。
Description
技术领域
本发明涉及光学器件的表面成像技术领域，尤其涉及一种用于疵病检测的暗场成像方法及装置。
背景技术
反射镜一般由高品质的石英玻璃或微晶玻璃经过精密加工而成。在反射镜的加工、抛光等过程中往往会在其反射面产生麻点、斑点、划痕、破边等疵病，通常将这些疵病称为反射镜的表面疵病。表面疵病是影响反射镜品质的重要因素，会给激光陀螺等光学设备的性能带来十分不利的影响。在镀膜和装配前检测出存在表面疵病的反射镜，可以避免不合格的零件对光学设备的性能和可靠性产生不良影响。现有技术通常采用暗场成像技术实现反射镜的检测。如中国专利公开号CN115389526A公开的一种球形弯曲表面疵病检测系统及检测方法，光源发射准直激光照射被测镜片的上表面，被测镜片的上表面散射的光被所述暗场成像单元中的暗场接收透镜收集，根据光信号预测表面疵病的形状。用于暗场成像的光源通常为线阵光源，当表面疵病与线阵光源的方向相近，且疵病没有形成大面积疵病时，疵病的检测难度较大。另一方面，被测镜片的表面形状也影响暗场光源的成像以及疵病三维坐标的估算。因此，有必要提出一种根据疵病走向调整光采集器方向的成像方法。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种用于疵病检测的暗场成像方法及装置，根据条纹光线确定反射镜的表面曲率，调整暗场光源的照射方向，避免反射光线进入光采集器影响暗场图像，同时借助高度函数确定暗场疵病图案的三维坐标。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于疵病检测的暗场成像方法，包括以下步骤：
步骤1：将参考镜固定在检测台上，LCD光源分别沿第一高度和第二高度向参考镜发射四个相位的条纹光线，第一光采集器接收条纹光线分别生成四个第一参考图和四个第二参考图；
步骤2：将反射镜固定在参考镜上，辅助光源沿第一入射角向反射镜发射明场光线，第二光采集器获得明场图像；
步骤3：提取明场图像中明场疵病图案的中心线，根据该中心线的第一偏角旋转检测台；
步骤4：LCD光源分别沿第一高度和第二高度向反射镜发射四个相位的条纹光线，第一光采集器接收条纹光线分别生成四个第三参考图和四个第四参考图；
步骤5：根据第一参考图、第二参考图、第三参考图以及第四参考图计算反射镜的高度函数，根据高度函数的极值点确定第二偏角；
步骤6：第一主光源与第二主光源沿第二入射角向反射镜发射暗场光线，第二光采集器获得第一暗场图；
步骤7：根据第二偏角旋转检测台，第一主光源与第二主光源沿第二入射角向反射镜发射暗场光线，第二光采集器获得第二暗场图；
步骤8：融合所述第一暗场图和第二暗场图，生成暗场图像，提取暗场图像的暗场疵病图案；
步骤9：结合所述高度函数计算暗场疵病图案的三维坐标。
在本发明中，所述第一光采集器为面阵相机，所述第二光采集器为线阵相机，所述辅助光源、第一主光源以及第二主光源为线阵光源。
在本发明中，第二入射角大于第一入射角，第二光采集器的轴线与检测台的法线的夹角等于第一入射角。
在本发明中，在步骤2中，第二光采集器沿预设的扫描路径获得多幅明场孔径图，拼接多幅明场孔径图生成明场图像。
在本发明中，在步骤3中，提取明场疵病图案中像素点的平面坐标，采用回归直线法获得明场疵病图案的中心线y=Kx+C，K为中心线的斜率，C为中心线的截距，第一偏角θ1=arctanK。
在本发明中，在步骤5中，依次根据第一参考图、第二参考图、第三参考图以及第四参考图确定反射镜任意像素点(x2,y2)的第一相位角φ1、第二相位角φ2、第三相位角φ3以及第四相位角φ4，再计算该像素点(x2,y2)对应的高度z，生成反射镜的高度函数z=g(x,y)。
在本发明中，在步骤5中，提取高度函数的最大极值点与最小极值点的平面坐标(x3,y3)与(x4,y4)，第二偏角θ2=arctan ((y3-y4)/(x3-x4))。
在本发明中，在步骤9中，提取暗场疵病图案中任意像素点的平面坐标(x1, y1)，代入反射镜的高度函数，确定暗场疵病图案的三维坐标 (x1, y1, g(x1, y1))。
一种实现所述用于疵病检测的暗场成像方法的暗场成像装置，包括：参考镜、检测台、LCD光源、第一光采集器、辅助光源、第一主光源、第二主光源、第二光采集器、处理器以及旋转驱动器，其中，
参考镜用于固定待检测的反射镜；
检测台用于固定参考镜；
LCD光源用于向参考镜或反射镜发射条纹光线；
第一光采集器用于接收条纹光线，并生成第一参考图、第二参考图、第三参考图以及第四参考图；
辅助光源用于向反射镜发射明场光线；
第一主光源与第二主光源用于向反射镜发射暗场光线；
第二光采集器用于接收明场光线或暗场光线；
处理器用于生成第一偏角、第二偏角以及三维坐标；
旋转驱动器用于根据第一偏角、第二偏角旋转检测台。
在本发明中，所述暗场成像装置还包括平移驱动器，平移驱动器用于沿预设的扫描路径移动检测台。
实施本发明的这种用于疵病检测的暗场成像方法及装置，具有以下有益效果：本发明通过明场成像确定明场疵病图案的走向并据此旋转反射镜，避免明场疵病图案与条纹光线平行影响成像效果。本发明估算反射镜的最大曲率方向，调整暗场光线的照射方向，避免反射镜的曲率变化影响暗场光线的反射位置，减少进入第二光采集器的噪声光线。本发明通过反射镜的高度函数实现暗场疵病图案的三维坐标的计算。本发明通过融合两个方向的暗场图获得全面的暗场图像，对暗场图像进行处理得到更清晰的暗场疵病图案。
附图说明
图1为本发明用于疵病检测的暗场成像方法的流程图；
图2为本发明的LCD光源的光路图；
图3为本发明的辅助光源、第一主光源以及第二主光源的光路图；
图4为本发明的明场疵病图案的示意图；
图5为本发明根据第一偏角旋转检测台的示意图；
图6为本发明根据第二偏角旋转检测台的示意图；
图7为本发明的暗场疵病图案的示意图；
图8为本发明的暗场成像装置的结构简图；
图9为本发明的暗场成像装置的框图。
附图中各附图标记：参考镜为11、检测台为10、LCD光源为12、第一光采集器为13、反射镜为20、辅助光源为21、第一主光源为23、第二主光源为24、第二光采集器为22、平移驱动器为25、旋转驱动器为26。
具体实施方式
为更清楚地理解本申请的目的、技术方案和优点，下面结合附图和实施例，对本申请进行了描述和说明。
本发明这种用于疵病检测的暗场成像方法，通过提取明场图像中明场疵病图案的中心线，根据中心线的第一偏角旋转检测台，避免明场疵病图案与条纹光线平行影响成像效果。本发明分别在第一偏角和第二偏角下开展暗场成像实验，融合两组暗场图生成暗场图像，再提取暗场图像的暗场疵病图案，结合高度函数计算暗场疵病图案的三维坐标。现有技术中，受疵病图案与反射镜曲率的影响，暗场光线的反射方向发生变化，暗场图像的准确性受到影响。本发明分别从垂直于明场疵病图案中心线以及极值线的方向获得第一、第二暗场图，融合后生成的暗场图像可以降低疵病图案以及反射镜曲率变化对成像效果的影响。
实施例一
如图1至图7所示的本发明用于疵病检测的暗场成像方法，包括以下步骤。
步骤1：将参考镜固定在检测台上，LCD光源分别沿第一高度和第二高度向参考镜发射四个相位的条纹光线，第一光采集器接收条纹光线分别生成四个第一参考图和四个第二参考图。第一光采集器为面阵相机，LCD光源为面光源。参照图2，LCD光源可上下移动。第一参考图与第二参考图为正弦条纹图，且四个第一参考图的相位相互间隔π/2。因参考镜为平面，第一参考图和第二参考图也为平直的条纹状。第一高度是LCD光源到参考镜的初始距离，第二高度是移动后的LCD光源到参考镜的距离。四个第一参考图中各像素点的强度为：I11(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cos(φ1(x,y))，I12(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cos(φ1(x,y)+π/2)，I13(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cos(φ1(x,y)+π)，I14(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cos(φ1(x,y)+3π/2)。四个第二参考图中各像素点的强度为：I21=A(x,y)+B(x,y)cos(φ2(x,y))，I22(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cos(φ2(x,y)+π/2)，I23(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cos(φ2(x,y)+π)，I24(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cos(φ2(x,y)+3π/2)。Iij(x,y) 为第i次成像时第j个相位下参考图中像素点(x,y)的强度，A(x,y)为背景强度值，B(x,y)为调制强度值，φi(x,y)为第i次成像时像素点(x,y)的相位角。在本实施例中，条纹光线通过投射平行光线形成光栅，光栅投射到参考镜或者反射镜表面上，形成一系列亮暗相间的条纹。LCD光源投射的是正弦条纹光线，通过参考镜或者反射镜反射至第一光采集器，第一光采集器获取的参考图也是正弦条纹图。若参考镜或者反射镜不是平面，则第一光采集器获取的参考图中的条纹会弯曲。根据参考图中的条纹弯曲程度，通过四步相移法得到相位，从而确定反射镜的曲率。
步骤2：将反射镜固定在参考镜上，辅助光源沿第一入射角λ1向反射镜发射明场光线，第二光采集器获得明场图像。第二光采集器为线阵相机，辅助光源为线阵光源。为了获得完整的明场图像，第二光采集器沿预设的扫描路径获得多幅明场孔径图，拼接多幅明场孔径图生成明场图像。扫描路径与反射镜的尺寸形状有关，正方形的反射镜采用例如Z字形扫描路径。具体来说，把反射镜被采集的区域划分为等间隔的孔径区域，第二光采集器从反射镜的边缘开始，沿扫描路径逐行扫描，获得明场孔径图。重复上述步骤，直到扫描完所有孔径区域，拼接多幅明场孔径图生成明场图像。
步骤3：提取明场图像中明场疵病图案的中心线，根据该中心线的第一偏角旋转检测台。明场疵病图案是表面疵病在可见光下的成像，中心线为明场疵病图案的长度方向。参照图4，提取明场疵病图案中像素点的平面坐标，采用回归直线法获得中心线y=Kx+C。K为中心线的斜率，C为中心线的截距。例如采用最小二乘法拟合平面坐标确定中心线。当明场疵病图案为圆形时，定义斜率K=0。第一偏角θ1=arctanK。当中心线为竖直方向时，θ1=π/2。按θ1转动旋转检测台，到达如图5所示位置。此时，条纹光线与中心线垂直。
步骤4：LCD光源分别沿第一高度和第二高度向反射镜发射四个相位的条纹光线，第一光采集器接收条纹光线分别生成四个第三参考图和四个第四参考图。区别于步骤1，步骤4的LCD光源向反射镜发射条纹光线。步骤4中条纹光线的相位变化与步骤1相同。因反射镜的曲率变化，第三参考图和第四参考图为弯曲的条纹状。四个第三参考图中各像素点的强度为：I31(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cos(φ3(x,y))，I32(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cos(φ3(x,y)+π/2)，I33(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cos(φ3(x,y)+π)，I34(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cos(φ3(x,y)+3π/2)，四个第四参考图中各像素点的强度为：I41(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cos(φ4(x,y))，I42(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cos(φ4(x,y)+π/2)，I43(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cos(φ4(x,y)+π)，I44(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cos(φ4(x,y)+3π/2)。
步骤5：根据第一参考图、第二参考图、第三参考图以及第四参考图计算反射镜的高度函数，根据高度函数的极值点确定第二偏角。依次根据第一参考图、第二参考图、第三参考图以及第四参考图确定反射镜任意像素点(x2,y2)的第一相位角φ1、第二相位角φ2、第三相位角φ3以及第四相位角φ4，再计算该像素点(x2,y2)对应的高度z，生成反射镜的高度函数z=g(x,y)。进一步的，提取高度函数的最大极值点与最小极值点的平面坐标(x3,y3)与(x4,y4)，第二偏角θ2=arctan ((y3-y4)/(x3-x4))。若x3=x4，θ2=π/2。
步骤6：第一主光源与第二主光源沿第二入射角λ2向反射镜发射暗场光线，第二光采集器获得第一暗场图。第一主光源以及第二主光源为线阵光源，光源种类例如是长波激光。其中，第二光采集器的轴线与检测台的法线的夹角等于第一入射角，以保证明场光线经过反射镜反射能够被第二光采集器采集。为构造暗场实验环境，第二入射角λ2大于第一入射角λ1。暗场光线的反射光线无法进入第二光采集器，受表面疵病影响的衍射光方可进入第二光采集器。
步骤7：根据第二偏角旋转检测台，第一主光源与第二主光源沿第二入射角向反射镜发射暗场光线，第二光采集器获得第二暗场图。如图5，按顺时针方向旋转检测台转动θ2，反射镜曲率变化最大的方向与暗场光线垂直，此时检测台沿扫描路径移动时，反射点变化小，可以避免曲率变化影响暗场光线的成像。
步骤8：融合所述第一暗场图和第二暗场图，生成暗场图像，提取暗场图像的暗场疵病图案。本实施例采用基于离散余弦变换的疵病检测算法得到暗场疵病图案。常见的暗场疵病图案如图7所示。具体来说，首先对暗场图像进行滤波去噪操作，把图像全部的灰度值从小到大排列出来，然后选取中值作为该区域的灰度值，最后从暗场图像中提取出暗场疵病图案。采用基于离散余弦变换的疵病检测算法，将最后的暗场图像通过二维离散余弦变换由空间域变换至频率域，分离出暗场图像的背景和暗场疵病图案，通过反离散余弦变换重建暗场图像的背景，再将原暗场图像与新建的暗场图像的背景作差得出暗场疵病图案。
步骤9：结合所述高度函数计算暗场疵病图案的三维坐标。提取暗场疵病图案中任意像素点的平面坐标(x1, y1)，代入反射镜的高度函数z=g(x,y)，确定暗场疵病图案的三维坐标 (x1, y1, g(x1, y1))。
实施例二
本实施例进一步公开了图像的优选处理方法，特别是公开参考图、明场孔径图以及暗场图像的处理方法。
1、根据参考图计算高度函数的方法。
结合实施例一的步骤1和步骤4，可以计算任意像素点的相位角。第一相位角φ1(x,y)=arctan([I14(x,y)-I12(x,y)]/[I11(x,y)-I13(x,y)])、第二相位角φ2(x,y)=arctan([I24(x,y)-I22(x,y)]/[I21(x,y)-I23(x,y)])、第三相位角φ3(x,y)=arctan([I34(x,y)-I32(x,y)]/[I31(x,y)-I33(x,y)])以及第四相位角φ4(x,y)=arctan([I44(x,y)-I42(x,y)]/[I41(x,y)-I43(x,y)])。对应像素点的反射镜的高度z={Δd[φ1(x,y)-φ3(x,y)]-d[φ1(x,y)-φ2(x,y)-φ3(x,y)+φ4(x,y)]}/[φ3(x,y)-φ4(x,y) +φ1(x,y)-φ2(x,y)]。其中，d为第一高度，d+Δd为第二高度，Δd为LCD光源移动的高度。代入反射镜的任意像素点的平面坐标(x2,y2)，可以确定其高度值，进而确定高度函数z=g(x,y)。
2、明场孔径图的拼接方法。
在实施例一的步骤2中，可以采用基于特征点拼接方法或灰度域拼接方法。在基于特征点拼接方法中：通过SUSAN算法以及SIFT算法获取明场孔径图的特征点，合并两个算法获取的特征点，并通过RANSAC算法筛选特征点，为每个特征点赋予方向，并生成相应的特征向量，最后对特征点进行匹配，从而完成明场孔径图的拼接。在灰度域拼接方法中：在待拼接的明场孔径图中选定模板，在另一个明场孔径图中设定搜索区域，将模板的灰度值与搜索区域内同样大小区域的灰度值做差，找到灰度值相差最小的区域即相似区域，得到相似区域坐标，经过平移变化，实现和模板区域的的拼接。
3、暗场图像的融合方法。
经实施例一步骤7的旋转操作，第一暗场图和第二暗场图的方向不同，在融合前先旋转校正。以第二暗场图的中心为原点旋转，设旋转前图像中某个像素点坐标为(x,y)，经过旋转变换后坐标变为(x',y')，x'=x×cosβ+y×sinβ，y'=-x×sinβ+y×cosβ。通常β=-θ2。再提取第一暗场图和第二暗场图的特征点，对特征点的位置信息进行匹配。融合方法例如是将匹配后的特征点的灰度值求均值作为图像融合后的灰度值，最后融合得到暗场图像。
实施例三
参照图8和图9，本实施例公开了实现所述用于疵病检测的暗场成像方法的暗场成像装置，包括：参考镜11、检测台10、LCD光源12、第一光采集器13、反射镜20、辅助光源21、第一主光源23、第二主光源24、第二光采集器22、处理器、平移驱动器25、旋转驱动器26以及时序控制器。参考镜11用于固定待检测的反射镜20。检测台10用于固定参考镜11。LCD光源12分别沿第一高度和第二高度向参考镜11发射四个相位的条纹光线。第一光采集器13接收条纹光线分别生成第一参考图、第二参考图、第三参考图以及第四参考图。辅助光源21沿第一入射角向反射镜20发射明场光线。第一主光源23与第二主光源24沿第二入射角向反射镜20发射暗场光线。第二光采集器22生成明场图像或暗场图像。处理器用于生成第一偏角、第二偏角以及三维坐标。旋转驱动器26用于根据第一偏角、第二偏角旋转检测台10。平移驱动器25用于沿预设的扫描路径移动检测台10。
时序控制器用于控制LCD光源12、辅助光源21、第一主光源23以及第二主光源24的工作间隔。参考镜11为光滑的平面镜，第一光采集器13为面阵CCD相机，辅助光源21为线性LED光源，第一主光源23与第二主光源24为线性LED光源，第二光采集器22为线阵CCD相机，平移驱动器25为精密平移台、旋转驱动器26为精密电控旋转台。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于疵病检测的暗场成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将参考镜固定在检测台上，LCD光源分别沿第一高度和第二高度向参考镜发射四个相位的条纹光线，第一光采集器接收条纹光线分别生成四个第一参考图和四个第二参考图；
步骤2：将反射镜固定在参考镜上，辅助光源沿第一入射角向反射镜发射明场光线，第二光采集器获得明场图像；
步骤3：提取明场图像中明场疵病图案的中心线，根据该中心线的第一偏角旋转检测台；
步骤4：LCD光源分别沿第一高度和第二高度向反射镜发射四个相位的条纹光线，第一光采集器接收条纹光线分别生成四个第三参考图和四个第四参考图；
步骤5：根据第一参考图、第二参考图、第三参考图以及第四参考图计算反射镜的高度函数，根据高度函数的极值点确定第二偏角；
步骤6：第一主光源与第二主光源沿第二入射角向反射镜发射暗场光线，第二光采集器获得第一暗场图；
步骤7：根据第二偏角旋转检测台，第一主光源与第二主光源沿第二入射角向反射镜发射暗场光线，第二光采集器获得第二暗场图；
步骤8：融合所述第一暗场图和第二暗场图，生成暗场图像，提取暗场图像的暗场疵病图案；
步骤9：结合所述高度函数计算暗场疵病图案的三维坐标，其中，
在步骤3中，提取明场疵病图案中像素点的平面坐标，采用回归直线法获得明场疵病图案的中心线y=Kx+C，K为中心线的斜率，C为中心线的截距，第一偏角θ1=arctanK，
在步骤5中，依次根据第一参考图、第二参考图、第三参考图以及第四参考图确定反射镜任意像素点(x2,y2)的第一相位角φ1、第二相位角φ2、第三相位角φ3以及第四相位角φ4，再计算该像素点(x2,y2)对应的高度z，生成反射镜的高度函数z=g(x,y)，
提取高度函数的最大极值点与最小极值点的平面坐标(x3,y3)与(x4,y4)，第二偏角θ2=arctan ((y3-y4)/(x3-x4))。
2.根据权利要求1所述的用于疵病检测的暗场成像方法，其特征在于，所述第一光采集器为面阵相机，所述第二光采集器为线阵相机，所述辅助光源、第一主光源以及第二主光源为线阵光源。
3.根据权利要求1所述的用于疵病检测的暗场成像方法，其特征在于，第二入射角大于第一入射角，第二光采集器的轴线与检测台的法线的夹角等于第一入射角。
4.根据权利要求1或2所述的用于疵病检测的暗场成像方法，其特征在于，在步骤2中，第二光采集器沿预设的扫描路径获得多幅明场孔径图，拼接多幅明场孔径图生成明场图像。
5.根据权利要求1所述的用于疵病检测的暗场成像方法，其特征在于，在步骤9中，提取暗场疵病图案中任意像素点的平面坐标(x1, y1)，代入反射镜的高度函数，确定暗场疵病图案的三维坐标 (x1, y1, g(x1, y1))。
6.一种实现权利要求1所述的用于疵病检测的暗场成像方法的暗场成像装置，其特征在于，包括：参考镜、检测台、LCD光源、第一光采集器、辅助光源、第一主光源、第二主光源、第二光采集器、处理器以及旋转驱动器，其中，
参考镜用于固定待检测的反射镜；
检测台用于固定参考镜；
LCD光源用于向参考镜或反射镜发射条纹光线；
第一光采集器用于接收条纹光线，并生成第一参考图、第二参考图、第三参考图以及第四参考图；
辅助光源用于向反射镜发射明场光线；
第一主光源与第二主光源用于向反射镜发射暗场光线；
第二光采集器用于接收明场光线或暗场光线；
处理器用于生成第一偏角、第二偏角以及三维坐标；
旋转驱动器用于根据第一偏角、第二偏角旋转检测台。
7.根据权利要求6所述的暗场成像装置，其特征在于，所述暗场成像装置还包括平移驱动器，平移驱动器用于沿预设的扫描路径移动检测台。
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