CN117607053A - 基于显微结构照明的曲面光学元件表面缺陷三维测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于显微结构照明的曲面光学元件表面缺陷三维测量装置及方法，包括OLED显示屏、照明端镜头、半反半透镜、显微物镜、基座、成像端远心镜头、相机及处理器。其中，所述处理器根据预存程序设置OLED显示屏显示水平和垂直两个方向正交的正弦性条纹，该正弦条纹通过照明端镜头后被半反半透镜向下偏折，再经过显微物镜成像于待测光学元件上方，经待测光学元件表面反射后的正弦条纹像经过显微物镜、半反半透镜、成像端远心镜头后，被相机采集。待测光学元件表面存在疵病的位置会有微观的三维突变，造成相位分布的突变和图像对比度的下降。所述处理器对采集到正弦条纹图进行分析，获取所述待测曲面元件表面面形以及缺陷信息。

Description

基于显微结构照明的曲面光学元件表面缺陷三维测量装置及 方法

技术领域

本发明属于光学检测领域，具体涉及一种基于显微结构照明的曲面光学元件表面缺陷三维检测装置及方法。

背景技术

随着超精密曲面光学元件应用日趋广泛，光学元件在制造、清洗和运输等环节中，除了本身气泡暴露以及加工过程中不当操作，或者外在因素损伤，均可能形成表面缺陷。缺陷的存在会降低光束质量、破坏膜层、造成元件损伤，同时曲面光学元件面形复杂程度更高、制造工艺更为复杂，所以曲面光学元件表面缺陷检测对工艺优化改进和系统质量控制至关重要。

传统的扫描轮廓仪、原子力显微镜等接触式检测方法通常可以得到缺陷的三维信息，纵向分辨率可以达到纳米量级，但接触法与待测光学元件表面距离过短，容易造成二次损伤，用于大尺寸曲面光学元件时检测效率较低，用于高陡度曲面光学元件时动态范围过小、检测难度大。常用的白光干涉仪可以检测出微损伤的深度信息，但干涉条纹易在微损伤处发生断裂解调方法复杂，导致测量结果误差大，用于大口径曲面元件时检测难度大。中国发明专利申请CN 107884414 A(一种剔除灰尘影响的镜面物体表面缺陷检测系统及方法)引入了检偏装置，实现了识别镜面物体的表面灰尘信息，通过与缺陷及灰尘分布信息图对比分析，即可得到剔除灰尘影响的待测镜面物体表面缺陷信息。中国发明专利申请CN110763159A(一种光学偏折显微表面测量装置及方法)采用投影屏、分光棱镜、待测光学元件、显微物镜、成像端远心镜头、CCD探测器和处理器组成光学偏折显微表面测量装置，实现了对金属表面高分辨率、高效率的显微测量。中国发明专利申请CN 113029033 A(一种显微表面测量装置及测量方法)由投影屏、基座、显微物镜、成像端远心镜头及CCD探测器构成，实现了金属表面的高精度面形测量。以上三个专利申请虽然可以实现高精度的表面测量，但检测对象主要针对金属表面和平面光学表面，对于曲面光学元件表面缺陷的测量并不适用。

发明内容

为了解决目前曲面光学元件表面缺陷检测成本高、操作复杂、检测速度慢等问题，本发明提出一种基于显微结构照明的曲面光学元件表面缺陷三维测量装置及方法，实现了高精度、低成本、空间分辨率高、测量速度快的曲面光学表面缺陷检测技术方案。本发明主要由OLED显示屏、照明端镜头、半反半透镜、显微物镜、基座、成像端远心镜头、相机及处理器组成。处理器根据预存程序进行参数设置使OLED显示屏产生水平和垂直两个方向正交的正弦条纹图像，该正弦条纹图像通过照明端镜头后被半反半透镜向下偏折，再经过显微物镜成像于待测光学元件上方。经待测光学元件表面反射后的正弦条纹像经过所述显微物镜、半反半透镜、成像端远心镜头后，被所述相机采集。待测光学元件表面存在疵病的位置会有微观的三维突变，造成相位分布的突变和图像对比度的下降。所述处理器对采集到含有相位突变的正弦条纹图进行分析，获取所述待测曲面元件表面面形以及缺陷信息。由于待测光学元件面形为曲面，采集到的正弦条纹会发生畸变，相比于传统检测方法，本发明在条纹反射法的基础上，结合显微结构，通过各镜头间相互匹配，有效减小了因面形而产生的畸变，实现多角度检测，同时检测分辨率高，速度快，精度高，且无额外部件，可实现曲面光学元件表面缺陷三维检测，优势明显。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于显微结构照明的曲面光学元件表面缺陷三维测量装置，包括OLED显示屏、照明端镜头、半反半透镜、显微物镜、基座、成像端远心镜头、相机及处理器；所述处理器连接所述OLED显示屏和所述相机，所述处理器根据预存程序进行参数设置使所述OLED显示屏产生水平和垂直两个方向正交的正弦性条纹，该正弦性条纹通过照明端镜头后被半反半透镜向下偏折，再经过显微物镜成像于待测光学元件上方，经待测光学元件的表面反射后的正弦的条纹像经过所述显微物镜、半反半透镜、成像端远心镜头后，被所述相机采集；待测光学元件的表面存在疵病的位置具有微观的三维突变，造成相位分布的突变和图像对比度的下降；所述处理器对采集到含有相位分布的突变的正弦条纹图进行分析，获取所述待测曲面元件的表面面形以及缺陷信息。

本发明还提出一种基于显微结构照明的曲面光学元件表面缺陷三维测量装置的测量方法，包括步骤如下：

S1、对曲面光学元件表面缺陷三维检测装置的结构位置参数进行测量标定得到S＝{(x_i,y_i,z_i),(α_i,β_i,γ_i)},

其中，i表示元件的标号数，(x_i,y_i,z_i)表示标号为i的元件的三维空间位置坐标，(α_i,β_i,γ_i)表示标号为i的元件分别相对于x轴、y轴和z轴的倾角。S为待测物面高度分布信息。

S2、利用处理器调制生成相位步长为2π/n的x方向的n幅正弦条纹图和y方向的n幅正弦条纹图；OLED显示屏上的标准条纹I₀(x,y)可表示为：

式中a和b分别为正常量，令a＝b，p为条纹周期，为初始相位，(x,y)为像素点的位置。

经过待测光学表面反射后的条纹函数I(x,y)表示为：

式中是由待测光学表面引入的局部相位调制，其分布可以采用相移技术获得。根据x和y两个方向的n步移相，所述相机分别采集到x方向和y方向各n幅相位相差2π/n的含有相位突变的正弦条纹图。

S3、对含有相位突变的正弦条纹图进行相位展开，通过局部相位量能够测量出局部斜率α，待测光学元件表面形貌的局部斜率α的变化引起的相位变化量/>变化的关系式如下：

其中，d为条纹共轭面到待测平面的距离，通过S1标定时得到；p为条纹共轭面处正弦条纹的周期。

S4、采用Southwell l(绍契威尔)重构模型将待测光学元件表面形貌的局部斜率α经过积分，得到待测物面高度分布信息S，相邻像素之间的梯度和高度值可以表示为下式：

S＝∫α_xdx+α_ydy

其中，α_i,j,S_i,j表示(i,j)点所代表的斜率和高度值，d_x、d_y是两个垂直方向的相邻像素之间的距离。上标x，y和下标x，y均表示x方向和y方向。

通过多项式拟合计算完成待测光学元件的表面微观形貌的测量，得到缺陷的三维信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明基于条纹反射法分辨率较高，装置及操作简便，是表面缺陷三维检测中十分有潜力的手段，一次检测能够获得相位、梯度、缺陷尺寸等信息，实现多角度检测。

(2)本发明结合显微光学结构，选择合适的成像镜头与显微物镜匹配，使得整个光学系统在复杂曲面表面缺陷测量时有足够的景深，使相机能够获取待测光学元件的更高分辨率信息。

(3)本发明有效提高了测量精度和测量速度，实现了曲面光学元件麻点、划痕、气泡等典型表面缺陷的长度、宽度、深度检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的明显变形方式。

图1是本发明的基于显微结构照明的曲面光学元件表面缺陷三维测量装置的结构示意图。

图2是本发明的基于显微结构照明的曲面光学元件表面缺陷三维测量方法流程图。

图3a，图3b是本发明装置的一具体实施例中相机采集到的x方向和y方向含有相位突变的正弦条纹图；其中图3a为x方向含有相位突变的正弦条纹图，图3b为y方向含有相位突变的正弦条纹图；

图4a，图4b是本发明装置的一具体实施例中x方向和y方向的斜率分布示意图；其中，图4a为x方向的斜率分布图，图4b为y方向的斜率分布图；

图5是本发明装置的一具体实施例中表面面形及缺陷信息示意图。

附图中：1—处理器，2—OLED显示屏，3—相机，4—成像端远心镜头，5—半反半透镜，6—显微物镜，7—照明端镜头，8—待测光学元件，9—基座，10—条纹像。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不构成对本发明的限制。

如图1所示，本发明的基于显微结构照明的曲面光学元件表面缺陷三维测量装置包括OLED显示屏2、照明端镜头7、半反半透镜5、显微物镜6、基座9、成像端远心镜头4、相机3及处理器1。其中，所述处理器连接所述OLED显示屏2和所述相机3，所述处理器根据预存程序进行参数设置使所述OLED显示屏2产生水平和垂直两个方向正交的正弦性条纹，该正弦条纹通过照明端镜头7后被半反半透镜5向下偏折，再经过显微物镜6成像于待测光学元件8上方，经待测光学元件8表面反射后的正弦的条纹像10经过所述显微物镜6、半反半透镜5、成像端远心镜头4后，被所述相机3采集。待测光学元件8表面存在疵病的位置会有微观的三维突变，造成相位分布的突变和图像对比度的下降。所述处理器对采集到含有相位突变的正弦条纹图进行分析，获取曲面的所述待测光学元件8表面面形以及缺陷信息。

其中，所述OLED显示屏2和照明端镜头7置于所述半反半透镜5侧面，所述显微物镜6、半反半透镜5、成像端远心镜头4和相机3依次置于所述待测光学元件8上方。所述显微物镜6的机械中心轴与所述OLED显示屏2、照明端镜头7的中心光轴垂直。所述基座9用于放置所述待测光学元件8，使所述待测光学元件8可以相对于所述显微物镜6上下移动或偏转。所述待测光学元件8置于所述显微物镜6的焦平面上。所述显微物镜6和所述成像端远心镜头4组成的光学系统的景深大于所述待测光学元件8在所述相机3的视场内的缺陷深度，以获取整个视场内缺陷的清晰成像。

基于上述显微曲面光学表面缺陷测量装置，通过一具体实施例对本发明做进一步的说明。如图2所示，本发明的基于显微结构照明的曲面光学元件表面缺陷三维测量方法包括如下步骤：

S1、结构位置参数测量标定：显微光学表面采用放大倍率为10×、工作距离为10.6mm的显微物镜6；半反半透镜5采用边长为50mm的正立方体半反半透镜；成像端远心镜头4采用放大倍率为1×、工作距离为178mm的物方远心镜头；相机3采用分辨率为5120(H)×5120(V)、像素尺寸为2.5μm×2.5μm的CMOS探测器；照明端镜头7采用放大倍率为1×、工作距离为180mm的物方远心镜头；光源采用分辨率为1280(H)×960(V)的OLED显示屏2。通过调整待测光学元件8位置以确保待测光学元件8表面清晰成像于显微物镜6的焦平面上，再通过移动OLED显示屏2以确保条纹像10成像在待测光学元件8表面上方；

S2、预先生成x，y方向正弦条纹图并以此在OLED显示屏2上显示，计算采集到的变形条纹光信号的相位分布；

通过处理器1的预存程序进行参数配置，使OLED显示屏2上依次显示x方向和y方向的16步步长为π/8的正弦性条纹，该正弦条纹依次成像在待测光学元件8上方，经待测光学元件8表面反射后的正弦的条纹像10经过所述显微物镜6、半反半透镜5、成像端远心镜头4后，被所述相机3采集。待测光学元件8表面存在疵病的位置会有微观的三维突变，造成相位分布的突变和图像对比度的下降，处理器1对采集到含有相位突变的正弦条纹图进行分析，如图3a，图3b所示，图3a为x方向含有相位突变的正弦条纹图，图3b为y方向含有相位突变的正弦条纹图。通过相位提取及展开，分别解出x方向和y方向的相位分布图；

S3、获取待测光学元件表面对应的实际斜率分布：根据所述相位分布图，通过计算待测光学元件8表面对应的实际斜率分布，其中，/>为局部相位量，α为局部斜率，d为条纹共轭面到待测平面的距离，p为条纹共轭面处正弦条纹的周期，如图4a，图4b所示，图4a为x方向的斜率分布图，图4b为y方向的斜率分布图；

S4、将所述实际斜率分布进行积分得到待测光学元件8表面面形信息，通过对相位分布信息进行多项式拟合计算后得到表面缺陷三维信息，如图5所示，其中[1319，3471]位置处缺陷深度为52.87nm，该像素点的红色亮度值R＝0.3725，绿色亮度值为G＝0.3725，蓝色亮度值为B＝0.3725。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims (3)

1.一种基于显微结构照明的曲面光学元件表面缺陷三维测量装置，其特征在于，包括OLED显示屏、照明端镜头、半反半透镜、显微物镜、基座、成像端远心镜头、相机及处理器；所述处理器连接所述OLED显示屏和所述相机，所述处理器根据预存程序进行参数设置使所述OLED显示屏产生水平和垂直两个方向正交的正弦性条纹，该正弦性条纹通过照明端镜头后被半反半透镜向下偏折，再经过显微物镜成像于待测光学元件上方，经待测光学元件的表面反射后的正弦的条纹像经过所述显微物镜、半反半透镜、成像端远心镜头后，被所述相机采集；待测光学元件的表面存在疵病的位置具有微观的三维突变，造成相位分布的突变和图像对比度的下降；所述处理器对采集到含有相位分布的突变的正弦条纹图进行分析，获取所述待测曲面元件的表面面形以及缺陷信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于显微结构照明的曲面光学元件表面缺陷三维测量装置，其特征在于，所述OLED显示屏和照明端镜头置于所述半反半透镜侧面，显微物镜、半反半透镜、成像端远心镜头和相机依次置于所述待测光学元件上方；所述显微物镜的机械中心轴与所述OLED显示屏、照明端镜头的中心光轴垂直；所述基座用于放置所述待测光学元件，使待测光学元件能够相对于显微物镜上下移动或偏转；所述待测光学元件置于显微物镜的焦平面上。

3.如权利要求1或2所述的一种基于显微结构照明的曲面光学元件表面缺陷三维测量装置的测量方法，其特征在于，包括步骤如下：

S1、对曲面光学元件表面缺陷测量装置的结构位置参数进行测量标定得到S＝{(x_i,y_i,z_i),(α_i,β_i,γ_i)},

其中，i表示元件的标号数，(x_i,y_i,z_i)表示标号为i的元件的三维空间位置坐标，(α_i,β_i,γ_i)表示标号为i的元件分别相对于x轴、y轴和z轴的倾角；S为待测物面高度分布信息；

S2、利用处理器调制生成相位步长为2π/n的x方向的n幅正弦条纹图和y方向的n幅正弦条纹图；OLED显示屏上的标准条纹I₀(x,y)表示为：

式中a和b分别为正常量，为初始相位，(x,y)为像素点的位置；令a＝b，p₀为条纹周期；

经过待测光学表面反射后的条纹函数I(x,y)表示为：

式中是由待测光学表面引入的相位调制，其分布可以采用相移技术获得，根据x和y两个方向的n步移相，所述相机分别采集到x方向和y方向各n幅相位相差2π/n的含有相位突变的正弦条纹图；

S3、对含有相位突变的正弦条纹图进行相位展开，通过局部相位量测量出局部斜率α，待测光学元件表面形貌的斜率变化α引起的相位变化量/>变化的关系式如下：

其中，d为条纹共轭面到待测平面的距离，通过步骤S1标定时得到；p为条纹共轭面处正弦条纹的周期；

S4、采用绍契威尔重构模型将待测光学元件表面形貌的局部斜率α进行积分，得到待测光学元件的表面高度分布信息S，相邻像素之间的梯度和高度值表示为下式：

S＝∫α_xdx+α_ydy

其中，α_i,j,S_i,j表示(i,j)点所代表的斜率和高度值，d_x、d_y是两个垂直方向的相邻像素之间的距离；上标x，y和下标x，y均表示x方向和y方向；

通过多项式拟合计算完成待测光学元件的表面微观形貌的测量，得到缺陷的三维信息。