[發明專利]一種大口徑曲面光學元件表面缺陷自動檢測裝置及方法

有效

• 申請號: 201811330664.9
• 申請日: 2018-11-09
• 公開（公告）號: CN109490313B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 全海洋;徐富超;付韜韜;胡小川;吳高峰;侯溪;伍凡;李聲
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G01N21/88
• 分類號: G01N21/88
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種大口徑曲面光學元件表面缺陷自動檢測裝置的測量方法，其特征在于：該方法利用大口徑曲面光學元件表面缺陷自動檢測裝置，包括傳感器系統(1)、成像系統(2)、照明系統(3)、大口徑光學元件(4)、旋轉工件臺(5)、自動取樣裝置(6)、噴淋裝置(7)和導軌(8)，其中傳感器系統(1)、成像系統(2)和照明系統(3)構成測量頭，豎直安裝在導軌(8)上，實現大口徑光學元件的多軸聯動，包括沿X、Z軸的平動和繞Y軸的擺動，保證檢測過程中測量頭的光軸與大口徑光學元件(4)表面法線始終保持一致；大口徑光學元件(4)置于可繞Z軸360度旋轉的旋轉工件臺(5)上，測量頭配合旋轉工件臺(5)實現大口徑光學元件(4)表面缺陷的全口徑掃描測量；其中自動取樣裝置(6)固定在導軌(8)的支架上，自動取樣裝置(6)主要由機械手組成，自動取樣裝置(6)用于自動化生產中機械手自動夾取光學元件；噴淋裝置(7)跟測量頭保持聯動關系，隨測量頭運動到被測表面指定位置，傳感器系統(1)一旦檢測到表面上有灰塵、雜質異物，噴淋裝置(7)就被激活，用于準確去除被測件表面的灰塵、雜質偽缺陷；

照明系統(3)為分布在成像系統(2)四周的多角度環形照明，包含LED或激光光源和照明光學系統，并且每個環帶照明角度可以控制，使鏡面反射像不進入成像系統(2)，而傳感器系統(1)可以獲得缺陷的散射像；

成像系統(2)包括高解析度的線陣鏡頭、高分辨率的線陣相機以及與相機信號連接的高速數據采集卡，同時包含相位掩膜版、全息光學元件或微透鏡陣列的成像系統(2)景深范圍的光學調制元件；

檢測過程中測量頭的光軸與大口徑光學元件(4)表面法線始終保持一致；

每個環帶測量前調整測量頭實現對焦，使整個環帶在景深范圍內在成像系統(2)的相機傳感器上成像清晰；

每次測量前噴淋裝置(7)對整個表面進行吹淋和清潔；每次測量后根據機器學習灰塵識別算法準確識別光學表面上灰塵，噴淋裝置(7)對每個位置上的灰塵進行吹淋去除，噴嘴選用過濾空氣或水，該方法包括如下具體步驟：

步驟1：多軸聯動移動所述導軌(8)使測量頭的成像光軸、大口徑光學元件(4)的球心以及旋轉工件臺(5)的旋轉中心重合，獲得被測樣品的初始檢測位置；

步驟2：根據大口徑光學元件(4)的口徑和曲率半徑信息，導軌(8)將測量頭移動到第一個環帶掃描位置N₁；

步驟3：根據大口徑光學元件(4)的口徑和曲率半徑信息，控制所述照明系統(3)的光源入射角度，同時開啟照明光源；

步驟4：控制旋轉工件臺(5)勻速轉動，同時編碼器產生行觸發信號，使用行觸發信號來控制線陣相機進行拍照；

步驟5：由步驟2至步驟4實現大口徑光學元件(4)表面缺陷的n個子孔徑環帶掃描，然后通過處理器將各個環帶的圖像進行拼接即可實現大口徑光學元件(4)表面缺陷的全口徑檢測；

步驟6：通過數據處理系統對采集的圖像進行評價和數字化表征；

其中，所述光源為LED光源或激光光源，光源亮度足夠使得被測大口徑光學元件(4)表面的各種缺陷得以在成像系統(2)中顯現；

步驟4所述的旋轉工件臺(5)為電控旋轉臺，勻速旋轉過程中其端面跳動應不影響測量頭的對焦，控制旋轉工件臺(5)勻速轉動，同時編碼器產生行觸發信號，使用行觸發信號來控制線陣相機進行拍照，從而獲得對整個環帶表面缺陷的采集；

大口徑曲面光學元件表面缺陷的子孔徑環帶掃描采集過程，具體如下：

1-1.根據被測大口徑光學元件(4)的口徑和曲率半徑信息，確定子孔徑掃描路徑及環帶數；

1-2.通過導軌控制測量頭繞X軸擺動和沿X、Z軸平動，使測量頭的光軸與被測大口徑光學元件(4)表面環帶N1垂直；

1-3.旋轉工件臺(5)勻速旋轉，同時傳感器系統(1)采集圖像，得到第一個環形子孔徑圖像；

1-4.根據已確定的子孔徑環帶掃描路徑，控制測量頭繞X軸擺動和沿X、Z軸平動到達其他子孔徑位置，依次得到第i個環形子孔徑圖像；

1-5.重復步驟1-2和步驟1-3，直到完成被測大口徑光學元件(4)全口徑表面缺陷信息的無漏采集，可以得到凹球面元件三個環帶子孔徑表面缺陷圖；

1-6.對采集的各個環帶子孔徑圖像進行圖像處理和拼接，得到被測大口徑光學元件(4)表面缺陷的全景圖像，可以得到凹球面元件表面缺陷的全景圖像；

該方法利用可控入射角的多角度環形光源對曲面表面進行均勻照射，光學元件表面缺陷散射光暗場成像到成像系統，相對傳統機器視覺方法成像對比度和信噪比大大提高；使用線陣相機和旋轉工件臺對大口徑曲面元件進行全口徑環帶掃描，檢測精度和檢測效率也得到大大提高。