球面光學(xué)元件表面缺陷評(píng)價(jià)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種球面光學(xué)元件表面缺陷評(píng)價(jià)方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 球面光學(xué)元件在大口徑空間望遠(yuǎn)鏡、慣性約束聚變（ICF)系統(tǒng)、高能激光等系統(tǒng) 中被廣泛應(yīng)用，元件表面的缺陷特征如劃痕、麻點(diǎn)等不但會(huì)影響光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量，其在高 能激光系統(tǒng)中還會(huì)產(chǎn)生不必要的散射與衍射從而造成能量損失，該能量損失在高功率激光 系統(tǒng)中還可能因?yàn)槟芰窟^高而造成二次損傷，因此有必要在球面光學(xué)元件的使用前進(jìn)行其 表面缺陷的檢測(cè)，數(shù)字化評(píng)價(jià)缺陷信息，從而為球面光學(xué)元件的使用提供可靠的數(shù)值依據(jù)。
[0003] 球面光學(xué)元件缺陷的傳統(tǒng)檢測(cè)方法主要是目視法，利用強(qiáng)光照射球面表面，人眼 利用反射光和透射光從不同方向進(jìn)行觀察，目視法受檢測(cè)者熟練程度的影響較大，主觀性 較強(qiáng)，而且長(zhǎng)期的檢測(cè)會(huì)造成人眼疲勞，同時(shí)無(wú)法給出缺陷信息的定量化描述。因此需要設(shè) 計(jì)一種球面光學(xué)元件表面缺陷評(píng)價(jià)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)球面光學(xué)元件表面缺陷的自動(dòng)化評(píng)價(jià)， 極大的提高檢測(cè)效率及檢測(cè)精度。該方法通過對(duì)基于顯微散射暗場(chǎng)成像原理得到的球面光 學(xué)元件表面缺陷暗場(chǎng)圖像進(jìn)行處理，設(shè)計(jì)了一種球面光學(xué)元件表面缺陷精確定量評(píng)價(jià)的方 法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種球面光學(xué)元件表面缺陷評(píng)價(jià)方 法。
[0005] 球面光學(xué)元件表面缺陷評(píng)價(jià)方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟1.球面光學(xué)元件經(jīng)過顯微散射暗場(chǎng)成像在像面上時(shí)，得到的成像子孔徑圖 像為二維圖像；由于在光學(xué)成像過程中會(huì)發(fā)生沿成像光軸方向的信息壓縮，因此首先要進(jìn) 行球面三維重構(gòu)，矯正球面光學(xué)元件的表面缺陷經(jīng)過光學(xué)成像時(shí)產(chǎn)生的沿成像光軸方向的 信息壓縮，所述的球面三維重構(gòu)過程，是指將顯微散射暗場(chǎng)成像過程，簡(jiǎn)化為小孔成像模 型，再利用幾何關(guān)系將成像子孔徑圖像重構(gòu)為三維子孔徑圖像；
[0007] 步驟2.經(jīng)球面三維重構(gòu)后得到三維子孔徑圖像，為了便于特征提取，通過全口徑 投影將三維子孔徑圖像的信息投影到二維平面上，得到全口徑投影圖像；
[0008] 步驟3.對(duì)得到的全口徑投影圖像進(jìn)行低倍特征提取，然后利用三維逆重構(gòu)得到 缺陷的三維尺寸；最后利用缺陷定標(biāo)得到的球面缺陷定標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)缺陷實(shí)際尺寸的檢測(cè)， 并獲得缺陷在球面光學(xué)元件表面上的位置坐標(biāo)；
[0009] 步驟4.對(duì)缺陷進(jìn)行高倍檢測(cè)，保證微米量級(jí)的檢測(cè)精度；首先將顯微散射暗場(chǎng)成 像的放大倍率調(diào)節(jié)至高倍；然后依據(jù)步驟3所得的位置坐標(biāo)，將表面缺陷移動(dòng)至高倍視場(chǎng) 中心，進(jìn)行高倍圖像采集；再進(jìn)行高倍特征提取，并利用缺陷定標(biāo)得到的球面缺陷定標(biāo)數(shù) 據(jù)得到微米量級(jí)的缺陷評(píng)價(jià)結(jié)果；
[0010] 步驟5.對(duì)缺陷評(píng)價(jià)結(jié)果以球面三維預(yù)覽圖、電子報(bào)表及缺陷位置示意圖的方式 進(jìn)行缺陷評(píng)價(jià)信息輸出。
[0011] 步驟1所述的球面光學(xué)元件經(jīng)過顯微散射暗場(chǎng)成像在像面上得到成像子孔徑圖 像的過程如下，具體如下：
[0012] 1-1.球面光學(xué)元件表面上一點(diǎn)p運(yùn)動(dòng)至p'點(diǎn)處，使其進(jìn)入顯微散射暗場(chǎng)成像的 物方視場(chǎng)中；
[0013] 1-2.將顯微暗場(chǎng)散射成像的放大倍率調(diào)節(jié)至低倍并對(duì)球面光學(xué)元件表面缺陷進(jìn) 行低倍子孔徑采集；經(jīng)過顯微散射暗場(chǎng)成像后得到在成像子孔徑上的像點(diǎn)為P";
[0014] 1-3.通過數(shù)字圖像采集過程，將像面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為圖像坐標(biāo)系X J1，得到成像 子孔徑圖像，X。軸和Y。軸組成像面坐標(biāo)系，其坐標(biāo)原點(diǎn)為顯微散射暗場(chǎng)成像單元的光軸與 成像子孔徑圖像的交點(diǎn)；X 1軸與Y i軸組成圖像坐標(biāo)系X J113
[0015] 步驟2所述的全口徑投影圖像的獲取過程，具體包括如下步驟：
[0016] 2-1.對(duì)重構(gòu)后的三維子孔徑圖像進(jìn)行球面子孔徑全局坐標(biāo)變換，將三維子孔徑圖 像經(jīng)過全局坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換為球面子孔徑圖像；
[0017] 2-2.將球面子孔徑圖像垂直投影至平面得到投影子孔徑圖像；
[0018] 2-3.通過球面子孔徑圖像垂直投影至平面上得到投影子孔徑圖像，然后進(jìn)行投影 子孔徑圖像拼接，在平面上得到上述缺陷的位置和尺寸信息后再對(duì)其進(jìn)行逆重構(gòu)，從而實(shí) 現(xiàn)球面光學(xué)元件表面缺陷的準(zhǔn)確檢測(cè)。
[0019] 投影子孔徑圖像拼接采用煒線層直接拼接，經(jīng)線層環(huán)形拼接的方式；投影子孔徑 圖像拼接過程如下：
[0020] ①對(duì)投影子孔徑圖像去噪，從而去除背景噪聲對(duì)投影拼接精度的影響；
[0021] ②對(duì)去噪后的同一煒線層上相鄰?fù)队白涌讖綀D像的重疊區(qū)域進(jìn)行特征配準(zhǔn)；
[0022] ③對(duì)同一煒線層上配準(zhǔn)后的相鄰子孔徑圖像進(jìn)行拼接，得到煒線層環(huán)帶圖像；
[0023] ④提取煒線層環(huán)帶圖像中包含所有重疊區(qū)的最小圓環(huán)；
[0024] ⑤提取最小圓環(huán)的配準(zhǔn)點(diǎn)，獲取最佳匹配位置，完成投影子孔徑拼接過程。
[0025] 步驟3所述的對(duì)得到的全口徑投影圖像進(jìn)行低倍特征提取，然后利用缺陷定標(biāo)得 到球面缺陷定標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)缺陷實(shí)際尺寸的檢測(cè)；最后通過三維逆重構(gòu)得到缺陷的真實(shí)尺 寸，并獲得缺陷在球面光學(xué)元件表面上的位置坐標(biāo)，具體如下：
[0026] 3-1.在投影子孔徑圖像拼接后的二維全孔徑圖像上，進(jìn)行缺陷的特征提取，獲取 缺陷的尺寸和位置信息；
[0027] 3-2.經(jīng)過缺陷三維逆投影得到球面光學(xué)元件表面缺陷的三維尺寸和位置坐標(biāo)的 像素?cái)?shù)；
[0028] 3-3.利用缺陷定標(biāo)得到的球面缺陷定標(biāo)數(shù)據(jù)，將缺陷的三維尺寸和位置坐標(biāo)的像 素?cái)?shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際尺寸和位置坐標(biāo)。
[0029] 步驟3和4中所述的球面缺陷定標(biāo)數(shù)據(jù)包括缺陷長(zhǎng)度定標(biāo)數(shù)據(jù)和缺陷寬度定標(biāo)數(shù) 據(jù)；長(zhǎng)度定標(biāo)過程就是要獲得球面上任意位置處標(biāo)準(zhǔn)線段的實(shí)際長(zhǎng)度與球面子孔徑圖像的 像素?cái)?shù)之間的關(guān)系，長(zhǎng)度定標(biāo)數(shù)據(jù)獲取方式如下：
[0030] 首先在平面物面上取一條標(biāo)準(zhǔn)線段山，Cl1的長(zhǎng)度通過標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器測(cè)量；標(biāo)準(zhǔn)線 段Cl 1經(jīng)顯微散射暗場(chǎng)成像，在成像子孔徑圖像上得到其像d p;
[0031] 然后將該幅成像子孔徑圖像重構(gòu)為三維子孔徑圖像，在三維子孔徑圖像上得到標(biāo) 準(zhǔn)線段的球面像d。，此時(shí)d。以像素?cái)?shù)為單位，同時(shí)通過d。得到其所對(duì)應(yīng)的圓弧角d e ;由于 球面光學(xué)元件的曲率半徑R能夠通過球面定中過程精確測(cè)量得到，因此d。所對(duì)應(yīng)的實(shí)際尺 寸d = Rde ;通過尋找d。和d之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，定標(biāo)得到三維子孔徑圖像的像素?cái)?shù)與實(shí)際尺 寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即k = d/d。，將d = Rde代入，得k = Rd e/d。，而d。= Rpi)relde，其中Rpixf3l為 重構(gòu)后的三維球面圖像的曲率半徑，簡(jiǎn)稱為像素曲率半徑，從而得到定標(biāo)系數(shù)k = R/Rp1m1; 在同一個(gè)球面光學(xué)元件上的表面缺陷在提取其長(zhǎng)度時(shí)，首先通過特征提取獲得缺陷的各像 素點(diǎn)位置坐標(biāo)，依據(jù)像素點(diǎn)位置坐標(biāo)，將連續(xù)的缺陷離散為η條線段，得到線段方程I 1: yi = MJb1，其中i = 1，2, 3· ·· η ;針對(duì)各線段分別進(jìn)行逆投影還原過程，得到線段I1在以Rpixel 為半徑的球