大口徑光學(xué)元件表面損傷檢測裝置和相應(yīng)的檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大口徑光學(xué)元件表面損傷檢測裝置，該裝置主要包括：專用夾具，對待檢測光學(xué)元件進行定位和夾緊；激光自準(zhǔn)直儀，安裝于可檢測到待檢測光學(xué)元件的位置，用于檢測待檢測光學(xué)元件的姿態(tài)信息；線陣相機組件，安裝于可觀測到待檢測光學(xué)元件的位置，用于獲取待檢測光學(xué)元件表面局部縮小的線陣圖像；顯微鏡組件，安裝于可觀測到待檢測光學(xué)元件的位置，用于獲取待檢測光學(xué)元件表面局部放大的面陣圖像；掃描聚焦組件，對于待檢測光學(xué)元件表面進行掃描、定位和聚焦；數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，對于專用夾具和掃描聚焦組件的運動進行控制，并對接收到的圖像進行存儲、處理和圖像損傷信息分析。本發(fā)明具有廣泛的應(yīng)用前景和可觀的社會經(jīng)濟效益。
【專利說明】大口徑光學(xué)元件表面損傷檢測裝置和相應(yīng)的檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于大口徑光學(xué)元件表面損傷檢測領(lǐng)域，具體地說是一種能夠?qū)崿F(xiàn)大口徑光學(xué)元件表面損傷檢測的裝置和相應(yīng)的檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著光學(xué)加工水平的快速發(fā)展，大口徑光學(xué)元件的使用比重越來越大，如何能夠快速高精度的進行大口徑光學(xué)元件的表面損傷檢測，近年來備受關(guān)注。國內(nèi)外很多高校研究所也都對此開展了相關(guān)的研究工作，在光源選型、照明實驗設(shè)計、CCD選擇、掃描控制、損傷識別等方面都提出了比較實用和值得借鑒的方法，但仍然還存在著一些局限和不足，如檢測精度差、檢測效率低、檢測對象單一、操作不便等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種能夠克服上述不足、滿足大口徑光學(xué)元件表面損傷檢測需求的檢測裝置和相應(yīng)的檢測方法。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，
[0005]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提出一種大口徑光學(xué)元件表面損傷檢測裝置，該裝置包括:專用夾具、激光自準(zhǔn)直儀、線陣相機組件、顯微鏡組件、掃描聚焦組件和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，其中:
[0006]所述專用夾具固定安裝在檢測平臺上，用于實現(xiàn)待檢測光學(xué)元件的定位和夾緊，并根據(jù)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的調(diào)整指令對待檢測光學(xué)元件的姿態(tài)進行調(diào)整；
[0007]所述激光自準(zhǔn)直儀安裝于可檢測到待檢測光學(xué)元件的位置，用于檢測待檢測光學(xué)元件的姿態(tài)信息，并將檢測到的姿態(tài)信息反饋給所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)；
[0008]所述線陣相機組件安裝于可觀測到待檢測光學(xué)元件的位置，用于獲取待檢測光學(xué)元件表面局部縮小的線陣圖像，并將獲取到的線陣圖像發(fā)送給所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進行存儲、處理和分析；
[0009]所述顯微鏡組件安裝于可觀測到待檢測光學(xué)元件的位置，用于獲取待檢測光學(xué)元件表面局部放大的面陣圖像，并將獲取到的面陣圖像發(fā)送給所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進行存儲、處理和分析；
[0010]所述掃描聚焦組件與所述線陣相機組件、顯微鏡組件和激光自準(zhǔn)直儀連接，用于根據(jù)所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的驅(qū)動指令運動，以實現(xiàn)所述線陣相機組件、所述顯微鏡組件或激光自準(zhǔn)直儀對于待檢測光學(xué)元件表面的掃描、定位和聚焦；
[0011]所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)與所述激光自準(zhǔn)直儀、線陣相機組件、顯微鏡組件和掃描聚焦組件連接，用于對于所述專用夾具和掃描聚焦組件的運動進行控制，并對接收到的圖像進行存儲、處理和圖像損傷信息分析。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提出一種大口徑光學(xué)元件表面損傷檢測方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:[0013]步驟1，將待檢測光學(xué)元件安裝到專用夾具上進行定位和夾緊，并根據(jù)激光自準(zhǔn)直儀的檢測結(jié)果對待檢測光學(xué)元件的姿態(tài)進行調(diào)整；
[0014]步驟2，驅(qū)動掃描聚焦組件中的前后聚焦軸運動，使得線陣相機組件中的相機鏡頭對待檢測光學(xué)元件的表面進行聚焦；
[0015]步驟3，驅(qū)動掃描聚焦組件中的水平掃描軸和豎直掃描軸運動，將線陣相機組件中的相機鏡頭定位到待檢測光學(xué)元件的左上角，并按照先豎直后水平的原則對待檢測光學(xué)元件的表面進行線掃描成像，得到多幅局部縮小的線陣圖像；
[0016]步驟4，將掃描得到的局部縮小的線陣圖像進行拼接，得到待檢測光學(xué)元件的整體表面圖像，對該圖像進行處理和損傷分析，可以得到待檢測光學(xué)元件表面的損傷信息。
[0017]本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)長度尺寸在400-1000毫米之間方形平面光學(xué)元件的表面損傷離線檢測，線陣相機可以識別的最小損傷點尺寸約為30微米，顯微鏡精確測量損傷點的尺寸精度優(yōu)于5微米，損傷點位置估計精度優(yōu)于50微米，本發(fā)明稍作改動即可用于非方形曲面光學(xué)元件的表面損傷離線檢測，因此本發(fā)明具有廣泛的應(yīng)用前景和可觀的社會經(jīng)濟效益。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明大口徑光學(xué)元件表面損傷檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是利用本發(fā)明檢測裝置對大口徑光學(xué)元件表面損傷進行檢測的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0020]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明。
[0021]圖1是本發(fā)明大口徑光學(xué)元件表面損傷檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種大口徑光學(xué)元件表面損傷檢測裝置，該檢測裝置包括專用夾具
1、激光自準(zhǔn)直儀2、線陣相機組件3、顯微鏡組件4、掃描聚焦組件5和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)6，其中:
[0022]所述專用夾具固定安裝在檢測平臺上，用于實現(xiàn)待檢測光學(xué)元件的定位和夾緊，并根據(jù)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的調(diào)整指令對待檢測光學(xué)元件的姿態(tài)進行調(diào)整，待檢測光學(xué)元件的姿態(tài)包括俯仰和偏擺角度等姿態(tài)；
[0023]在本發(fā)明一實施例中，所述專用夾具是一種柔性夾具，其可以實現(xiàn)厚度尺寸60-150毫米，長度尺寸400-1000毫米，寬度尺寸200-500毫米之間方形光學(xué)元件的定位和夾緊，如若需要夾持非方形光學(xué)元件，則僅需改變專用夾具的形狀即可。
[0024]所述激光自準(zhǔn)直儀是一種角度測量工具，其安裝于可檢測到待檢測光學(xué)元件的位置，用于檢測待檢測光學(xué)元件的姿態(tài)信息，并將檢測到的姿態(tài)信息反饋給所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。
[0025]所述線陣相機組件安裝于可觀測到待檢測光學(xué)元件的位置，用于獲取待檢測光學(xué)元件表面局部縮小的線陣圖像，并將獲取到的線陣圖像發(fā)送給所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進行存儲、處理和分析；
[0026]所述線陣相機組件包括線陣CCD、相機鏡頭和線光源，其中，線光源用于照亮待檢測光學(xué)元件表面的線區(qū)域，相機鏡頭用于將該區(qū)域成像到線陣CCD上，從而獲取待檢測光學(xué)元件表面局部縮小的線陣圖像。
[0027]在本發(fā)明一實施例中，所述線陣CXD的行頻最高可達幾十KHz，所述線陣相機組件的分辨率為8.5微米。
[0028]所述顯微鏡組件安裝于可觀測到待檢測光學(xué)元件的位置，用于獲取待檢測光學(xué)元件表面局部放大的面陣圖像，并將獲取到的面陣圖像發(fā)送給所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進行存儲、處理和分析；
[0029]所述顯微鏡組件包括面陣CCD、顯微鏡頭和同軸光源，其中，所述同軸光源用于照亮待檢測光學(xué)元件表面的面區(qū)域，顯微鏡頭用于將該區(qū)域成像到面陣CCD上，從而獲取待檢測光學(xué)元件表面局部放大的面陣圖像。
[0030]在本發(fā)明一實施例中，所述顯微鏡組件的放大倍數(shù)為0.71倍-4.5倍，最高分辨率為1.57微米。
[0031]所述掃描聚焦組件與所述線陣相機組件、顯微鏡組件和激光自準(zhǔn)直儀連接，用于根據(jù)所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的驅(qū)動指令運動，以實現(xiàn)所述線陣相機組件、所述顯微鏡組件或激光自準(zhǔn)直儀對于待檢測光學(xué)元件表面的掃描、定位和聚焦；
[0032]所述掃描聚焦組件包括一個水平掃描軸、一個豎直掃描軸和一個前后聚焦軸，驅(qū)動所述前后聚焦軸運動可以實現(xiàn)所述線陣相機組件中的相機鏡頭或者所述顯微鏡組件中的顯微鏡頭對待檢測光學(xué)元件表面的聚焦，驅(qū)動所述水平掃描軸和豎直掃描軸運動可以實現(xiàn)相機鏡頭、顯微鏡頭或者激光自準(zhǔn)直儀對待檢測光學(xué)兀件表面的掃描和定位。
[0033]所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)與所述激光自準(zhǔn)直儀、線陣相機組件、顯微鏡組件和掃描聚焦組件連接，用于對于所述專用夾具和掃描聚焦組件的運動進行控制，并對接收到的圖像進行存儲、處理和圖像損傷信息分析，具體地，所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)接收所述激光自準(zhǔn)直儀檢測到的姿態(tài)信息，根據(jù)所述姿態(tài)信息向所述專用夾具發(fā)出調(diào)整指令，以對待檢測光學(xué)元件的姿態(tài)進行調(diào)整；向所述掃描聚焦組件發(fā)出驅(qū)動指令，以實現(xiàn)所述線陣相機組件或所述顯微鏡組件對于待檢測光學(xué)元件表面的掃描、定位和聚焦；接收所述線陣相機組件獲取的線陣圖像，并對其進行存儲、處理和圖像損傷信息分析；接收所述顯微鏡組件獲取的面陣圖像，并對其進行存儲、處理和圖像損傷信息分析；
[0034]所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包括顯示器、上位機和下位機，其中，所述下位機負(fù)責(zé)利用圖像采集卡實現(xiàn)圖像的采集，利用運動控制器對相應(yīng)組件運動的驅(qū)動控制；所述上位機負(fù)責(zé)圖像的存儲、處理和圖像損傷信息分析，所述圖像處理至少包括圖像拼接，所述圖像損傷信息分析至少包括損傷識別、損傷分割、損傷統(tǒng)計；所述顯示器用于顯示操作界面，提供人機互動的窗口，所述窗口包括圖像顯示區(qū)、圖像參數(shù)設(shè)置區(qū)、圖像處理區(qū)、運動組件參數(shù)控制區(qū)和損傷信息處理區(qū)。
[0035]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種利用所述檢測裝置對于大口徑光學(xué)元件的表面損傷進行檢測的方法，如圖2所示，所述方法包括以下步驟:
[0036]步驟1，將待檢測光學(xué)元件安裝到專用夾具上進行定位和夾緊，并根據(jù)激光自準(zhǔn)直儀的檢測結(jié)果對待檢測光學(xué)元件的姿態(tài)進行調(diào)整；
[0037]步驟2，驅(qū)動掃描聚焦組件中的前后聚焦軸運動，使得線陣相機組件中的相機鏡頭對待檢測光學(xué)元件的表面進行聚焦；[0038]步驟3，驅(qū)動掃描聚焦組件中的水平掃描軸和豎直掃描軸運動，將線陣相機組件中的相機鏡頭定位到待檢測光學(xué)元件的左上角，并按照先豎直后水平的原則對待檢測光學(xué)元件的表面進行線掃描成像，得到多幅局部縮小的線陣圖像；
[0039]步驟4，將掃描得到的局部縮小的線陣圖像進行拼接，得到待檢測光學(xué)元件的整體表面圖像，對該圖像進行處理和損傷分析，可以得到待檢測光學(xué)元件表面的損傷信息，包括損傷尺寸、個數(shù)和位置等信息。
[0040]所述處理至少包括但不限于圖像拼接；所述損傷分析至少包括損傷識別、損傷分害1K損傷統(tǒng)計等。
[0041]所述方法還包括通過驅(qū)動掃描聚焦組件將顯微鏡組件中的顯微鏡頭快速定位到待檢測光學(xué)元件表面上損傷的感興趣位置，獲取感興趣位置局部放大的面陣圖像，以對損傷的感興趣位置進行放大成像和進行更高精度的測量的步驟，所述掃描聚焦組件的驅(qū)動具體為:先驅(qū)動掃描聚焦組件中的掃描軸運動，再驅(qū)動掃描聚焦組件中的聚焦軸運動。
[0042]在本發(fā)明一實施例中，線陣相機組件中的線光源使用奧普特生產(chǎn)的型號為LS202的線光源、線陣CCD使用DASAL生產(chǎn)的型號為ES-8k的TDI線陣相機、相機鏡頭使用施耐德生產(chǎn)的Mako鏡頭，所述線陣相機組件的圖像分辨率為8.5微米，單幅圖像尺寸為1X8000，線掃描頻率最高可達34kHz ;顯微鏡組件中的同軸光源使用奧普特生產(chǎn)的型號為P10803的點光源、面陣CXD使用Pointgray生產(chǎn)的Chameleon系列的1/3"靶面(XD、顯微鏡頭使用Navitar生產(chǎn)的Zoom6000系列的顯微鏡頭，所述顯微鏡組件的放大倍數(shù)為0.71倍-4.5倍可調(diào)，最高分辨率為1.57微米；掃描聚焦組件中使用卓立漢光生產(chǎn)的KSA系列的行程為800mm和500mm的電動位移平臺、以及Sigma生產(chǎn)的型號為SGSP26-50的行程50mm的電動位移平臺，其中，聚焦軸的重復(fù)定位精度為3 iim，豎直掃描軸的定位精度為lym，水平掃描軸的定位精度為20 ym;所述激光自準(zhǔn)直儀與柔性夾具是本發(fā)明自行研制的，該激光自準(zhǔn)直儀的角度測量精度為5"，柔性夾具可夾持的光學(xué)元件的尺寸范圍為厚度60-150毫米，長度400-1000毫米，寬度200-500毫米，該柔性夾具還可以對光學(xué)元件的偏轉(zhuǎn)角和俯仰角進行調(diào)節(jié)，最小調(diào)節(jié)步長約10'。
[0043]實際中的應(yīng)用證明，本發(fā)明實施方便，能夠方便快速、高精度的實現(xiàn)大口徑光學(xué)元件的表面損傷狀態(tài)離線檢測，可以滿足大口徑光學(xué)元件加工、清洗、輸運、安裝、使用過程中各個階段的損傷情況的表面損傷狀態(tài)離線檢測的需求，為光學(xué)元件能否繼續(xù)使用、修復(fù)或者作廢提供判斷依據(jù)。
[0044]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種大口徑光學(xué)元件表面損傷檢測裝置，其特征在于，該裝置包括:專用夾具、激光自準(zhǔn)直儀、線陣相機組件、顯微鏡組件、掃描聚焦組件和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，其中: 所述專用夾具固定安裝在檢測平臺上，用于實現(xiàn)待檢測光學(xué)元件的定位和夾緊，并根據(jù)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的調(diào)整指令對待檢測光學(xué)元件的姿態(tài)進行調(diào)整； 所述激光自準(zhǔn)直儀安裝于可檢測到待檢測光學(xué)元件的位置，用于檢測待檢測光學(xué)元件的姿態(tài)信息，并將檢測到的姿態(tài)信息反饋給所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)； 所述線陣相機組件安裝于可觀測到待檢測光學(xué)元件的位置，用于獲取待檢測光學(xué)元件表面局部縮小的線陣圖像，并將獲取到的線陣圖像發(fā)送給所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進行存儲、處理和分析； 所述顯微鏡組件安裝于可觀測到待檢測光學(xué)元件的位置，用于獲取待檢測光學(xué)元件表面局部放大的面陣圖像，并將獲取到的面陣圖像發(fā)送給所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進行存儲、處理和分析； 所述掃描聚焦組件與所述線陣相機組件、顯微鏡組件和激光自準(zhǔn)直儀連接，用于根據(jù)所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的驅(qū)動指令運動，以實現(xiàn)所述線陣相機組件、所述顯微鏡組件或激光自準(zhǔn)直儀對于待檢測光學(xué)兀件表面的掃描、定位和聚焦； 所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)與所述激光自準(zhǔn)直儀、線陣相機組件、顯微鏡組件和掃描聚焦組件連接，用于對于所述專用夾具和掃描聚焦組件的運動進行控制，并對接收到的圖像進行存儲、處理和圖像損傷信息分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，待檢測光學(xué)元件的姿態(tài)包括俯仰和/或偏擺角度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置`，其特征在于，所述專用夾具為柔性夾具。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述線陣相機組件包括線陣CCD、相機鏡頭和線光源，其中，線光源用于照亮待檢測光學(xué)元件表面的線區(qū)域，相機鏡頭用于將該區(qū)域成像到線陣CCD上，從而獲取待檢測光學(xué)元件表面局部縮小的線陣圖像。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述顯微鏡組件包括面陣(XD、顯微鏡頭和同軸光源，其中，所述同軸光源用于照亮待檢測光學(xué)元件表面的面區(qū)域，顯微鏡頭用于將該區(qū)域成像到面陣CCD上，從而獲取待檢測光學(xué)元件表面局部放大的面陣圖像。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述掃描聚焦組件包括一個水平掃描軸、一個豎直掃描軸和一個前后聚焦軸，所述前后聚焦軸用于實現(xiàn)所述線陣相機組件中的相機鏡頭或者所述顯微鏡組件中的顯微鏡頭對待檢測光學(xué)元件表面的聚焦；所述水平掃描軸和豎直掃描軸用于實現(xiàn)相機鏡頭、顯微鏡頭或者激光自準(zhǔn)直儀對待檢測光學(xué)元件表面的掃描和定位。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包括顯示器、上位機和下位機，其中，所述下位機負(fù)責(zé)實現(xiàn)圖像的采集，對相應(yīng)組件運動的驅(qū)動控制；所述上位機負(fù)責(zé)圖像的存儲、處理和圖像損傷信息分析；所述顯示器用于顯示操作界面，提供人機互動的窗口。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述圖像處理包括圖像拼接，所述圖像損傷信息分析包括損傷識別、損傷分割、損傷統(tǒng)計。
9.一種大口徑光學(xué)元件表面損傷檢測方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:步驟I，將待檢測光學(xué)元件安裝到專用夾具上進行定位和夾緊，并根據(jù)激光自準(zhǔn)直儀的檢測結(jié)果對待檢測光學(xué)元件的姿態(tài)進行調(diào)整； 步驟2，驅(qū)動掃描聚焦組件中的前后聚焦軸運動，使得線陣相機組件中的相機鏡頭對待檢測光學(xué)元件的表面進行聚焦； 步驟3，驅(qū)動掃描聚焦組件中的水平掃描軸和豎直掃描軸運動，將線陣相機組件中的相機鏡頭定位到待檢測光學(xué)元件的左上角，并按照先豎直后水平的原則對待檢測光學(xué)元件的表面進行線掃描成像，得到多幅局部縮小的線陣圖像； 步驟4，將掃描得到的局部縮小的線陣圖像進行拼接，得到待檢測光學(xué)元件的整體表面圖像，對該圖像進行處理和損傷分析，可以得到待檢測光學(xué)元件表面的損傷信息。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法還包括通過驅(qū)動掃描聚焦組件將顯微鏡組件中的顯微鏡頭快速定位到待檢測光學(xué)元件表面上損傷的感興趣位置，獲取感興趣位置局部放大的 面陣圖像，以對損傷的感興趣位置進行放大成像和進行更高精度的測量的步驟。
【文檔編號】G01N21/958GK103674977SQ201310723796
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】史亞莉, 張正濤, 張峰, 陶顯, 徐德 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所