大口徑光學元件表面損傷檢測裝置和相應的檢測方法
【專利摘要】本發明公開了一種大口徑光學元件表面損傷檢測裝置，該裝置主要包括：專用夾具，對待檢測光學元件進行定位和夾緊；激光自準直儀，安裝于可檢測到待檢測光學元件的位置，用于檢測待檢測光學元件的姿態信息；線陣相機組件，安裝于可觀測到待檢測光學元件的位置，用于獲取待檢測光學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元件的位置，用于獲取待檢測光學元件表面局部放大的面陣圖像；掃描聚焦組件，對于待檢測光學元件表面進行掃描、定位和聚焦；數據采集處理系統，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。本發明具有廣泛的應用前景和可觀的社會經濟效益。
【專利說明】大口徑光學元件表面損傷檢測裝置和相應的檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于大口徑光學元件表面損傷檢測領域，具體地說是一種能夠實現大口徑光學元件表面損傷檢測的裝置和相應的檢測方法。
【背景技術】
[0002]隨著光學加工水平的快速發展，大口徑光學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元件的表面損傷檢測，近年來備受關注。國內外很多高校研究所也都對此開展了相關的研究工作，在光源選型、照明實驗設計、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。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于提供一種能夠克服上述不足、滿足大口徑光學元件表面損傷檢測需求的檢測裝置和相應的檢測方法。
[0004]為了實現上述目的，
[0005]根據本發明的一方面，提出一種大口徑光學元件表面損傷檢測裝置，該裝置包括:專用夾具、激光自準直儀、線陣相機組件、顯微鏡組件、掃描聚焦組件和數據采集處理系統，其中:
[0006]所述專用夾具固定安裝在檢測平臺上，用于實現待檢測光學元件的定位和夾緊，并根據數據采集處理系統的調整指令對待檢測光學元件的姿態進行調整；
[0007]所述激光自準直儀安裝于可檢測到待檢測光學元件的位置，用于檢測待檢測光學元件的姿態信息，并將檢測到的姿態信息反饋給所述數據采集處理系統；
[0008]所述線陣相機組件安裝于可觀測到待檢測光學元件的位置，用于獲取待檢測光學元件表面局部縮小的線陣圖像，并將獲取到的線陣圖像發送給所述數據采集處理系統進行存儲、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元件的位置，用于獲取待檢測光學元件表面局部放大的面陣圖像，并將獲取到的面陣圖像發送給所述數據采集處理系統進行存儲、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直儀連接，用于根據所述數據采集處理系統的驅動指令運動，以實現所述線陣相機組件、所述顯微鏡組件或激光自準直儀對于待檢測光學元件表面的掃描、定位和聚焦；
[0011]所述數據采集處理系統與所述激光自準直儀、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]根據本發明的另一方面，還提出一種大口徑光學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，將待檢測光學元件安裝到專用夾具上進行定位和夾緊，并根據激光自準直儀的檢測結果對待檢測光學元件的姿態進行調整；
[0014]步驟2，驅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元件的表面進行聚焦；
[0015]步驟3，驅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元件的左上角，并按照先豎直后水平的原則對待檢測光學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元件表面的損傷信息。
[0017]本發明能夠實現長度尺寸在400-1000毫米之間方形平面光學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于5微米，損傷點位置估計精度優于50微米，本發明稍作改動即可用于非方形曲面光學元件的表面損傷離線檢測，因此本發明具有廣泛的應用前景和可觀的社會經濟效益。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明大口徑光學元件表面損傷檢測裝置的結構示意圖。
[0019]圖2是利用本發明檢測裝置對大口徑光學元件表面損傷進行檢測的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0020]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0021]圖1是本發明大口徑光學元件表面損傷檢測裝置的結構示意圖，如圖1所示，根據本發明的一方面，提供一種大口徑光學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和數據采集處理系統6，其中:
[0022]所述專用夾具固定安裝在檢測平臺上，用于實現待檢測光學元件的定位和夾緊，并根據數據采集處理系統的調整指令對待檢測光學元件的姿態進行調整，待檢測光學元件的姿態包括俯仰和偏擺角度等姿態；
[0023]在本發明一實施例中，所述專用夾具是一種柔性夾具，其可以實現厚度尺寸60-150毫米，長度尺寸400-1000毫米，寬度尺寸200-500毫米之間方形光學元件的定位和夾緊，如若需要夾持非方形光學元件，則僅需改變專用夾具的形狀即可。
[0024]所述激光自準直儀是一種角度測量工具，其安裝于可檢測到待檢測光學元件的位置，用于檢測待檢測光學元件的姿態信息，并將檢測到的姿態信息反饋給所述數據采集處理系統。
[0025]所述線陣相機組件安裝于可觀測到待檢測光學元件的位置，用于獲取待檢測光學元件表面局部縮小的線陣圖像，并將獲取到的線陣圖像發送給所述數據采集處理系統進行存儲、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元件表面的線區域，相機鏡頭用于將該區域成像到線陣CCD上，從而獲取待檢測光學元件表面局部縮小的線陣圖像。
[0027]在本發明一實施例中，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元件的位置，用于獲取待檢測光學元件表面局部放大的面陣圖像，并將獲取到的面陣圖像發送給所述數據采集處理系統進行存儲、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元件表面的面區域，顯微鏡頭用于將該區域成像到面陣CCD上，從而獲取待檢測光學元件表面局部放大的面陣圖像。
[0030]在本發明一實施例中，所述顯微鏡組件的放大倍數為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直儀連接，用于根據所述數據采集處理系統的驅動指令運動，以實現所述線陣相機組件、所述顯微鏡組件或激光自準直儀對于待檢測光學元件表面的掃描、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，驅動所述前后聚焦軸運動可以實現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元件表面的聚焦，驅動所述水平掃描軸和豎直掃描軸運動可以實現相機鏡頭、顯微鏡頭或者激光自準直儀對待檢測光學兀件表面的掃描和定位。
[0033]所述數據采集處理系統與所述激光自準直儀、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，所述數據采集處理系統接收所述激光自準直儀檢測到的姿態信息，根據所述姿態信息向所述專用夾具發出調整指令，以對待檢測光學元件的姿態進行調整；向所述掃描聚焦組件發出驅動指令，以實現所述線陣相機組件或所述顯微鏡組件對于待檢測光學元件表面的掃描、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]所述數據采集處理系統包括顯示器、上位機和下位機，其中，所述下位機負責利用圖像采集卡實現圖像的采集，利用運動控制器對相應組件運動的驅動控制；所述上位機負責圖像的存儲、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、圖像參數設置區、圖像處理區、運動組件參數控制區和損傷信息處理區。
[0035]根據本發明的另一方面，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，將待檢測光學元件安裝到專用夾具上進行定位和夾緊，并根據激光自準直儀的檢測結果對待檢測光學元件的姿態進行調整；
[0037]步驟2，驅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元件的表面進行聚焦；[0038]步驟3，驅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元件的左上角，并按照先豎直后水平的原則對待檢測光學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元件表面的損傷信息，包括損傷尺寸、個數和位置等信息。
[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損傷統計等。
[0041]所述方法還包括通過驅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動具體為:先驅動掃描聚焦組件中的掃描軸運動，再驅動掃描聚焦組件中的聚焦軸運動。
[0042]在本發明一實施例中，線陣相機組件中的線光源使用奧普特生產的型號為LS202的線光源、線陣CCD使用DASAL生產的型號為ES-8k的TDI線陣相機、相機鏡頭使用施耐德生產的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的型號為P10803的點光源、面陣CXD使用Pointgray生產的Chameleon系列的1/3"靶面(XD、顯微鏡頭使用Navitar生產的Zoom6000系列的顯微鏡頭，所述顯微鏡組件的放大倍數為0.71倍-4.5倍可調，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的KSA系列的行程為800mm和500mm的電動位移平臺、以及Sigma生產的型號為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;所述激光自準直儀與柔性夾具是本發明自行研制的，該激光自準直儀的角度測量精度為5"，柔性夾具可夾持的光學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元件的偏轉角和俯仰角進行調節，最小調節步長約10'。
[0043]實際中的應用證明，本發明實施方便，能夠方便快速、高精度的實現大口徑光學元件的表面損傷狀態離線檢測，可以滿足大口徑光學元件加工、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離線檢測的需求，為光學元件能否繼續使用、修復或者作廢提供判斷依據。
[0044]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種大口徑光學元件表面損傷檢測裝置，其特征在于，該裝置包括:專用夾具、激光自準直儀、線陣相機組件、顯微鏡組件、掃描聚焦組件和數據采集處理系統，其中: 所述專用夾具固定安裝在檢測平臺上，用于實現待檢測光學元件的定位和夾緊，并根據數據采集處理系統的調整指令對待檢測光學元件的姿態進行調整； 所述激光自準直儀安裝于可檢測到待檢測光學元件的位置，用于檢測待檢測光學元件的姿態信息，并將檢測到的姿態信息反饋給所述數據采集處理系統； 所述線陣相機組件安裝于可觀測到待檢測光學元件的位置，用于獲取待檢測光學元件表面局部縮小的線陣圖像，并將獲取到的線陣圖像發送給所述數據采集處理系統進行存儲、處理和分析； 所述顯微鏡組件安裝于可觀測到待檢測光學元件的位置，用于獲取待檢測光學元件表面局部放大的面陣圖像，并將獲取到的面陣圖像發送給所述數據采集處理系統進行存儲、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直儀連接，用于根據所述數據采集處理系統的驅動指令運動，以實現所述線陣相機組件、所述顯微鏡組件或激光自準直儀對于待檢測光學兀件表面的掃描、定位和聚焦； 所述數據采集處理系統與所述激光自準直儀、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.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，待檢測光學元件的姿態包括俯仰和/或偏擺角度。
3.根據權利要求1所述的裝置`，其特征在于，所述專用夾具為柔性夾具。
4.根據權利要求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元件表面的線區域，相機鏡頭用于將該區域成像到線陣CCD上，從而獲取待檢測光學元件表面局部縮小的線陣圖像。
5.根據權利要求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元件表面的面區域，顯微鏡頭用于將該區域成像到面陣CCD上，從而獲取待檢測光學元件表面局部放大的面陣圖像。
6.根據權利要求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元件表面的聚焦；所述水平掃描軸和豎直掃描軸用于實現相機鏡頭、顯微鏡頭或者激光自準直儀對待檢測光學元件表面的掃描和定位。
7.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述數據采集處理系統包括顯示器、上位機和下位機，其中，所述下位機負責實現圖像的采集，對相應組件運動的驅動控制；所述上位機負責圖像的存儲、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.根據權利要求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、損傷統計。
9.一種大口徑光學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，將待檢測光學元件安裝到專用夾具上進行定位和夾緊，并根據激光自準直儀的檢測結果對待檢測光學元件的姿態進行調整； 步驟2，驅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元件的表面進行聚焦； 步驟3，驅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元件的左上角，并按照先豎直后水平的原則對待檢測光學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元件表面的損傷信息。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法還包括通過驅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 優先權日:2013年12月24日
【發明者】史亞莉, 張正濤, 張峰, 陶顯, 徐德 申請人:中國科學院自動化研究所