應(yīng)用于球面光學(xué)元件表面缺陷檢測(cè)的球面自動(dòng)定中方法
【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，具體涉及一種應(yīng)用于球面光學(xué)元件表面缺陷檢測(cè)的球面自動(dòng)定中方法。
【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進(jìn)而有可能造成二次損傷，因此設(shè)計(jì)了一種球面光學(xué)元件表面缺陷評(píng)價(jià)系統(tǒng)和方法，實(shí)現(xiàn)球面光學(xué)元件表面缺陷的自動(dòng)化精確定量評(píng)價(jià)。。
[0003]本發(fā)明基于已設(shè)計(jì)的球面光學(xué)元件表現(xiàn)缺陷評(píng)價(jià)系統(tǒng)和方法，提出一種應(yīng)用于球面光學(xué)元件表面缺陷檢測(cè)的自動(dòng)定中方法，對(duì)球面光學(xué)元件曲率半徑進(jìn)行測(cè)量以及確定其曲率中心位置，實(shí)現(xiàn)待測(cè)球面光學(xué)元件檢測(cè)姿態(tài)的初始化調(diào)整與參數(shù)測(cè)量。

【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，提供一種應(yīng)用于球面光學(xué)元件表面缺陷檢測(cè)的球面自動(dòng)定中方法。具體包括如下步驟:
[0005]步驟1.初始化球面定中單元；
[0006]步驟2.將球面光學(xué)元件移動(dòng)至初始位置；
[0007]步驟3.沿Z方向進(jìn)行掃描，并在掃描的過程中利用圖像熵清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)找到最清晰的十字叉絲像；
[0008]步驟4.判斷十字叉絲為表面像還是球心像，具體判斷如下:
[0009]在X向和Y向進(jìn)行微調(diào)，觀察視場(chǎng)中的十字叉絲是否隨之移動(dòng)，如果跟隨導(dǎo)軌移動(dòng)則得到球面光學(xué)元件的球心像并跳轉(zhuǎn)至步驟5 ;反之則得到球面光學(xué)元件的表面像，跳轉(zhuǎn)至步驟9 ；
[0010]步驟5.在X向和Y向調(diào)節(jié)球面光學(xué)元件的位置，從而球面光學(xué)元件的光軸與球面定中單元的光軸重合；
[0011]步驟6.利用光學(xué)裝調(diào)中采用的旋轉(zhuǎn)測(cè)量法測(cè)量自旋轉(zhuǎn)軸所在的位置；
[0012]步驟7.通過最小二乘法最佳圓擬合方法擬合十字叉絲像的中心的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而得到運(yùn)動(dòng)軌跡的圓心；計(jì)算每幅十字叉絲像的中心到圓心的距離，完成十字叉絲像最大偏差的計(jì)算；
[0013]步驟8.對(duì)最大偏差進(jìn)彳丁判斷，若最大偏差在容許誤差范圍內(nèi)，則完成軸系一致性調(diào)整；若最大偏差大于最大容許誤差，則說明球面光學(xué)元件的光軸與自旋轉(zhuǎn)軸不重合，此時(shí)先通過調(diào)節(jié)自定心夾持機(jī)構(gòu)使得十字叉絲像的中心移動(dòng)至軌跡圓圓心，然后跳轉(zhuǎn)至步驟5 ；
[0014]步驟9.沿Z軸移動(dòng)至初始化得出的理論曲率中心位置處，然后沿Z方向進(jìn)行掃描，并在掃描的過程中找到最清晰的十字叉絲像，然后跳轉(zhuǎn)步驟5 ;同時(shí)記錄Z軸從表面像移動(dòng)至球心像的距離，從而得到球面光學(xué)元件的曲率半徑，即Z軸移動(dòng)的距離；
[0015]所述的球面定中單元包括光源、光源聚焦鏡組、分劃板、準(zhǔn)直透鏡、分束器、物鏡、反光鏡、成像鏡和CCD ;光源發(fā)出的光經(jīng)過光源聚焦鏡組照射在分劃板上，分劃板上刻有十字叉絲；隨后光線經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡透射后進(jìn)入分束器，經(jīng)過分束器透射后再通過物鏡照射在球面光學(xué)元件上，并在其表面發(fā)生反射，此時(shí)分劃板上的十字叉絲所成的像為分劃板像；反射光重新經(jīng)過物鏡后進(jìn)入分束器，并在分束器發(fā)生反射；隨后反射光通過反光鏡反射以及成像鏡最終聚焦在C⑶上，將分劃板上的十字叉絲成像在CXD上。
[0016]所述的初始位置是球面光學(xué)元件的光軸與球面定中單元的光軸重合的位置，該初始位置是通過對(duì)球面光學(xué)元件進(jìn)行精確定中時(shí)得到的元件位置。
[0017]步驟6所述的利用光學(xué)裝調(diào)中采用的旋轉(zhuǎn)測(cè)量法測(cè)量自旋轉(zhuǎn)軸所在的位置，具體如下:
[0018]自定心夾持機(jī)構(gòu)下方安裝有自旋轉(zhuǎn)臺(tái)，使球面光學(xué)元件能夠進(jìn)行自旋轉(zhuǎn)動(dòng)；且每次待自旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)30°后，CCD采集一幅十字叉絲像，隨著自旋角度的不同，十字叉絲像在CCD視場(chǎng)上的位置也不同，大體軌跡為一個(gè)圓，其中圓心就是自旋轉(zhuǎn)軸所在的位置。
[0019]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了球面光學(xué)元件曲率半徑的自動(dòng)化精確測(cè)量和球面光學(xué)元件的自動(dòng)定中調(diào)整，完成了球面光學(xué)元件表面缺陷檢測(cè)過程中的軸系一致性調(diào)整，實(shí)現(xiàn)球面光學(xué)元件光軸與帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)的自旋機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸相重合。
【附圖說明】
[0020]圖1所示為球面定中單元的結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖2A所示是與圖1對(duì)應(yīng)的分劃板像與球面光學(xué)元件的曲率中心的位置有Z向偏差時(shí)的光路圖。
[0022]圖2B所示是與圖1對(duì)應(yīng)的分劃板像與球面光學(xué)元件的曲率中心的位置有Z向偏差時(shí)CCD視場(chǎng)內(nèi)十字叉絲像的示意圖。
[0023]圖3A所示是與圖1對(duì)應(yīng)的分劃板像與球面光學(xué)元件的曲率中心的位置有X和Y向偏差時(shí)的光路圖。
[0024]圖3B所示是與圖1對(duì)應(yīng)的分劃板像與球面光學(xué)元件的曲率中心的位置有X和Y向偏差時(shí)CCD視場(chǎng)內(nèi)十字叉絲像的示意圖。
[0025]圖4所示是與圖1對(duì)應(yīng)的球面自動(dòng)定中的流程圖。
[0026]圖5A所示是與圖4對(duì)應(yīng)的圖像熵清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)的曲線。
[0027]圖5B所示是與圖4對(duì)應(yīng)的擬合十字叉絲運(yùn)動(dòng)軌跡圓圓心的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0029]實(shí)施例1
[0030]球面定中單元為完成球面光學(xué)元件201的定中提供硬件基礎(chǔ)。圖1所示是球面定中單元的結(jié)構(gòu)圖。球面定中單元包括光源、光源聚焦鏡組、分劃板、準(zhǔn)直透鏡、分束器、物鏡、反光鏡、成像鏡和CCD ;球面定中單元中的光源601發(fā)出的光經(jīng)過光源聚焦鏡組602照射在分劃板603上，分劃板603上刻有十字叉絲。隨后光線經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡604透射后進(jìn)入分束器605，經(jīng)過分束器605透射后再通過物鏡606照射在球面光學(xué)元件201上，并在其表面發(fā)生反射，此時(shí)分劃板603上的十字叉絲所成的像為分劃板像610。反射光重新經(jīng)過物鏡606后進(jìn)入分束器605，并在分束器605發(fā)生反射；隨后反射光通過反光鏡607反射以及成像鏡608最終聚焦在CXD 609上，將分劃板603上的十字叉絲成像在CXD 609上。
[0031]如圖1所示，當(dāng)經(jīng)過物鏡606的入射光聚焦在球面光學(xué)元件201的表面時(shí)，反射光與入射光關(guān)于球面定中單元的光軸615對(duì)稱，因此反射光重新經(jīng)過物鏡606時(shí)又會(huì)變成平行光，最終在CCD 609上形成清晰的十字叉絲像，此時(shí)清晰的十字叉絲像稱為表面像。表面像在CCD 609視場(chǎng)中的位置不會(huì)隨球面光學(xué)元件201在X和Y方向上的微小移動(dòng)而變化。在球面定中單元600隨著Z向移動(dòng)的過程中，當(dāng)經(jīng)過物鏡606的入射光聚焦在球面光學(xué)元件的曲率中心202時(shí)，分劃板像610位于球面光學(xué)元件的曲率中心202，反射光與入射光重合，因此也可以在CXD 609上得到清晰的十字叉絲像，此時(shí)清晰的十字叉絲像稱為球心像。因此，對(duì)于不同曲率半徑的球面光學(xué)元件201，在Z軸導(dǎo)軌530移動(dòng)的過程中，CXD 609可以采集得到兩次清晰的十字叉絲像，分別為表面像和球心像。同時(shí)，CCD 609上能夠得到十字叉絲圖片，因此可以通過圖片中十字叉絲的位置及清晰度來判斷球面光學(xué)元件的曲率中心202的位置，判斷過程如下:
[0032]圖2A所示是與圖1對(duì)應(yīng)的分劃板像610a與球面光學(xué)元件的曲率中心202的位置有Z向偏差時(shí)的光路圖。此時(shí)，經(jīng)過球心像的入射光與反射光不重合，因此在CXD 609上