一种基于机器视觉的表面波长级点缺陷表征装置及方法

摘要

本发明属于测试计量技术及仪器技术领域，尤其是一种基于机器视觉的表面波长级点缺陷表征装置及方法，装置包括上位机、照明模块、成像模块、电动扫描平移台、运动控制器以及为上述部件供电的电源模块，电动扫描平移台为立式的，具有纵向导轨，成像模块安装于纵向导轨上，待测光学元件位于成像模块下方，照明模块位于待测光学元件侧部，运动控制器分别线路连接上位机、照明模块、成像模块、电动扫描平移台；本发明通过机器视觉技术获得不同聚焦状态时的缺陷散射图像，进而基于数据库查找及进化算法反演缺陷形状与参数，适用于精密光学元件表明波长级缺陷的质检工作。

说明书

技术领域

本发明涉及测试计量技术及仪器技术领域，尤其涉及一种基于机器视觉的表面波长级点缺陷表征装置及方法。

背景技术

表面缺陷显著影响了光学元件的性能，比如激光核聚变等高能激光系统中，波长级缺陷可能导致元件表面损毁及系统性能下降，准确表征表面缺陷是提升光学元件可靠性及性能的必要步骤。

目前已有多种仪器技术用于表征光学元件表面缺陷，比如扫描探针显微镜、白光干涉仪、机器视觉等：扫描探针显微镜通过探针测量可获得纳米级分辨率表面缺陷三维面形，进而计算缺陷散射特性，具有测量准确可靠的优点，但其成本较高，易受外部噪声的影响，且效率较低，测量50um×50um区域时往往需要数十秒，因此该技术一般应用于实验室进行缺陷高精度表征，并不适用于大规模生产时进行检测；白光干涉仪通过非相干干涉成像可使用普通显微成像系统测量缺陷三维面形，但其受光学衍射极限影响，分辨率较低，无法准确测量波长级表面缺陷；机器视觉技术直接使用显微成像系统拍摄表面缺陷，并根据缺陷图像确定表面缺陷的性质，具有效率高、成本低的优点，是目前高精度光学元件生产企业广泛使用的方法，但其同样难以测量波长级表面缺陷，且根据缺陷图像对缺陷进行等级分类往往误差较大，即使使用深度学习技术仍然受到信息量有限的限制，精度较差。因此迫切需要改进现有测量技术，开发一种新型波长级表面缺陷的表征方法及装置，实现缺陷的高效、准确及低成本表征，为光学加工企业提供一种新的工具。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于机器视觉的表面波长级点缺陷表征装置及方法，适用于精密光学元件表面波长级缺陷的高效、定量及低成本表征，在光学元件表面质量检测中有广阔的应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于机器视觉的表面波长级点缺陷表征装置，包括上位机、照明模块、成像模块、电动扫描平移台、运动控制器以及电源模块，所述电动扫描平移台为立式的，具有纵向导轨，所述成像模块安装于纵向导轨上，待测光学元件位于成像模块下方，所述照明模块位于待测光学元件侧部，所述运动控制器分别线路连接上位机、照明模块、成像模块、电动扫描平移台；所述上位机、照明模块、成像模块、电动扫描平移台、运动控制器均由电源模块供电。

作为更进一步的优选方案，成像模块包括从上之下依次布置的工业相机、检偏器、显微物镜。

作为更进一步的优选方案，显微物镜放大倍数为40倍以上，数值孔径高于0.4，工作距离大于1mm。

作为更进一步的优选方案，照明模块包括激光器、准直镜头、检偏器、光强探测模块以及半透半反棱镜，其中，激光器、准直镜头、检偏器、半透半反棱镜水平向依次设置，所述光强探测模块位于半透半反棱镜下方。

作为更进一步的优选方案，检偏器使用二向色性材料制成，可将激光器出射光束转换为线偏振光，波长范围为400-700nm可见光范围。

作为更进一步的优选方案，光强探测模块包括硅光电池、信号放大电路及模数转换电路。

作为更进一步的优选方案，半透半反棱镜的透射率与反射率之比为50:50。

一种基于机器视觉的表面波长级点缺陷表征方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、给定任意待测抛光或镀膜后光学元件，基于有限元或有限差分法计算该材质不同形状及参数时的离焦图案，保存于数据库中打开电源模块；

步骤二、上位机控制电机驱动模块驱动电动扫描平移台，根据光学元件厚度移动显微成像模块至聚焦成像元件表面处，并继续向下方移动一小段距离；

步骤三、打开激光器，光强探测模块测量激光器出射光束亮度；

步骤四、电动扫描平移台向上移动显微成像模块，每移动2微米拍摄一副图像，获得表面离焦图像栈；

步骤五、上位机保存各离焦图像，图像处理模块提取图像中缺陷位置和亮度图案，如图3所示；

步骤六、上位机在数据库中查找与离焦图像最相符的缺陷形状及参数；

步骤七、上位机基于进化算法优化缺陷形状及参数，使得模拟计算的离焦图像与测量的误差最小；

步骤八、根据预先设定标准确定该待测元件是否满足表面光洁度质量要求，在屏幕上显示测量结果并保存数据，数据格式由用户定义，最终实现自动化检测。

本发明通过机器视觉技术获得不同聚焦状态时的缺陷散射图像，进而基于数据库查找及进化算法反演缺陷形状与参数，适用于精密光学元件表明波长级缺陷的质检工作。相比传统扫描探针技术，本发明为非接触测量，不会损伤表面且成本较低，有望在光学加工企业广泛应用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是照明模块的结构示意图；

图3是本申请实施例的成像结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

请参阅图1，本申请实施方式提供一种基于机器视觉的表面波长级点缺陷表征装置及方法，适用于精密光学元件表面点状缺陷的表征。

装置包括上位机1、照明模块2、显微成像模块3、电动扫描平台4、待测光学元件5、运动控制器6及电源模块7，显微物镜对待测光学元件表面进行成像，所述检偏器透过给定偏振方向光束份量，所述工业相机拍摄元件表面图像；所述电动扫描平移台带动显微成像模块上下移动，改变聚焦成像位置，获得表面的离焦图像；所述上位机保存不同位置的离焦图像，与数值仿真结果对比确定光学表面波长级点缺陷的形状特性；其中，所述照明模块2结构请参阅图2，包括激光器20、准直镜头21、检偏器22、光强探测模块23及半透半反棱镜24，所述显微成像模块包括显微物镜30、检偏器31及工业相机32。所述激光器20产生的激光通过所述准直镜头21进行准直及扩束，入射至检偏器22，限制光束成为线偏振激光，进入半透半反棱镜23被分光，部分光束由所述光强探测模块测量强度，另一部分光束照射所述待测光学元件，其表面缺陷产生散射光束，进入所述显微成像模块3。

上位机包括用于获取工业相机图像的图像采集模块、用于读取所述光强探测模块数据的光强模块、用于与所述运动控制器进行通信的通信模块、用于提取图像中表面波长级缺陷并与数据库对比的图像处理模块、用于保存数据及配置参数的文件模块。

激光器产生光束由所述准直镜进行准直，改变光束发散角度，通过所述起偏器进入半透半反棱镜，部分光束反射至所述光强探测模块进行光强的实时检测并将光强数据通过串口传输至上位机，另一部分光束照射至所述待测光学元件表面。

显微成像模块包括显微物镜、检偏器及工业相机，所述显微物镜对光学表面波长级点缺陷进行显微成像，散射光束的偏振态由所述检偏器进行控制，工业相机拍摄表面图像，无需外接成像系统，相机通过USB、千兆网或Camera Link接口与上位机连接。

实施例中所述显微物镜30收集散射光后通过检偏器限制光束偏振态，并由所述工业相机32成像。所述显微成像模块由所述电动扫描平台4带动从下往上移动，改变待测表面与显微成像模块之间的距离，改变表面缺陷的成像状态，由离焦至聚焦至离焦。

实施例中所述上位机1在数据库中查找与拍摄图像一致的不同状态表面缺陷图像，初步确定表面缺陷的形状及参数，进一步使用有限元或有限差分数值模拟给定形状及参数的表面缺陷的散射光强分布，并基于进化算法反演表面缺陷参数。

实施例中上位机使用Windows操作系统，自行开发控制软件，软件主体框架使用Visual C#语言编写，包括获取工业相机图像的图像采集模块、用于控制电动扫描平移台的运动通信模块、用于获取光强探测模块光强的强度通信模块、用于计算表面缺陷位置及亮度、数据库查找、数值模拟缺陷散射的图像处理模块、用于将测量结果保存为自定义格式文件的文件模块，上位机根据划痕在不同照明角度时的光强确定划痕的等级；其中图像处理模块可使用混合编程(Matlab或Python语言)方式实现、数值模拟由软件调用有限元或有限差分软件计算实现。

实施例中所述照明模块2用于提供相干光束照明表面缺陷。

实施例中所述激光器20使用普通半导体激光器，中心波长在可见光波长范围内，功率为5mW以上。

实施例中所述准直镜头21包括准直及扩束两部分功能，一方面将激光器产生的发散光束准直为平行光，另一方面将准直后平行光进行扩束，确保所述显微成像系统的视场内均匀照明。

实施例中所述检偏器22使用二向色性材料制成，可将激光器出射光束转换为线偏振光，波长范围为400-700nm可见光范围。

实施例中所述光强探测模块23包括硅光电池、信号放大电路及模数转换电路三部分，硅光电池将光强转化为电流信号，信号放大电路将电流信号转化为电压信号，模数转换电路将模拟电压信号转化为数字信号。

实施例中所述半透半反棱镜24的透射率与反射率之比为50:50，对偏振态不敏感。

实施例中所述显微成像模块3包括显微物镜30、检偏器31、工业相机32。

实施例中所述显微物镜30放大倍数为40倍以上，数值孔径高于0.4，工作距离大于1mm，避免与待测表面接触。

实施例中所述检偏器31的偏振方向与检偏器22互相配合，通过旋转检偏器寻找对应最大强度的偏振方向。

实施例中所述工业相机32一般使用USB、千兆网或CameraLink接口，上位机中需提供配套采集卡，使用千兆网时普通网卡即可，使用CameraLink接口时需提供对应CameraLink采集卡。工业相机的像素数目为500万以上，可手动调整曝光时间及增益，支持外部触发功能。

实施例中所述电动扫描平移台4为丝杠导轨结构，行程50mm以上，使用闭环步进电机进行驱动，当丝杠不能够自锁时，步进电机需加装刹车装置，由所述运动控制器7进行控制，为避免丝杠空回影响，扫描时平移台为单方向移动。

实施例中所述待测光学元件5为精密光学元件，表面经过抛光处理，不限制镀膜及元件材料，表面光洁度等级要求较高。

实施例中所述运动控制器8包括单片机和步进电机驱动器，单片机通过串口与上位机按照自定义协议进行通信，接收上位机命令，提供脉冲与方向信号给步进电机驱动器，控制电机扫描平移台中电机进行移动，当移动结束后提供外部触发信号至工业相机32。

实施例中当使用刹车时运动控制器8需提供相应刹车信号。

实施例中所述电源模块使用开关电源，输入220V交流电，输出24V与5V两路电源，其中24V电压用于电机驱动模块及刹车信号，5V电压用于单片机、步进电机驱动器及激光器驱动模块，输入交流信号可根据不同国家及地区标准进行更改。

本发明的测量步骤为：

1、给定任意待测抛光或镀膜后光学元件，基于有限元或有限差分法计算该材质不同形状及参数时的离焦图案，保存于数据库中打开电源模块；

2、上位机控制电机驱动模块驱动电动扫描平移台，根据光学元件厚度移动显微成像模块至聚焦成像元件表面处，并继续向下方移动一小段距离；

3、打开激光器，光强探测模块测量激光器出射光束亮度；

4、电动扫描平移台向上移动显微成像模块，每移动2微米拍摄一副图像，获得表面离焦图像栈；

5、上位机保存各离焦图像，图像处理模块提取图像中缺陷位置和亮度图案，如图3所示；

6、上位机在数据库中查找与离焦图像最相符的缺陷形状及参数；

7、上位机基于进化算法优化缺陷形状及参数，使得模拟计算的离焦图像与测量的误差最小；

8、根据预先设定标准确定该待测元件是否满足表面光洁度质量要求，在屏幕上显示测量结果并保存数据，数据格式由用户定义，最终实现自动化检测。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。