球面光学元件表面缺陷评价方法技术

本发明专利技术公开了一种球面光学元件表面缺陷评价方法。本发明专利技术基于显微散射暗场成像原理，对球面光学元件表面进行子孔径图像扫描，之后利用图像处理方法得到表面缺陷信息。本发明专利技术充分利用球面子孔径图像全局校正、三维拼接、二维投影、数字化特征提取等评价球面缺陷。利用缺陷定标数据，定量给出缺陷的尺寸和位置信息。本发明专利技术实现了球面光学元件表面缺陷的自动化定量检测，极大地提高了检测效率及检测精度，避免了因个人主观因素对检测结果的影响，最终为球面光学元件的使用与加工提供可靠的数值依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机器视觉检测
，具体涉及一种球面光学元件表面缺陷评价方 法。
技术介绍
球面光学元件在大口径空间望远镜、惯性约束聚变（ICF)系统、高能激光等系统 中被广泛应用，元件表面的缺陷特征如划痕、麻点等不但会影响光学系统成像质量，其在高 能激光系统中还会产生不必要的散射与衍射从而造成能量损失，该能量损失在高功率激光 系统中还可能因为能量过高而造成二次损伤，因此有必要在球面光学元件的使用前进行其 表面缺陷的检测，数字化评价缺陷信息，从而为球面光学元件的使用提供可靠的数值依据。 球面光学元件缺陷的传统检测方法主要是目视法，利用强光照射球面表面，人眼 利用反射光和透射光从不同方向进行观察，目视法受检测者熟练程度的影响较大，主观性 较强，而且长期的检测会造成人眼疲劳，同时无法给出缺陷信息的定量化描述。因此需要设 计一种，能够实现球面光学元件表面缺陷的自动化评价， 极大的提高检测效率及检测精度。该方法通过对基于显微散射暗场成像原理得到的球面光 学元件表面缺陷暗场图像进行处理，设计了一种球面光学元件表面缺陷精确定量评价的方 法。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种球面光学元件表面缺陷评价方 法。 ，包括如下步骤： 步骤1.球面光学元件经过显微散射暗场成像在像面上时，得到的成像子孔径图 像为二维图像；由于在光学成像过程中会发生沿成像光轴方向的信息压缩，因此首先要进 行球面三维重构，矫正球面光学元件的表面缺陷经过光学成像时产生的沿成像光轴方向的 信息压缩，所述的球面三维重构过程，是指将显微散射暗场成像过程，简化为小孔成像模 型，再利用几何关系将成像子孔径图像重构为三维子孔径图像； 步骤2.经球面三维重构后得到三维子孔径图像，为了便于特征提取，通过全口径 投影将三维子孔径图像的信息投影到二维平面上，得到全口径投影图像； 步骤3.对得到的全口径投影图像进行低倍特征提取，然后利用三维逆重构得到 缺陷的三维尺寸；最后利用缺陷定标得到的球面缺陷定标数据，实现缺陷实际尺寸的检测， 并获得缺陷在球面光学元件表面上的位置坐标； 步骤4.对缺陷进行高倍检测，保证微米量级的检测精度；首先将显微散射暗场成 像的放大倍率调节至高倍；然后依据步骤3所得的位置坐标，将表面缺陷移动至高倍视场 中心，进行高倍图像采集；再进行高倍特征提取，并利用缺陷定标得到的球面缺陷定标数 据得到微米量级的缺陷评价结果； 步骤5.对缺陷评价结果以球面三维预览图、电子报表及缺陷位置示意图的方式 进行缺陷评价信息输出。 步骤1所述的球面光学元件经过显微散射暗场成像在像面上得到成像子孔径图 像的过程如下，具体如下： 1-1.球面光学元件表面上一点p运动至p'点处，使其进入显微散射暗场成像的 物方视场中； 1-2.将显微暗场散射成像的放大倍率调节至低倍并对球面光学元件表面缺陷进 行低倍子孔径采集；经过显微散射暗场成像后得到在成像子孔径上的像点为P"; 1-3.通过数字图像采集过程，将像面坐标系转换为图像坐标系X J1，得到成像 子孔径图像，X。轴和Y。轴组成像面坐标系，其坐标原点为显微散射暗场成像单元的光轴与 成像子孔径图像的交点；X 1轴与Y i轴组成图像坐标系X J113 步骤2所述的全口径投影图像的获取过程，具体包括如下步骤： 2-1.对重构后的三维子孔径图像进行球面子孔径全局坐标变换，将三维子孔径图 像经过全局坐标变换转换为球面子孔径图像； 2-2.将球面子孔径图像垂直投影至平面得到投影子孔径图像； 2-3.通过球面子孔径图像垂直投影至平面上得到投影子孔径图像，然后进行投影 子孔径图像拼接，在平面上得到上述缺陷的位置和尺寸信息后再对其进行逆重构，从而实 现球面光学元件表面缺陷的准确检测。 投影子孔径图像拼接采用炜线层直接拼接，经线层环形拼接的方式；投影子孔径 图像拼接过程如下： ①对投影子孔径图像去噪，从而去除背景噪声对投影拼接精度的影响； ②对去噪后的同一炜线层上相邻投影子孔径图像的重叠区域进行特征配准； ③对同一炜线层上配准后的相邻子孔径图像进行拼接，得到炜线层环带图像； ④提取炜线层环带图像中包含所有重叠区的最小圆环； ⑤提取最小圆环的配准点，获取最佳匹配位置，完成投影子孔径拼接过程。 步骤3所述的对得到的全口径投影图像进行低倍特征提取，然后利用缺陷定标得 到球面缺陷定标数据，实现缺陷实际尺寸的检测；最后通过三维逆重构得到缺陷的真实尺 寸，并获得缺陷在球面光学元件表面上的位置坐标，具体如下： 3-1.在投影子孔径图像拼接后的二维全孔径图像上，进行缺陷的特征提取，获取 缺陷的尺寸和位置信息； 3-2.经过缺陷三维逆投影得到球面光学元件表面缺陷的三维尺寸和位置坐标的 像素数； 3-3.利用缺陷定标得到的球面缺陷定标数据，将缺陷的三维尺寸和位置坐标的像 素数转化为实际尺寸和位置坐标。 步骤3和4中所述的球面缺陷定标数据包括缺陷长度定标数据和缺陷宽度定标数 据；长度定标过程就是要获得球面上任意位置处标准线段的实际长度与球面子孔径图像的 像素数之间的关系，长度定标数据获取方式如下： 首先在平面物面上取一条标准线段山，Cl1的长度通过标准测量仪器测量；标准线 段Cl 1经显微散射暗场成像，在成像子孔径图像上得到其像d p; 然后将该幅成像子孔径图像重构为三维子孔径图像，在三维子孔径图像上得到标 准线段的球面像d。，此时d。以像素数为单位，同时通过d。得到其所对应的圆弧角d e ;由于 球面光学元件的曲率半径R能够通过球面定中过程精确测量得到，因此d。所对应的实际尺 寸d = Rde ;通过寻找d。和d之间的对应关系，定标得到三维子孔径图像的像素数与实际尺 寸的对应关系，即k = d/d。，将d = Rde代入，得k = Rd e/d。，而d。= Rpi)relde，其中Rpixf3l为 重构后的三维球面图像的曲率半径，简称为像素曲率半径，从而得到定标系数k = R/Rp1m1; 在同一个球面光学元件上的表面缺陷在提取其长度时，首先通过特征提取获得缺陷的各像 素点位置坐标，依据像素点位置坐标，将连续的缺陷离散为η条线段，得到线段方程I 1: yi = MJb1，其中i = 1，2, 3· ·· η ;针对各线段分别进行逆投影还原过程，得到线段I1在以Rpixel 为半径的球当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...

【技术保护点】
球面光学元件表面缺陷评价方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1.球面光学元件经过显微散射暗场成像在像面上时，得到的成像子孔径图像为二维图像；由于在光学成像过程中会发生沿成像光轴方向的信息压缩，因此首先要进行球面三维重构，矫正球面光学元件的表面缺陷经过光学成像时产生的沿成像光轴方向的信息压缩，所述的球面三维重构过程，是指将显微散射暗场成像过程，简化为小孔成像模型，再利用几何关系将成像子孔径图像重构为三维子孔径图像；步骤2.经球面三维重构后得到三维子孔径图像，为了便于特征提取，通过全口径投影将三维子孔径图像的信息投影到二维平面上，得到全口径投影图像；步骤3.对得到的全口径投影图像进行低倍特征提取，然后利用三维逆重构得到缺陷的三维尺寸；最后利用缺陷定标得到的球面缺陷定标数据，实现缺陷实际尺寸的检测，并获得缺陷在球面光学元件表面上的位置坐标；步骤4.对缺陷进行高倍检测，保证微米量级的检测精度；首先将显微散射暗场成像的放大倍率调节至高倍；然后依据步骤3所得的位置坐标，将表面缺陷移动至高倍视场中心,进行高倍图像采集；再进行高倍特征提取，并利用缺陷定标得到的球面缺陷定标数据得到微米量级的缺陷评价结果；步骤5.对缺陷评价结果以球面三维预览图、电子报表及缺陷位置示意图的方式进行缺陷评价信息输出。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨甬英，刘东，柴惠婷，李阳，李晨，吴凡，许文林，曹频，
申请(专利权)人：浙江大学，杭州晶耐科光电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33