一种基于阵列相机的序列光学元件表面缺陷在线检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于阵列相机的序列光学元件表面缺陷在线检测装置及方法，包括：照明系统、光学镜头、一个数字摄像机或阵列相机、二维运动装置、数字图像处理器。本发明专利技术的主要创新点是使用了二维运动装置带动相机在水平和竖直方向进行平移达到阵列相机的效果，阵列相机检测系统省去了对不同物距下的多个光学元件进行调焦成像的繁琐步骤，使得成像系统的成像焦距可以通过设置不同的重建物距进行灵活改变。此方法可应用于光学元件表面缺陷的在线检测，对多个光学元件表面缺陷同时在线检测速度的提高具有重大意义。

An On-line Detection Device and Method for Surface Defects of Sequential Optical Elements Based on Array Camera

【技术实现步骤摘要】
一种基于阵列相机的序列光学元件表面缺陷在线检测装置及方法
本专利技术属于光学元件缺陷检测
，具体为一种基于阵列相机的光学元件表面缺陷在线检测系统及方法，可应用于光学元件表面缺陷在线检测。
技术介绍
多个光学元件在光学系统工作状态下，由于环境影响等原因导致光学元件表面出现缺陷，此时不可能进行离线检测，但是光学元件表面缺陷对光场的影响不容忽视。常规的基于机械调焦方式的缺陷在线检测方式存在着检测耗时长，对平台的位移精度要求高等其他不足之处。由于光学元件表面的缺陷不仅会使光学透过率下降，产生杂散光，还会严重影响光束质量，在光学系统中传输光场的作用下，缺陷分布会不断变化直到系统无法正常使用，有必要在缺陷形成的初始阶段就进行监测，便于及时维修和更换。因此光学元件表面缺陷的在线检测对于光学系统能否持续健康运行的重要性不言而喻。传统的对于光学元件表面缺陷的检测主要为离线检测和在线检测两种方式。离线检测精度高，但耗时长，检测设备体积庞大。利用光学元件缺陷在线检测装置，可以在光学元件固定在光学系统之中进行缺陷的检测，并可对损伤点的图像进行统计分析获取元件的缺陷分布状况。光学元件缺陷在线检测装置实际上是一个高分辨率变焦距成像系统，不同光学元件距离成像系统的物距不一样，通过调整光学系统焦距来保持对多个光学元件表面缺陷放大率的恒定。变焦距系统一般是机械移动多个镜组位置实现焦距的变化，可以实现连续变焦且精度较高，但是由于成像系统对每个光学元件会产生一幅高分辨图像，会产生巨大的数据量，后续图像处理比较繁琐。而且对多个光学元件依次对焦的过程耗费时间，难以实现真正意义上的在线检测。在一些特殊的光学系统中对检测时间有着严格的限制，基于机械调焦方式的多个光学元件缺陷在线检测技术便存在着一些不足之处。
技术实现思路
鉴于传统技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种能够对多个光学元件表面缺陷进行在线检测的装置及方法，旨在解决现有的多个光学元件缺陷在线检测方法的检测速度慢，检测过程复杂等问题，直观显示光学元件表面缺陷分布。本专利技术要解决传统技术存在的问题所采用的技术方案是：基于阵列相机的序列光学元件表面缺陷在线检测装置，包括：照明系统，照明光源可以是激光器或者条形、环形发光二极管光源，用于区别光学元件表面缺陷与非缺陷区域的成像效果；光学镜头，用于采集不同物距下的被检测光学元件的光学图像；一个数字摄像机或阵列相机，用于将图像转换为对应的数字图像信号；二维运动装置，用于带动相机实现X-Y两轴平移，满足定位精度和量程；数字图像处理器，用于对相机采集到的数字信号进行存储、数字重聚焦运算、图像处理，判断光学元件是否有缺陷，显示数字图像的处理结果；所述的基于阵列相机的序列光学元件表面缺陷在线检测装置，利用一个数字摄像机或阵列相机同时采集到景深范围之内不同光学元件的表面缺陷图像以后，对图像进行数字重聚焦得到不同物距下的多个光学元件表面缺陷分布情况。所述的基于阵列相机的序列光学元件表面缺陷在线检测装置，其中，检测光源照明方式主要有以下三种：同轴正向照明；同轴反向照明；边缘光源照明。所述的基于阵列相机的序列光学元件表面缺陷在线检测装置，其中，采用二维运动平台带动相机实现X-Y两轴平移，可以达到阵列相机的效果；基于阵列相机的序列光学元件表面缺陷在线检测方法，包括以下步骤：A、检测任务确定，检测分辨率指标随之确定，选择镜头和成像系统参数，成像系统参数包括CCD传感芯片的像元分辨率和像元数目，根据检测分辨率计算放大率确定镜头焦距，多个光学元件都必须位于成像系统的景深范围内，多个光学元件表面的缺陷信息都可以清晰的在单个相机的感光面进行成像；B、进行相机标定，获取相机的内参数矩阵，通过位移平台移动相机的位置改变阵列相机之间的基线位置大小，获取相机的外参数；C、不同位置处相机采集到多幅同时包含多个光学元件缺陷信息的图像，对图像进行数字重聚焦得到多个光学元件表面缺陷分布，此时非重聚焦物距下的其他光学元件表面缺陷在重聚焦图像中的表现为离焦的混叠图像；D、对数字重聚焦之后的图像进行滤波去噪，获取阈值二值化，缺陷边缘提取，统计缺陷的几何信息，缺陷的几何信息包括面积、长宽比、周长和数目，再结合成像系统的放大倍率得到光学系统中多个光学元件表面的缺陷信息分布。相比较现有技术，本专利技术提供的基于阵列相机的序列光学元件表面缺陷在线检测装置及方法有如下优点：单个相机对多个光学元件只产生一幅高分辨图像，基于阵列相机的多个光学元件表面缺陷在线检测技术大大提高了检测速度，提高了检测结果的准确性，通过数字重聚焦对位于景深范围内的光学元件成像，可以同时将多个不同物距下的光学元件表面缺陷直观的显示出来，对于辅助光学系统的健康运行具有重要意义。附图说明图1为边缘光源照明下的基于阵列相机的光学元件表面缺陷检测原理图；图2为同轴正向照明下的基于阵列相机的光学元件表面缺陷检测原理图；图3为同轴反向照明下的基于阵列相机的光学元件表面缺陷检测原理图。图中：1为二维运动装置，2为第一照明光源，3为第二照明光源，4为第三照明光源，5为第一光学元件，6为第二光学元件，7为第三光学元件，8为图像采集系统，9为数字图像处理器，10为激光光源，11为扩束系统，12为平面反射镜，13为平面反射镜，14为阵列图像采集系统。具体实施方式为使本专利技术的技术方案更加清楚明确，结合附图以及具体实施方式进一步说明本专利技术。实施例1如图1所示，本专利技术是一种基于阵列相机的多个光学元件表面缺陷在线检测装置，包括：二维运动装置1、第一照明光源2、第二照明光源3、第三照明光源4、第一光学元件5、第二光学元件6、第三光学元件7、图像采集系统8和数字图像处理器9；图像采集系统8包括CCD摄像机、镜头等。照明光源可以是激光器或条形、环形发光二极管光源，光源的选择方式主要是依赖于光学元件在光学系统中的实际工作状况来确定不同的在线检测方式。检测分辨率指标确定以后，选择镜头和成像系统的CCD传感芯片的像元分辨率和像元数目，合理的设计镜头焦距、入瞳大小、CCD像元尺寸，使多个光学元件都必须位于成像系统的景深范围内，视场合理，多个光学元件表面的缺陷信息都可以清晰的在单个相机的感光面进行成像。结合图1，基于阵列相机的光学元件表面缺陷检测方法如下：(1)首先进行相机标定步骤获取相机的内参数矩阵，通过二维运动装置1移动图像采集系统8的位置改变阵列相机的基线位置大小获取相机的外参数。采集不同位置处相机的图像，得到多幅同时包含多个光学元件缺陷信息的图像；(2)图像采集系统8在二维运动装置1上进行等间距平移，在像平面得到一系列物平面的投影像，可以实现在不同采样点对场景依次投影成像，从而达到阵列相机的效果，节省了相机成本，简化了采集系统的复杂性；(3)当阵列相机(或移动一个相机位置)采集到景深范围内的光学元件表面缺陷分布情况之后，将不同相机图像投影到指定物距下进行叠加并求均值，等效于一个虚拟的大孔径镜头对数字重聚焦物距下的光学元件表面缺陷情况进行重建，由于虚拟镜头口径大，所以成像景深很小。除了聚焦的光学元件表面缺陷能够清晰的成像，其他物距下的光学元件的缺陷累加的像面会很模糊；(4)对数字重聚焦之后的图像进行图像处理提取清晰的缺陷信息、准确的边缘图像，分析并计算缺陷的大小得到目标图像本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于阵列相机的序列光学元件表面缺陷在线检测装置，其特征在于：包括：照明系统、光学镜头、一个数字摄像机或阵列相机、二维运动装置和数字图像处理器；其中：所述的照明系统，照明光源可以是激光器或者条形、环形发光二极管光源，用于区别光学元件表面缺陷与非缺陷区域的成像效果；所述的光学镜头，用于采集不同物距下的被检测光学元件的光学图像；所述的数字摄像机或阵列相机，用于将图像转换为对应的数字图像信号；所述的二维运动装置，用于带动相机实现X‑Y两轴平移，满足定位精度和量程；所述的数字图像处理器，用于对相机采集到的数字信号进行存储、数字重聚焦运算、图像处理，判断光学元件是否有缺陷，显示数字图像的处理结果；一个数字摄像机或阵列相机同时采集到景深范围之内不同光学元件的表面缺陷图像以后，通过对图像进行数字重聚焦可以得到不同物距下的多个光学元件表面缺陷分布情况。

【技术特征摘要】
1.一种基于阵列相机的序列光学元件表面缺陷在线检测装置，其特征在于：包括：照明系统、光学镜头、一个数字摄像机或阵列相机、二维运动装置和数字图像处理器；其中：所述的照明系统，照明光源可以是激光器或者条形、环形发光二极管光源，用于区别光学元件表面缺陷与非缺陷区域的成像效果；所述的光学镜头，用于采集不同物距下的被检测光学元件的光学图像；所述的数字摄像机或阵列相机，用于将图像转换为对应的数字图像信号；所述的二维运动装置，用于带动相机实现X-Y两轴平移，满足定位精度和量程；所述的数字图像处理器，用于对相机采集到的数字信号进行存储、数字重聚焦运算、图像处理，判断光学元件是否有缺陷，显示数字图像的处理结果；一个数字摄像机或阵列相机同时采集到景深范围之内不同光学元件的表面缺陷图像以后，通过对图像进行数字重聚焦可以得到不同物距下的多个光学元件表面缺陷分布情况。2.根据权利要求1所述的基于阵列相机的序列光学元件表面缺陷在线检测装置，其特征在于：阵列相机可以是多个相机集成，也可采用二维运动装置带动相机实现X-Y两轴平移，从而达到阵列相机的效果。3.根据权利要求1所述的基于阵列相机的序列光学元件表面缺陷在线检测装置，其特征在于：光源的选择方式主要是依赖于...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文学，王继红，任戈，储君秋，谭玉凤，熊文尚，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51