一种大口径反射镜表面颗粒污染物亚像素尺寸标定方法技术

一种大口径反射镜表面颗粒污染物亚像素尺寸标定方法，本发明专利技术的目的是为了解决现有像素级尺寸标定方法精度低的问题。过程为：一、将整个通光域均分为4×4个子区域，制备与子区域尺寸相同的标定板，并在标定板上预置不同尺寸的二氧化硅颗粒；二、将标定板依次放置在反射镜表面均匀分割的不同的子区域上，并分别采集不同区域的标定板图片；三、得到颗粒污染物在图像中的位置坐标、像素面积、像素直径、总灰度信息；四、在超景深显微镜下测量颗粒污染物的实际直径和实际面积；五、训练污染物面积、直径标定模型，由训练好的污染物面积、直径标定模型对测试样本进行估计。本发明专利技术用于表面颗粒污染物亚像素尺寸标定领域。

【技术实现步骤摘要】
一种大口径反射镜表面颗粒污染物亚像素尺寸标定方法
本专利技术涉及反射镜表面颗粒污染物亚像素尺寸标定方法。本专利技术属于工程光学领域。
技术介绍
激光惯性约束聚变的主要驱动装置是高功率固体激光装置，装置中的传输反射镜主要起到改变激光束方向的作用，是激光束传输过程中的重要光学元件之一。由于聚变点火所要求的激光能量巨大，故对于反射镜表面的洁净程度有很高的要求。但反射镜在运输、安装、运行过程中，颗粒污染物会吸附在元件表面，对激光束产生散射效应、热效应、场效应等，并最终影响激光束的质量，因此需要对反射镜表面的结晶状态进行检测和评估。目前，主要采用机器视觉暗场检测技术对反射镜表面的颗粒污染物进行在线检测，并使用图像处理算法对表面洁净状态进行评估，最后根据检测结果采用风刀、静电吸附等方式去除表面颗粒污染物。而在进行反射镜表面洁净状态评估时的关键参数就是颗粒污染物的实际尺寸和数量。颗粒污染物的数量通过图像算法处理结果可统计得到，结果较为准确。然而，采用低角度辐照大口径反射镜检测颗粒污染物时，面临着两个个问题：一是大口径检测时，相机分辨率的极限导致单个像素的实际大小(约为50-100μm)大于待检测颗粒污染物尺寸(20μm)；二是由于光源本身的制造误差或者光源安装误差，导致整个反射镜表面的光照强度分布不均。针对第一个的问题，目前通用的方法是采用像素级尺寸检测方法，即通过测量污染物实际尺寸以及在图像中的尺寸，获得成像系统的放大倍数，从而实现尺寸标定。由于颗粒污染物存在散射，散射能量与尺寸有关，且污染物尺寸较小，像素级尺寸标定方法难以达到理想的效果。而针对光照强度分布不均，不同区域检测结果差异较大的问题，并未有文献报道该问题并提出相应的而解决办法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有像素级尺寸标定方法精度低的问题，而提出一种大口径反射镜表面颗粒污染物亚像素尺寸标定方法。一种大口径反射镜表面颗粒污染物亚像素尺寸标定方法具体过程为：步骤一、将整个通光域均分为4×4个子区域，制备与子区域尺寸相同的标定板，并在标定板上预置不同尺寸的二氧化硅颗粒；步骤二、将标定板依次放置在反射镜表面均匀分割的不同的子区域上，并分别采集不同区域的标定板图片；步骤三、对采集到的不同区域的标定板图片进行图像处理，得到颗粒污染物在图像中的位置坐标、像素面积、像素直径、总灰度信息；步骤四、根据步骤三得到的颗粒污染物在图像中的位置坐标信息，在超景深显微镜下测量颗粒污染物的实际直径和实际面积；步骤五、根据步骤四得到的颗粒污染物的实际直径和实际面积与步骤三三得到的颗粒污染物在标定板采集图像的位置坐标、像素面积、像素直径、总灰度信息训练污染物面积、直径标定模型，由训练好的污染物面积、直径标定模型对测试样本进行估计。本专利技术的有益效果为：针对像素级尺寸标定方法精度低的特点，本方法提出基于回归模型的尺寸标定方法。颗粒污染物面积标定采用最小二乘支持向量机(LSSVM)回归原理建立回归模型，并应用随机采样一致性算法(RANSAC)对训练样本进行优化选择，得到最优面积回归模型。颗粒污染物直径标定采用线性回归原理建立回归模型。对于大口径光学元件，光学元件表面的不同位置入射能量存在差异，本方法提出分区标定的标定策略，并通过实验验证回归模型的检测精度。(1)基于回归的高功率固体激光装置中反射镜表面的污染物尺寸标定方法，相比于像素级标定算法，能够将最小分辨率提高到12.9μm，达到亚像素检测级别；(2)对于非线性较强的面积回归模型，采用最小二乘支持向量机(LSSVM)建立，并应用随机采样一致性原理(RANSAC)去除离群点，优化了面积标定模型；(3)对于直径回归模型，采用线性回归建立，修正理论直径与实际直径之间的偏差；(4)经过实验验证，直径相对误差大于30％的离群点数量可控制在10％；(5)基于回归模型的尺寸标定方法可显著提高标定精度，满足洁净度检测的要求。附图说明图1为本专利技术反射镜通光域表面颗粒污染物尺寸标定分区示意图；图2为本专利技术线性畸变校正模型图，H为单应矩阵；图3为散射矢量示意图(以污染物为原点O建立的坐标系)，Er为散射能量的径向分量，El为散射能量周向分量，P为散射能量测试点，O为颗粒污染物位置，即为坐标原点；图4a为采集的标定板图片污染物提取结果图；图4b为标定板二值化污染物提取结果图；图5为散射能量与颗粒污染物尺寸的关系曲线图；图6为离群点数量随抽样率变化曲线图；图7a为3-1分区颗粒污染物面积标定回归曲线图；图7b为3-1分区颗粒污染物直径标定回归曲线图；图7c为3-1分区颗粒污染物直径标定误差曲线图；图7d为3-2分区颗粒污染物面积标定回归曲线图；图7e为3-2分区颗粒污染物直径标定回归曲线图；图7f为3-2分区颗粒污染物直径标定误差曲线图；图7g为4-1分区颗粒污染物面积标定回归曲线图；图7h为4-1分区颗粒污染物直径标定回归曲线图；图7i为4-1分区颗粒污染物直径标定误差曲线图；图7j为4-2分区颗粒污染物面积标定回归曲线图；图7k为4-2分区颗粒污染物直径标定回归曲线图；图7l为4-2分区颗粒污染物直径标定误差曲线图；图8为离线暗场检测装置图，1为光源、2为反射镜、3为夹具、4为成像系统、5为控制系统。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式一种大口径反射镜表面颗粒污染物亚像素尺寸标定方法具体过程为：针对大口径反射镜表面颗粒污染物的检测方法，采用的是暗场成像的检测方法，高亮型线阵光源安装于反射镜前表面两侧，并且以低角度双侧扫掠式辐照于反射镜表面，成像系统安装于反射镜前表面并且正对着反射镜表面。若反射镜表面存在颗粒污染物，则颗粒污染物的反射光将入射到成像系统的感光元件上，而其他区域的光则无法进入到成像系统，从而形成暗背景下的亮物体像，控制系统可对采集到的图片进行图像处理。反射镜表面尺寸为640mm×460mm，属于大口径光学元件，但是其全口径通光域面积为537mm×380mm，只需要检测该部分面积即可。考虑反射镜后表面以及周围环境反射光和光源光照质量的影响，反射镜表面光照条件比较复杂，不同区域存在光照不均现象，因此如果对全口径区域采用标定函数模型，则会存在较大的标定误差。所以本方法采用分区标定的实验方案，即将整个通光域均分为4×4个子区域，如图1所示，对每个子区域分别标定出函数模型。考虑到对称性，只需标定四分之一区域中的四个子区域，其他区域的标定模型可通过与该四分之一区域的对称关系获得。这种标定方法不仅提高了颗粒污染物尺寸的检测准确性，也提高了标定过程的效率。具体的标定方法包括以下操作步骤：步骤一、将整个通光域均分为4×4个子区域，制备与子区域尺寸相同的标定板，并在标定板上预置不同尺寸的二氧化硅颗粒；步骤二、将标定板依次放置在反射镜表面均匀分割的不同的子区域上，并分别采集不同区域的标定板图片；步骤三、对采集到的不同区域的标定板图片进行图像处理，得到颗粒污染物在图像中的位置坐标、像素面积、像素直径、总灰度等信息；步骤四、根据步骤三得到的颗粒污染物在图像中的位置坐标信息，在超景深显微镜下测量颗粒污染物的实际直径和实际面积；所述超景深显微镜的分辨率达到0.63微米，因此可检测1μm以上的颗粒污染物；步骤五、根据步骤四得到的颗粒污染物的实际直径和实际面积与步骤三本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大口径反射镜表面颗粒污染物亚像素尺寸标定方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一、将整个通光域均分为4×4个子区域，制备与子区域尺寸相同的标定板，并在标定板上预置不同尺寸的二氧化硅颗粒；步骤二、将标定板依次放置在反射镜表面均匀分割的不同的子区域上，并分别采集不同区域的标定板图片；步骤三、对采集到的不同区域的标定板图片进行图像处理，得到颗粒污染物在图像中的位置坐标、像素面积、像素直径、总灰度信息；步骤四、根据步骤三得到的颗粒污染物在图像中的位置坐标信息，在超景深显微镜下测量颗粒污染物的实际直径和实际面积；步骤五、根据步骤四得到的颗粒污染物的实际直径和实际面积与步骤三三得到的颗粒污染物在标定板采集图像的位置坐标、像素面积、像素直径、总灰度信息训练污染物面积、直径标定模型，由训练好的污染物面积、直径标定模型对测试样本进行估计。

【技术特征摘要】
1.一种大口径反射镜表面颗粒污染物亚像素尺寸标定方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一、将整个通光域均分为4×4个子区域，制备与子区域尺寸相同的标定板，并在标定板上预置不同尺寸的二氧化硅颗粒；步骤二、将标定板依次放置在反射镜表面均匀分割的不同的子区域上，并分别采集不同区域的标定板图片；步骤三、对采集到的不同区域的标定板图片进行图像处理，得到颗粒污染物在图像中的位置坐标、像素面积、像素直径、总灰度信息；步骤四、根据步骤三得到的颗粒污染物在图像中的位置坐标信息，在超景深显微镜下测量颗粒污染物的实际直径和实际面积；步骤五、根据步骤四得到的颗粒污染物的实际直径和实际面积与步骤三三得到的颗粒污染物在标定板采集图像的位置坐标、像素面积、像素直径、总灰度信息训练污染物面积、直径标定模型，由训练好的污染物面积、直径标定模型对测试样本进行估计。2.根据权利要求1所述一种大口径反射镜表面颗粒污染物亚像素尺寸标定方法，其特征在于：所述步骤一中将整个通光域均分为4×4个子区域，制备与子区域尺寸相同的标定板，并在标定板上预置不同尺寸的二氧化硅颗粒；具体过程为：步骤一一、采用纯黑色不透明有机玻璃板制作和子区域尺寸相同的标定板；步骤一二、通过摩擦方式使标定板产生静电，将不同尺寸SiO2颗粒均匀撒在标定板表面，标定板的静电会吸附SiO2颗粒，保证SiO2颗粒位置不发生变化。3.根据权利要求1或2所述一种大口径反射镜表面颗粒污染物亚像素尺寸标定方法，其特征在于：所述步骤二中将标定板依次放置在反射镜表面均匀分割的不同的子区域上，并分别采集不同区域的标定板图片；具体过程为：步骤二一、将大口径反射镜安装于离线暗场检测装置，并使用夹紧装置预紧；步骤二二、调整反射镜两侧光源的辐照角度，使光源覆盖反射镜表面的通光域；步骤二三、放置标定板在采集区域；步骤二四、打开离线暗场检测装置的相机；步骤二五、调整标定板的位置，采集不同位置处的标定板颗粒污染物图片。4.根据权利要求3所述一种大口径反射镜表面颗粒污染物亚像素尺寸标定方法，其特征在于：所述步骤三中对采集到的不同区域的标定板图片进行图像处理，得到颗粒污染物在图像中的位置坐标、像素面积、像素直径、总灰度信息；具体过程为：步骤三一、获取采集的标定板图像的畸变矫正矩阵，对采集的标定板图像进行畸变矫正；具体过程为：设校正前四边形边长为W1，W2，L1，L2，校正后图像尺寸为W×L，W为校正后长方形的长，L为校正后长方形的宽；且已知校正后图像长宽比α；为最大程度保存原图像信息，校正前图像中的一个像素应至少被映射到校正后图像的一个像素；校正后图像分辨率应满足如下条件：式中，为L1、L2中的较大值，为W1、W2中的较大值，为等效长宽比，步骤三二、采用拉普拉斯算子加权的自适应二值化算法对校正后图像进行二值化处理；步骤三三、提取二值化处理后图像的表面颗粒污染物在标定板采集图像的位置坐标、像素面积、像素直径、总灰度信息。5.根据权利要求4所述一种大口径反射镜表面颗粒污染物亚像素尺寸标定方法，其特征在于：所述步骤五中根据步骤四得到的颗粒污染物的实际直径和实际面积与步骤三三得到的颗粒污染物在标定板采集图像的位置坐标、像素面积、像素直径、总灰度信息训练污染物面积、直径标定模型，由训练好的污染物面积、直径标定模型对测试样本进行估计；具体过程为：步骤五一、建立颗粒污染物散射模型；步骤五二、基于R...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明君，赵林杰，张德志，程健，蒋晓东，尹朝阳，苗心向，牛龙飞，吕海兵，刘昊，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23