一种非球面熔石英元件表面微缺陷快速定位方法技术

一种非球面熔石英元件表面微缺陷快速定位方法，它属于工程光学技术领域。本发明专利技术解决了现有光学元件表面微缺陷检测效率以及定位准确率低的问题。本发明专利技术建立机床坐标系，根据待测熔石英元件的非球面的四条边界线在机床坐标系下的位置，来获得待测熔石英元件的非球面的几何中心在机床坐标系下的坐标；将待测熔石英元件移动至光谱共焦位移测距仪处，对待测熔石英元件的非球面表面的特征点进行测距，根据非球面表面的特征点坐标来拟合出待测熔石英元件的非球面在元件坐标系下方程；采用CMOS面阵相机采集图像后，将图像的二维信息还原至三维，从而获得待测熔石英元件非球面表面缺陷点的位置信息。本发明专利技术可以应用于光学元件表面微缺陷检测技术领域。

A fast method for locating micro defects on the surface of fused silica elements

【技术实现步骤摘要】
一种非球面熔石英元件表面微缺陷快速定位方法
本专利技术属于工程光学
，具体涉及一种非球面熔石英元件表面微缺陷快速定位方法。
技术介绍
大口径非球面熔石英元件是高功率固体激光系统终端光学组件的关键元件，能够将平行射入的三倍频激光聚焦于真空靶室靶点，从而获得很高的聚焦功率密度。图1为大口径非球面光学元件的三维结构示意图，其入光面为非球面，材料为熔石英。熔石英作为一种典型的硬脆材料，在加工过程中极易产生微裂纹、凹坑等表层微缺陷，强激光辐照更加剧了缺陷的产生和增长。研究表明，如果不及时对熔石英表面微缺陷进行修复或抑制，在激光辐照下缺陷尺寸将呈指数性增长。这将导致透过熔石英的光束质量下降，使光学元件无法满足生产需要而报废。因此，必须设计一种高精度、高效率的方法实现非球面光学元件表面微缺陷的快速定位，以便于后续对缺陷进行激光修复。光学元件表面微缺陷检测定位的常用方法有目测法和机器视觉检测法。目测法是用光束以一定角度照射元件表面，检测人员在光束反射或透射方向观察呈现亮斑的缺陷，该方法由于操作简便被广泛应用于早期检测中。但单纯通过肉眼识别无法得到缺陷准确的位置、尺寸信息，且效率低下出错率高。随着技术的发展，机器视觉被引入光学元件表面缺陷的检测中。该检测方法借助高分辨率相机采集光学元件表面图像，经过图像处理得到表面微缺陷的具体位置和尺寸，通过和电控平台的结合可对微缺陷进行定位，易于实现修复的精密化和自动化。但目前对大口径光学元件多采用线阵相机扫描检测，需对光学元件进行逐行扫描拍照并且需要对图像进行拼接，导致检测效率较低。且现阶段检测元件多为平面元件，而非球面元件被检测表面为曲面，根据映射关系在相机成像时曲面信息会转化为平面信息，在此过程中沿光轴方向的深度信息将被压缩，导致定位的准确率低。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决现有光学元件表面微缺陷检测效率以及定位准确率低的问题，而提出了一种非球面熔石英元件表面微缺陷快速定位方法。本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种非球面熔石英元件表面微缺陷快速定位方法，该方法包括以下步骤：步骤一、以机床的机械零点为原心O，建立机床坐标系O-XYZ，机床坐标系的三轴指向同空间直角坐标系的三轴指向；步骤二、基于步骤一，使待测熔石英元件位于明场视野中心，利用面阵CCD相机采集待测熔石英元件图像，根据待测熔石英元件的非球面的四条边界线在机床坐标系下的位置，来获得待测熔石英元件的非球面几何中心移动至明场视野中心时，机床在机床坐标系下的坐标；步骤三、将待测熔石英元件移动至光谱共焦位移测距仪处，对待测熔石英元件的非球面表面的特征点进行测距，获得非球面表面特征点的坐标值；并利用非球面表面特征点的坐标值，来拟合出待测熔石英元件的非球面在元件坐标系下方程；步骤四、基于步骤二和步骤三，将待测熔石英元件移至CMOS面阵相机工位进行单幅拍照，对采集的图像进行处理后，将图像的二维信息还原至三维，从而获得待测熔石英元件非球面表面缺陷点的位置信息，并对待测熔石英元件非球面表面缺陷点进行修复。本专利技术的有益效果是：本专利技术提出了一种非球面熔石英元件表面微缺陷快速定位方法，本专利技术提出采用高分辨率面阵相机对待测元件进行全口径单幅拍照的检测方法，将待测元件移至拍照工位后，单次拍照即可完成全口径图像的采集，通过畸变校正和三维曲面还原方法，提高了检测的效率和定位的准确度。而且，(1)本专利技术采用高分辨率面阵相机实现了暗场成像和全口径单幅拍照，检测速度相较于线阵扫描方式大幅提高；(2)本专利技术利用明场显微系统实现了待测元件的快速定位和对缺陷的可视化在线监测；(3)本专利技术采用光谱共焦位移测距仪对待测元件安装过程中的旋转误差进行校正，得到了元件曲面在元件坐标系中的准确方程；(4)本专利技术对高分辨面阵相机采集的二维图像进行了三维曲面还原，提高了缺陷的定位精度；(5)本专利技术的工艺方法实现了对非球面待测元件表面缺陷的检测和定位，满足了后续激光修复的使用要求。附图说明图1是大口径非球面光学元件的三维结构示意图；图2是本专利技术的非球面元件表面微缺陷检测定位装置示意图；图3是本专利技术的待测元件三维模型及标准坐标系的示意图；图4是待测元件旋转误差示意图；图5是待测元件非球面表面特征点的测距拟合图；图中1、2、3、4、5分别代表五个特征点的位置；图6是待测元件非球面表面缺陷点的检测原理图；图7是非球面在CMOS面阵相机中成像的示意图；图8是成像平面还原为曲面的示意图；图9为缺陷点定位到明场工位时相机采集图像的示意图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式所述的一种非球面熔石英元件表面微缺陷快速定位方法，该方法包括以下步骤：步骤一、以机床的机械零点为原心O，建立机床坐标系O-XYZ，机床坐标系的三轴指向同空间直角坐标系的三轴指向；步骤二、基于步骤一，使待测熔石英元件位于明场视野中心，利用面阵CCD相机采集待测熔石英元件图像，根据待测熔石英元件的非球面的四条边界线在机床坐标系下的位置，来获得待测熔石英元件的非球面几何中心移动至明场视野中心时，机床在机床坐标系下的坐标；由于待测熔石英元件尺寸不同，且在安装过程中存在定位误差，元件每次安装后都需要重新确定其在机床坐标系中的坐标。元件的几何中心在机床坐标系中的坐标利用明场面阵显微系统获得，明场面阵显微系统是由面阵CCD相机、可变焦显微镜头和环形光源组成。面阵CCD相机的分辨率为2456×2058，像元大小为3.45μm×3.45μm，可变焦光学显微镜头的变焦范围是0.87×～10.5×，其工作距离为105mm，明场显微系统CCD采用反射光成像，因此视野中黑色区域表示微缺陷所在位置或无反射位置，白色区域为待测熔石英光学元件无缺陷位置，据此可在明场CCD相机视野中观察到光学元件的边界。步骤三、将待测熔石英元件移动至光谱共焦位移测距仪处，对待测熔石英元件的非球面表面的特征点进行测距，获得非球面表面特征点的坐标值；并利用非球面表面特征点的坐标值，来拟合出待测熔石英元件的非球面在元件坐标系下方程；步骤四、基于步骤二和步骤三，将待测熔石英元件移至CMOS面阵相机工位进行单幅拍照，对采集的图像进行处理后，将图像的二维信息还原至三维，从而获得待测熔石英元件非球面表面缺陷点的位置信息，并对待测熔石英元件非球面表面缺陷点进行修复。本专利技术采用的非球面元件表面微缺陷检测定位装置的示意图如图2所示，该装置分为明场监测工位、光谱共焦测距工位、高分辨率面阵相机暗场拍照工位、CO2红外激光修复工位。首先通过明场监测工位确定非球面光学元件在机床坐标系中的位置，再采用光谱共焦测距仪对光学元件表面特征点进行测距并拟合出曲面方程，移至拍照工位对元件表面进行拍照，通过图像处理和三维曲面还原可以得到缺陷准确的位置和尺寸信息，修复平台根据这些信息将光学元件移至修复工位完成缺陷的激光修复。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤二的具体过程为：通过X和Y二维高精度运动平台将待测熔石英元件移动到明场视野中心，分别记录待测熔石英元件非球面的上边界线和下边界线在机床坐标系下的Y轴坐标yT和yD，以及非球面的左边界线和右边界线在机床坐标系下的X轴坐标xL和xR；在图3中，上边界线是指位于Y″轴正向、与X″轴平行的边界，下边界线是指位于Y″轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非球面熔石英元件表面微缺陷快速定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、以机床的机械零点为原心O，建立机床坐标系O‑XYZ，机床坐标系的三轴指向同空间直角坐标系的三轴指向；步骤二、基于步骤一，使待测熔石英元件位于明场视野中心，利用面阵CCD相机采集待测熔石英元件图像，根据待测熔石英元件的非球面的四条边界线在机床坐标系下的位置，来获得待测熔石英元件的非球面几何中心移动至明场视野中心时，机床在机床坐标系下的坐标；步骤三、将待测熔石英元件移动至光谱共焦位移测距仪处，对待测熔石英元件的非球面表面的特征点进行测距，获得非球面表面特征点的坐标值；并利用非球面表面特征点的坐标值，来拟合出待测熔石英元件的非球面在元件坐标系下方程；步骤四、基于步骤二和步骤三，将待测熔石英元件移至CMOS面阵相机工位进行单幅拍照，对采集的图像进行处理后，将图像的二维信息还原至三维，从而获得待测熔石英元件非球面表面缺陷点的位置信息，并对待测熔石英元件非球面表面缺陷点进行修复。

【技术特征摘要】
1.一种非球面熔石英元件表面微缺陷快速定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、以机床的机械零点为原心O，建立机床坐标系O-XYZ，机床坐标系的三轴指向同空间直角坐标系的三轴指向；步骤二、基于步骤一，使待测熔石英元件位于明场视野中心，利用面阵CCD相机采集待测熔石英元件图像，根据待测熔石英元件的非球面的四条边界线在机床坐标系下的位置，来获得待测熔石英元件的非球面几何中心移动至明场视野中心时，机床在机床坐标系下的坐标；步骤三、将待测熔石英元件移动至光谱共焦位移测距仪处，对待测熔石英元件的非球面表面的特征点进行测距，获得非球面表面特征点的坐标值；并利用非球面表面特征点的坐标值，来拟合出待测熔石英元件的非球面在元件坐标系下方程；步骤四、基于步骤二和步骤三，将待测熔石英元件移至CMOS面阵相机工位进行单幅拍照，对采集的图像进行处理后，将图像的二维信息还原至三维，从而获得待测熔石英元件非球面表面缺陷点的位置信息，并对待测熔石英元件非球面表面缺陷点进行修复。2.根据权利要求1所述的一种非球面熔石英元件表面微缺陷快速定位方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：将待测熔石英元件移动到明场视野中心，分别记录待测熔石英元件非球面的上边界线和下边界线在机床坐标系下的Y轴坐标yT和yD，以及非球面的左边界线和右边界线在机床坐标系下的X轴坐标xL和xR；则待测熔石英元件的非球面几何中心移动至明场视野中心时，机床在机床坐标系下的坐标(x0,y0)为：3.根据权利要求2所述的一种非球面熔石英元件表面微缺陷快速定位方法，其特征在于，所述步骤三的具体过程为：以待测熔石英元件的非球面的几何中心为原点O′，建立标准坐标系O′-X″Y″Z″和元件坐标系O′-X′Y′Z′，所述元件坐标系的三轴指向同机床坐标系的三轴指向，所述标准坐标系的X″轴与待测熔石英元件非球面的上边界线和下边界线平行，Y″轴与待测熔石英元件非球面的左边界线和右边界线平行，Z″轴方向为待测熔石英元件非球面的过原点O′的法向；则待测熔石英元件在标准坐标系下的非球面方程为：其中：1/c为非球面几何中心处的曲率半径，k为圆锥系数，x″、y″、z″分别为非球面在X″、Y″、Z″轴方向的坐标；由于安装时待测熔石英元件装配调整精度有限，标准坐标系的三轴与元件坐标系的三轴存在旋转误差，因此，需要将公式(2)的标准坐标系下非球面方程转化为元件坐标系下的非球面方程；假设待测熔石英元件的非球面上有一缺陷点A，缺陷点A在元件坐标系、标准坐标系下的坐标分别为(x′,y′,z′)、(x″,y″,z″)，根据旋转变换原理，元件坐标系与标准坐标系之间存在如下公式(3)的关系：其中：θ为标准坐标系X″轴与工件坐标系X′轴的旋转误差角度，为标准坐标系Y″轴与工件坐标系Y′轴的旋转误差角度，ρ为标准坐标系Z″轴与工件坐标系Z′轴的旋转误差角度；R(x″,θ)为标准坐标系X″轴与工件坐标系X′轴的旋转矩阵，为标准坐标系Y″轴与工件坐标系Y′轴的旋转矩阵，R(z″,ρ)为标准坐标系Z″轴与工件坐标系Z′轴的旋转矩阵；其中：旋转矩阵的表达式为：由于Z″轴方向不存在旋转，即ρ＝0，则旋转矩阵R的表达式变换为公式(5)：待测熔石英元件在元件坐标系下的z′值的计算公式为：sinθ＝tanθ，cosθ＝1，则待测熔石英元件在元件坐标系下的非球面方程为：采用光谱共焦位移测距仪对非球面表面的特征点1、特征点2、特征点3、特征点4和特征点5进行测距，其中：特征点1为非球面的几何中心，特征点2，特征点3，特征点4和特征点5分别为以非球面几何中心为中心的矩形的四个顶点，所述矩形的四条边分别与机床坐标系的X轴和Y轴平行，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明君，尹朝阳，赵林杰，程健，张德志，蒋晓东，廖威，王海军，张传超，栾晓雨，
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