一种大曲率半径球面光学元件自动化位姿调整装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种大曲率半径球面光学元件自动化位姿调整装置。本实用新型专利技术利用高倍显微镜对大曲率半径球面光学元件表面沿竖直和水平两条正交直径的四个边缘特征点分别进行对焦到离焦的连续多幅暗场灰度图像采集，计算图像Tenengrad算子值，拟合Tenengrad算子值与高倍显微镜轴向移动量曲线，依据图像Tenengrad算子极值判据搜寻正焦位置，获得各特征点空间坐标；通过建立特征点与调整装置空间数学模型，将四特征点空间坐标转换为俯仰和自旋两维调整量，进行位姿调整操作。本实用新型专利技术解决了大曲率半径球面光学元件在显微镜全口径扫描检测过程中出现的因光学元件光轴与显微镜光轴不平行以及球面光学元件矢高变化超出显微镜景深范围而造成的离焦问题。

An automatic pose adjustment device for spherical optical elements with large curvature radius

The utility model discloses an automatic position and posture adjusting device of a spherical optical element with a large curvature radius. The utility model uses a high-power microscope to collect a plurality of continuous dark field gray-scale images focusing to defocusing along four edge feature points of two orthogonal diameters of the surface of a large curvature radius spherical optical element, calculates the value of the image tenengrad operator, fits the curve between the value of the tenengrad operator and the axial movement of the high-power microscope, and searches according to the extreme value criterion of the image tenengrad operator By establishing the mathematical model of feature points and adjustment device, the spatial coordinates of four feature points are transformed into two-dimensional adjustment of pitch and spin to adjust the position and attitude. The utility model solves the defocusing problem caused by the optical axis of the optical element is not parallel to the optical axis of the microscope and the vector height of the spherical optical element changes beyond the depth of field of the microscope during the scanning inspection of the full aperture of the microscope for the spherical optical element with large curvature radius.

【技术实现步骤摘要】
一种大曲率半径球面光学元件自动化位姿调整装置
本技术涉及一种一种大曲率半径球面光学元件自动化位姿调整装置。
技术介绍
在惯性约束聚变(ICF)系统中，大曲率半径(R>4m)球面光学元件被广泛应用。例如常用的反射镜尺寸达到口径430mm，在对其表面微米级缺陷检测时，需要进行暗场显微散射成像的全口径扫描采集，再利用高倍显微镜精确定位并提取缺陷特征。由于使用的高倍显微镜景深范围通常只有10到20微米，如果被测球面光学元件光轴与显微镜光轴不平行，在高倍定位提取特征时就会出现定位不准、无法准确采集特征或者即使找到特征，两光轴不平行引入的位姿误差使焦平面超出高倍显微镜景深范围而离焦的情况，都会对缺陷的精确定位和评价造成影响。因此，需要设计一种适用于大曲率半径球面光学元件的高精度、自动化位姿调整方法与装置，在缺陷检测的全口径扫描之前，消除位姿误差带来的影响。由于平面与球面面形的差别，目前平面光学元件常用的位姿调整方法无法适用于大曲率半径球面，需要根据其面形特性设计一种新的位姿调整方法和装置。另外，对于一些口径较大、曲率半径较小(但仍大于4m)的球面光学元件，其矢高无法被显微镜的景深范围覆盖，即使经过自动化位姿调整后显微镜光轴已对准待测球面元件，在扫描采集子孔径图像的过程中，仍会出现部分子孔径图像离焦的情况，为解决上述问题，还需要设计一种配合的扫描方法和显微镜恒工作距离控制方法，使大曲率半径球面元件在扫描采集时始终保持在显微镜的景深范围内避免离焦，从而始终成清晰的子孔径图像。
技术实现思路
本技术的目的是为解决大曲率半径(大于4m)球面光学元件表面缺陷的检测过程中，由于大曲率半径球面光学元件倾斜而造成采集到的部分子孔径超出显微镜的景深范围，导致像面离焦，提供一种大曲率半径球面光学元件自动化位姿调整方法与装置，使显微镜光轴对准待测球面元件；对于一些口径较大、曲率半径较小(但仍大于4m)的球面光学元件，在扫描采集子孔径图像的过程中仍会出现部分子孔径图像离焦的情况，提供一种“回”形扫描和显微镜恒工作距离控制方法，使大曲率半径球面元件在扫描采集时始终保持在显微镜的景深范围内避免离焦，从而始终成清晰的子孔径图像。一种大曲率半径球面光学元件自动化位姿调整方法，步骤如下：步骤1、利用高倍显微镜和CCD相机成像，移动XY方向二维导轨在大曲率半径球面光学元件表面寻找到第一表面特征点；所述的表面特征点指大曲率半径球面光学元件表面边缘的疵病、擦痕等具有信息特征的点；步骤2利用高倍显微镜对第一表面特征点进行等步长连续多幅暗场灰度图像采集；所述的暗场灰度图像是指用高亮度环形LED冷光源发射的平行光束照射大曲率半径球面光学元件表面的第一表面特征点产生散射光线，散射光线被高倍显微镜和CCD相机收集所形成暗场灰度图像；步骤3选取暗场灰度图像中合适的区域进行灰度图像边缘算子：Tenengrad算子F值的计算；所述的暗场灰度图像中合适的区域指待测球面元件被采集的图像视场中，由于球面的弯曲程度超过显微光学系统的景深范围而造成一个图像视场中有清晰和模糊像的不同区域，选取处理效果好的清晰区域进行计算；所述的Tenengrad算子F由下式表示：其中所述的掩模模板Tx和Ty大小为：其中f(x,y)为(x,y)像素位置的灰度等级。步骤4利用曲线拟合方法拟合图像Tenengrad算子F值与高倍显微镜移动距离曲线，并通过搜索曲线中Tenengrad算子F值的极值的方法，得到高倍显微镜的正焦位置，得到第一表面特征点的坐标(xA,yA,zA)；步骤5利用高倍显微镜和CCD相机成像，移动XY方向二维导轨寻找到大曲率半径球面光学元件第二表面特征点、第三表面特征点、第四表面特征点；所述的第一表面特征点、第二表面特征点，指其两点连线为大曲率半径球面光学元件竖直方向直径的两边缘点，第三表面特征点、第四表面特征点，指其两点连线为大曲率半径球面光学元件水平方向直径的两边缘点，如图1所示；步骤6重复步骤2)至步骤4)所述过程，得到第二表面特征点的坐标(xB,yB,zB)，第三表面特征点的坐标(xC,yC,zC)，第四表面特征点的坐标(xD,yD,zD)；步骤7将第一表面特征点的坐标(xA,yA,zA)，第二表面特征点的坐标(xB,yB,zB)换算为俯仰调整电机的调整量δ1，第三表面特征点的坐标(xC,yC,zC)，第四表面特征点的坐标(xD,yD,zD)换算为自旋调整电机的调整量δ2；步骤8按调整量δ1驱动俯仰调整电机，按调整量δ2驱动自旋调整电机；所述的驱动俯仰调整电机指驱动俯仰调整电机通过同步带驱动俯仰驱动机构组件实现沿Z轴的直线运动，从而驱动调整上板实现绕长转轴的俯仰动作；所述的驱动自旋调整电机指驱动自旋调整电机实现沿Y轴的直线运动顶住调整顶块，实现了调整中间板沿圆弧导轨做的自旋转动。所述的步骤7具体步骤为：1)对俯仰维自动化位姿调整建模如图2所示，沿Z方向上选取不同的第一表面特征点、第二表面特征点两位置，即两点的X坐标相同，Z方向坐标zA、zB不同，分别对两位置自动对焦清晰后(步骤2)至步骤4))，得到这两点的Y坐标yA、yB。由图2所示的几何关系可得：δ1＝|O1M1|·tanα(5)公式(5)中α为俯仰维偏角，|O1M1|为俯仰调整电机到俯仰维长转轴在Y方向上的距离，为已知量，求得的δ1即俯仰调整电机所要改变的位移调整量。2)对自旋维自动化位姿调整建模如图3所示，圆弧导轨绕其等效旋转中心进行自旋转动。沿X方向上选取不同的第三表面特征点、第四表面特征点两位置，即两点的Z坐标相同，X方向坐标xC、xD不同，分别对两位置自动对焦清晰后(步骤2)至步骤4))，得到这两点的Y坐标yC、yD。由图3所示的几何关系可得：δ2＝|O2M2|·tanθ(7)公式(7)中θ为自旋维偏角，|O2M2|为自旋调整电机到圆弧导轨的等效旋转中心在X方向上的距离，为已知量，求得的δ2即自旋调整电机要改变的位移调整量。一种大曲率半径球面光学元件自动化位姿调整装置，包括大曲率半径球面光学元件、大曲率半径球面光学元件固定架、调整上板、长转轴、俯仰调整电机、同步带、俯仰驱动机构组件、调整中间板、圆弧导轨、调整顶块、自旋调整电机、底板、高倍显微镜和CCD相机；其中大曲率半径球面光学元件安装在大曲率半径球面光学元件固定架上，大曲率半径球面光学元件固定架固定在调整上板上，调整上板通过长转轴和俯仰驱动机构组件与调整中间板连接，俯仰调整电机固定在调整中间板上，通过同步带与俯仰驱动机构组件连接；调整中间板底部安装在圆弧导轨上，圆弧导轨安装在底板上；调整中间板上安装有调整顶块；底板上固定有自旋调整电机；安装高倍显微镜和CCD相机作为检测成像系统，使其光轴与大曲率半径球面光学元件光轴平行。显微镜恒工作距离控制的子孔径扫描方法的步骤如下：1)如图5所示，根据大曲率半径球面光学元件的口径大小2d、扫描子孔径大小dsub、X方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大曲率半径球面光学元件自动化位姿调整装置，其特征在于包括：/n大曲率半径球面光学元件(S1)、大曲率半径球面光学元件固定架(S2)、调整上板(S3)、长转轴(S4)、俯仰调整电机(S5)、同步带(S6)、俯仰驱动机构组件(S7)、调整中间板(S8)、圆弧导轨(S9)、调整顶块(S10)、自旋调整电机(S11)、底板(S12)、高倍显微镜(S15)和CCD相机(S16)；其中大曲率半径球面光学元件(S1)安装在大曲率半径球面光学元件固定架(S2)上，大曲率半径球面光学元件固定架(S2)固定在调整上板(S3)上，调整上板(S3)通过长转轴(S4)和俯仰驱动机构组件(S7)与调整中间板(S8)连接，俯仰调整电机(S5)固定在调整中间板(S8)上，通过同步带(S6)与俯仰驱动机构组件(S7)连接；调整中间板(S8)底部安装在圆弧导轨(S9)上，圆弧导轨(S9)安装在底板(S12)上；调整中间板(S8)上安装有调整顶块(S10)；底板(S12)上固定有自旋调整电机(S11)；安装高倍显微镜(S15)和CCD相机(S16)作为检测成像系统，使其光轴与大曲率半径球面光学元件(S1)光轴平行。/n...

【技术特征摘要】
1.一种大曲率半径球面光学元件自动化位姿调整装置，其特征在于包括：
大曲率半径球面光学元件(S1)、大曲率半径球面光学元件固定架(S2)、调整上板(S3)、长转轴(S4)、俯仰调整电机(S5)、同步带(S6)、俯仰驱动机构组件(S7)、调整中间板(S8)、圆弧导轨(S9)、调整顶块(S10)、自旋调整电机(S11)、底板(S12)、高倍显微镜(S15)和CCD相机(S16)；其中大曲率半径球面光学元件(S1)安装在大曲率半径球面光学元件固定架(S2)上，大曲率半径球面光学元件固定架(S2)固...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨甬英，曹频，
申请(专利权)人：杭州晶耐科光电技术有限公司，
类型：新型
国别省市：浙江;33