高精度光学元件的表面疵病检测装置及检测方法与流程

本发明涉及光学检测技术领域，特别是涉及一种高精度光学元件的表面疵病检测装置及检测方法。

背景技术：

表面疵病是高精度光学元件表面质量的一个重要评价指标。随着现代光学技术的不断发展和进步，在光学自适应天文望远镜、大天区多目标光谱天文望远镜、光刻投影物镜以及激光核聚变设施(如美国的国家点火装置，National Ignition Facility Project，NIF)等大型光学系统中，都应用了大量高精度、高质量的球面及非球面光学元件。当光束通过存在疵病的超高精度光学元件表面时，这些局部的结构不均匀性造成光束的散射和能量损耗，从而可能产生衍射条纹、能量吸收、膜层破坏、有害炫耀和疵病形变等现象，对于高能量或者高精度的光学系统的性能和使用寿命有着相当大的危害。

目前，国内外研究人员对于高精度光学元件的表面疵病检测的研究投入较多，虽然设计了可以检测高精度光学元件表面质量的检测系统或者方法，但是这些检测系统或者方法仍然存在着检测速度慢、检测精度低以及实用性有限等问题，如何对高精度球面及非球面光学元件的表面疵病进行精确、高效地自动化检测和评价，仍然是目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

基于此，有必要针对现有的高精度光学元件表面疵病检测技术存在的检测速度慢、检测精度低以及实用性有限的问题，提供一种高精度光学元件的表面疵病检测装置及检测方法。

为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：

一种高精度光学元件的表面疵病检测装置，包括多轴机械调整模块、波前编码显微成像模块、同轴光源照明模块和计算机，所述多轴机械调整模块包括三轴电动位移台、电动转台和电动角位台，所述波前编码显微成像模块包括显微物镜、波前编码板、转接镜筒和CCD相机；

所述电动转台安装在所述三轴电动位移台的底座上；

所述显微物镜、所述波前编码板、所述转接镜筒和所述CCD相机依次连接，且所述转接镜筒与所述电动角位台固定连接；

所述电动角位台设置在所述三轴电动位移台上，且所述电动角位台的法线方向与所述电动转台的法线方向相垂直；

所述三轴电动位移台、所述电动转台和所述电动角位台均与所述计算机电连接；

所述同轴光源照明模块通过光纤与所述显微物镜连接；

所述CCD相机的输出端口与所述计算机的输入端口连接；

所述计算机根据预设运动参数控制所述三轴电动位移台、所述电动转台和所述电动角位台运动，且所述CCD相机对放置在所述电动转台上的待测光学元件进行实时表面成像，并将所述待测光学元件的表面成像数据发送至所述计算机，所述计算机根据图像识别方法对所述待测光学元件的表面成像进行疵病识别处理，并存储带有疵病的所述表面成像。

同时，本发明还提出一种利用如上所述高精度光学元件的表面疵病检测装置对高精度光学元件表面疵病进行检测的方法，包括以下步骤：

将所述待测光学元件放置在所述电动转台上；

调节所述三轴电动位移台，以使所述显微物镜位于所述待测光学元件的中心位置的上方；

调节所述显微物镜，以使所述显微物镜对所述待测光学元件的中心位置对焦；

根据所述待测光学元件的面形参数在所述计算机上设定所述预设运动参数；

所述计算机根据预设运动参数控制所述三轴电动位移台、所述电动转台和所述电动角位台运动，且所述CCD相机对所述待测光学元件进行实时表面成像，并将所述待测光学元件的表面成像数据发送至所述计算机；

所述计算机根据图像识别方法对所述待测光学元件的表面成像进行疵病识别处理，并存储带有疵病的所述表面成像。

上述高精度光学元件的表面疵病检测装置及方法应用波前编码显微成像模块实现大景深的成像效果，有效地延拓了一般显微成像系统的景深，克服了由机械调整误差和球面及非球面光学元件面形造成的离焦影响，能够降低对机械精度的需求和光学分辨率的需求，从而降低表面疵病检测装置的成本，提高检测装置及检测方法的检测效率。

附图说明

图1为本发明其中一个实施例中高精度光学元件的表面疵病检测装置的结构示意图；

图2为本发明另一个实施例中高精度光学元件的表面疵病检测方法的流程示意图；

图3为本发明其中一个具体实施方式中高精度光学元件的表面疵病检测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

在其中一个实施例中，如图1所示，高精度光学元件的表面疵病检测装置包括多轴机械调整模块、波前编码显微成像模块、同轴光源照明模块100和计算机200，多轴机械调整模块包括三轴电动位移台310、电动转台320和电动角位台330，波前编码显微成像模块包括显微物镜410、波前编码板420、转接镜筒430和CCD相机440；

电动转台320安装在三轴电动位移台310的底座500上；

显微物镜410、波前编码板420、转接镜筒430和CCD相机440依次连接，且转接镜筒420与电动角位台330固定连接；

电动角位台330设置在三轴电动位移台上310，且电动角位台330的法线方向与电动转台320的法线方向相垂直；

三轴电动位移台310、电动转台320和电动角位台330均与计算机200电连接；

同轴光源照明模块100通过光纤与显微物镜410连接；

CCD相机440的输出端口与计算机200的输入端口连接；

计算机200根据预设运动参数控制三轴电动位移台310、电动转台320和电动角位台330运动，且CCD相机440对放置在电动转台320上的待测光学元件进行实时表面成像，并将待测光学元件的表面成像数据发送至计算机200，计算机200根据图像识别方法对待测光学元件的表面成像进行疵病识别处理，并存储带有疵病的表面成像。

具体地，在本实施例中，如图1所示，高精度光学元件的表面疵病检测装置包括多轴机械调整模块、波前编码显微成像模块、同轴光源照明模块100和计算机200，其中多轴机械调整模块包括三轴电动位移台310、电动转台320和电动角位台330，波前编码显微成像模块包括显微物镜410、波前编码板420、转接镜筒430和CCD相机440。

电动转台320安装在三轴电动位移台310的底座500上，待测光学元件放置在电动转台320上。

显微物镜410、波前编码板420、转接镜筒430和CCD相机440依次连接，并且转接镜筒420与电动角位台330固定连接。显微物镜410对待测光学元件的表面进行成像，CCD相机440对经过波前编码板420编码和转接镜筒430后的像进行光电转换，得到待测光学元件的表面成像数据。波前编码板(又称为波前相位编码板)是一种能够延拓光学成像系统的景深的方法，通过在光学系统光路中加入优化设计的波前编码板，能够使得光学成像系统的点扩散函数在很大的焦深范围内保持良好的一致性，得到经过编码的图像，然后通过相应的解码算法，可以计算还原出大景深的图像。转接镜筒420与电动角位台330固定连接，电动角位台330转动时，带动转接镜筒420以及与转接镜筒420连接的显微物镜410、波前编码板420和CCD相机440转动。

电动角位台330设置在三轴电动位移台上310，且电动角位台330的法线方向与电动转台320的法线方向相垂直，以保证波前编码显微成像模块能够对待测光学元件的全部表面进行成像。

三轴电动位移台310、电动转台320和电动角位台330均与计算机200电连接，计算机200控制三轴电动位移台310、电动转台320和电动角位台330的运动。

同轴光源照明模块100通过光纤与显微物镜410连接，从而为显微物镜410提供均匀照明。

CCD相机440的输出端口与计算机200的输入端口连接，CCD相机440将待测光学元件的表面成像数据通过输出端口和输入端口发送至计算机200。

计算机200根据预设运动参数控制三轴电动位移台310、电动转台320和电动角位台330运动的同时，CCD相机440对放置在电动转台320上的待测光学元件进行实时表面成像，并将待测光学元件的表面成像数据发送至计算机200。计算机200具有图像采集和处理系统，图像处理系统中的疵病识别程序实时地对采集的待测光学元件的表面成像进行疵病的识别，疵病识别程序基于图像识别方法(如神经网络图像识别方法等)实时地对待测光学元件的表面成像进行疵病的识别，并对带有疵病的表面成像进行存储。

本实施例所提出的高精度光学元件的表面疵病检测装置应用波前编码显微成像模块实现大景深的成像效果，有效地延拓了一般显微成像系统的景深，克服了由机械调整误差和球面及非球面光学元件面形造成的离焦影响，能够降低对机械精度的需求和光学分辨率的需求，从而降低表面疵病检测装置的成本，提高检测装置的检测效率。

作为一种具体的实施方式，如图1所示，三轴电动位移台310包括X轴电动位移台311、Y轴电动位移台312和Z轴电动位移台313；电动转台320和X轴电动位移台311安装在底座上；Y轴电动位移台312与X轴电动位移台311滑动连接，Z轴电动位移台313与Y轴电动位移台312滑动连接，且电动角位台330设置在Z轴电动位移台313上。本实施方式中的三轴电动位移台310包括X轴电动位移台311、Y轴电动位移台312和Z轴电动位移台313，在计算机200的控制下，可实现显微物镜410或者CCD相机400对待测光学元件表面的任意一角度的成像，从而提高表面疵病的检测效果。

作为一种具体的实施方式，预设运动参数包括三轴电动位移台运动参数、电动转台运动参数和电动角位台运动参数；三轴电动位移台运动参数为移动速度和移动方向，电动转台运动参数为转速，电动角位台运动参数为旋转速度和旋转方向。在本实施方式中，预设运动参数由待测光学元件的面形参数确定，相应地，三轴电动位移台的移动速度和移动方向、电动转台的转速以及电动角位台的旋转速度和旋转方向均根据待测光学元件的面形参数确定，从而使得本发明的检测装置可以对不同的待测光学元件进行高效、准确的表面疵病检测。

作为一种具体的实施方式，计算机200根据电动转台运动参数控制电动转台320带动待测光学元件转动，并根据三轴电动位移台运动参数调整X轴电动位移台311、Y轴电动位移台312和Z轴电动位移台313的移动速度和移动方向，根据电动角位台运动参数调整电动角位台330的旋转速度和旋转方向，以使显微物镜410的光轴与显微物镜410的视场内待测光学元件的表面法线保持平行。在本实施方式中，计算机200通过对电动转台320和三轴电动位移台310的控制，使显微物镜410的光轴与显微物镜410的视场内待测光学元件的表面法线保持平行，从而最大程度地减小待测光学元件自身面形所造成的离焦，提高待测光学元件表面成像的分辨率。

作为一种具体的实施方式，CCD相机440的输出端口通过USB数据线与计算机200的输入端口连接，以保证CCD相机440和计算机200之间表面成像数据的传输速度和可靠性。

同时，本发明还提出一种利用上述的高精度光学元件的表面疵病检测装置对高精度光学元件表面疵病进行检测的方法，如图2所示，该方法包括以下步骤：

S100将待测光学元件放置在电动转台320上；

S200调节三轴电动位移台310，以使显微物镜410位于待测光学元件的中心位置的上方；

S300调节显微物镜410，以使显微物镜410对待测光学元件的中心位置对焦；

S400根据待测光学元件的面形参数在计算机200上设定预设运动参数；

S500计算机200根据预设运动参数控制三轴电动位移台310、电动转台320和电动角位台330运动，且CCD相机440对待测光学元件进行实时表面成像，并将待测光学元件的表面成像数据发送至计算机200；

S600计算机200根据图像识别方法对待测光学元件的表面成像进行疵病识别处理，并存储带有疵病的表面成像。

具体地，在本实施例中，首先将待测光学元件放置在电动转台320上；然后调节三轴电动位移台310，以使显微物镜410位于待测光学元件的中心位置的上方；然后调节显微物镜410，以使显微物镜410对待测光学元件的中心位置对焦，当显微物镜410的焦点距离待测光学元件的中心位置较远时，需要通过调节三轴电动位移台310来调节显微物镜410与待测光学元件的中心位置之间的距离，以使得显微物镜410能够对待测光学元件的中心位置对焦；根据待测光学元件的面形参数在计算机200上设定预设运动参数；计算机200根据预设运动参数控制三轴电动位移台310、电动转台320和电动角位台330运动，同时CCD相机440对放置在电动转台320上的待测光学元件进行实时表面成像，并将待测光学元件的表面成像数据发送至计算机200；计算机200根据图像识别方法对待测光学元件的表面成像进行疵病识别处理，并存储带有疵病的表面成像。

本实施例所提出的高精度光学元件的表面疵病检测方法基于高精度光学元件的表面疵病检测装置，利用波前编码显微成像模块实现大景深的成像效果，有效地延拓了一般显微成像系统的景深，克服了由机械调整误差和球面及非球面光学元件面形造成的离焦影响，能够降低对机械精度的需求和光学分辨率的需求，从而降低表面疵病检测装置的成本，提高检测方法的检测效率。

作为一种具体的实施方式，高精度光学元件的表面疵病检测方法还包括以下步骤：

计算机200对全部存储的带有疵病的表面成像进行疵病特征统计分析，生成检测结果报告，检测结果报告包括待测光学元件的疵病类型、每一疵病类型对应的数目以及疵病总数目。

在本实施方式中，如图3所示，将待测光学元件放置在电动转台320上，通过三轴电动位移台310(主要是通过X轴电动位移台311和Y轴电动位移台312)将显微物镜410调整到待测光学元件的中心位置处，调节三轴电动位移台310(主要是Z轴电动位移台313)并调整显微物镜410，使显微物镜410对待测光学元件的中心位置对焦，然后，根据待测光学元件的面形参数设置预设运动参数，包括Y轴电动位移台312的和Z轴电动位移台313的移动速度和移动方向，电动转台320的转速，电动角位台330的旋转转速和旋转方向，这样可以时刻保证显微物镜410与视场内的待测光学元件到的表面法线方向平行，最大程度地减小待测光学元件自身面形造成的离焦。

CCD相机440一直对待测光学元件进行扫描并进行表面成像，并将表面成像数据传递至计算机200，计算机200具有图像采集和处理系统，图像处理系统中的疵病识别程序实时地对采集的待测光学元件的表面成像进行疵病的识别，同时保存具有疵病的图像。

最后，当完成对待测光学元件的完整表面扫描后，计算机200综合分析所有具有疵病的图像，对全部存储的带有疵病的表面成像进行疵病特征统计分析，统计疵病数目和特征信息等，生成检测结果报告，其中检测结果报告包括待测光学元件的疵病类型、每一疵病类型对应的数目以及疵病总数目。

本实施方式通过计算机200的图像识别和统计分析功能给出待测光学元件的检测结果报告，便于技术人员对高精度光学元件的表面疵病情况的直观了解。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。