一种基于线扫描和环带拼接的大口径平面镜的瑕疵检测装置和方法与流程

本发明属于光学检测领域，具体涉及一种基于线扫描和环带拼接的大口径平面镜的瑕疵检测装置和方法。

背景技术：

光刻镜头是一个由几十片镜片组成的复杂的光学系统，部分镜面口径大，对应的标准镜头研制困难。拼接测量通过将一个镜面规划为多个小的子孔径，并逐个子孔径测量，然后再将子孔径的面形通过算法组合成整个镜面的面形。21世纪初，美国qed公司出品了ssi自动拼接干涉仪，实现对光学元件的自动拼接测量，但检测精度低，只作为高精度镜片加工中的过程检测仪器。其精度低的最主要原因是拼接测量过程中，被测件的外环区域需要倾斜一定的角度去匹配标准镜的状态，而倾斜会使得被测件变形，变形量直接代入检测结果中，无法达到高精度检测目的。

光学零件的表面瑕疵是指光学零件经过抛光加工后光学零件表面存在的麻点、划痕、开口气泡、破点及破边等加工缺陷。光学元件表面的疵病会导致光束通过疵病区域发生散射，偏离预定方向，从而严重影响光学系统的光学性能，在加工过程中必须进行有效控制。

传统中光学零件表面疵病的描述和度量，主要手段是靠肉眼目测观察疵病图像来判定。结果受个人主观意志影响很大。目前现有的表面瑕疵检测装置主要是基于面阵相机扫描，缺点是子孔径多，检测时间长，中间数据量大，子孔径数据成像的畸变大，拼接时畸变校正和位置校正困难。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于线扫描和环带拼接的大口径平面镜的瑕疵检测装置和方法，通过线扫描和环带拼接，实现了对大口径平面镜的瑕疵检测。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于线扫描和环带拼接的大口径平面镜的瑕疵检测装置，该装置包括：线扫描探测器101，环形照明光源102，被测平面镜103，绕z轴的旋转台104，沿x轴的平移台105，计算机106，其结构示意图如图1所示。其中，绕z轴的旋转台104放在沿x轴的平移台105上，被测平面镜103放在绕z轴的旋转台104上，被测平面镜103上方装有环形照明光源102和线扫描探测器101。其中，计算机106与线扫描探测器101、绕z轴的旋转台104和沿x轴的平移台105相连，用于发出控制信号。

另外本发明提供了一种基于线扫描和环带拼接的大口径平面镜的瑕疵检测方法，该测量方法具体如下：

步骤(1)、规划扫描检测方案。根据被测平面镜103，线扫描探测器101的参数，规划环带的个数m和位置，使得各环带之间有一定的重叠度，并使得被测平面镜103的所有范围被扫描到，并根据环带的位置和线扫描探测器101的参数计算各环带扫描时绕z轴的旋转台104的角速度。如图2示，被测平面镜103的口径d，线扫描探测器101的像元数n，线扫描探测器101的帧频η，线扫描探测器101的物方视场l，扫描检测方案为：环带的个数m，各环带偏离被测件中心的距离pxk，其中px1为0。按如下公式计算每个环带扫描时绕z轴的旋转台104的角速度ωk(k＝1,2,…,m)。

ωk＝ηl/n/(pxk+l)

上式中k＝1,2,…,m，为各环带的序号。

步骤(2)、检测第1个环带。搭建如图3所示的测量平台，计算机106控制沿x轴的平移台105在x向平移距离px1+l，然后计算机106控制绕z轴的旋转台104以角速ω1转动一周，计算机106控制线扫描探测器101以帧频η采集数据，并保存数据f1，f1为n×j1像素的图像，j1为绕z轴的旋转台104以角速度ω1转动一周时，线扫描探测器101测量的帧数。

步骤(3)、依次检测其余环带。计算机106控制沿x轴的平移台105在x向平移距离pxk+l，然后计算机106控制绕z轴的旋转台104以角速ωk转动一周，计算机106控制线扫描探测器101以帧频η采集数据，保存数据据fk。fk为n×jk像素的图像,jk为检测第k个环带时，绕z轴的旋转台104以角速度ωk转动一周时，线扫描探测器101测量的帧数，fk的示意图如图4所示。

步骤(4)、将检测的各环带数据进行坐标变换，位置误差校正和区域增长法拼接成一幅图像，具体方法如下：

a)将各环带的数据按下式做坐标变换，fk的示意图由图4变成全局坐标下的fk，如示意图图5所示。

fk(x,y)＝fk(uk,vk)

其中，(uk,vk)为fk中一个点，uk的取值为1,2,…,n,vk的取值为1,2,…,jk。(x,y)为(uk,vk)对应的全局坐标下的点。

b)分析各环带位置误差。检测各环带数据时，沿x轴的平移台105在x向平移，存在位置误差δpxk，含位置误差校正的坐标变换公式如下式所示。拼接时，以第1环带为基准，即δpx1为0。

fk(x+εxδpxk,y+εyδpxk)＝fk(uk,vk)

其中，εx为x的误差校正的系数，εy为y的误差校正的系数。

c)计算各环带的位置误差δpxk(k＝2,3,…,m)，使得前k-1个环带的拼接结果gk-1和fk的重叠区域的误差ek最小。其中g1＝f1，gk-1和fk的重叠区域的误差ek的表达式如下式所示。δpxk在[-ex，ex]以间隔0.5*l/n取值，当ek最小时，对应的δpxk就为第k环带的位置误差。

其中，[-ex，ex]为沿x轴的平移台105在x向平移的误差范围，由沿x轴的平移台105的定位精度决定。s∩为gk-1与fk的重叠区域。

d)采用区域增长算法，将各环带数据拼接成一幅图像gm，如下式所示。

其中，为gk-1的区域，为fk不含s∩的区域。gk为前k个环带的拼接结果。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)线扫描比面阵扫描速度快，子孔径少，中间数据量小，拼接的计算量小。

2)线扫描相机比面阵相机的成像畸变小，拼接的一致性更好。

3)线扫描比面阵扫描的位置误差校正更简单准确。

附图说明

图1为本发明的基于线扫描和环带拼接的大口径平面镜的瑕疵检测装置的示意图；

图2为本发明的规划扫描检测方案的示意图；

图3为本发明的测量第1环带的装置的示意图；

图4为本发明的第k个环带的线扫描结果的示意图；

图5为本发明的第k个环带线扫描结果坐标变换后的示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

图1为本发明的一种基于线扫描和环带拼接的大口径平面镜的瑕疵检测装置的示意图，包含线扫描探测器101，环形照明光源102，被测平面镜103，绕z轴的旋转台104，沿x轴的平移台105，计算机106，其装置的结构示意图如图1所示。其中xyz坐标系为绕z轴的旋转台104和沿x轴的平移台105的坐标系。其中，绕z轴的旋转台104实现绕z向旋转，沿x轴的平移台105实现沿x向平移。绕z轴的旋转台104放在沿x轴的平移台105上，被测平面镜103放在绕z轴的旋转台104上，被测平面镜103上方装有环形照明光源102和线扫描探测器101。其中，计算机106与线扫描探测器101、绕z轴的旋转台104和沿x轴的平移台105相连，用于发出控制信号。

本发明的采用所述的装置对大口径平面镜的瑕疵检测方法，具体实施步骤如下：

步骤(1)、规划扫描检测方案。根据被测平面镜103，线扫描探测器101的参数，规划环带的个数m和位置，使得各环带之间有一定的重叠度，并使得被测平面镜103的所有范围被扫描到，并根据环带的位置和线扫描探测器101的参数计算各环带扫描时绕z轴的旋转台104的角速度。如图2示，被测平面镜103的口径d为200mm，线扫描探测器101的像元数n为2000个，线扫描探测器101的帧频η为3000次/秒，线扫描探测器101的物方视场l为40mm，扫描检测方案为：环带的个数m为3，第1个环带偏离被测件中心的距离px1为0，第2个环带偏离被测件中心的距离px2为0.8l，第3个环带偏离被测件中心的距离px3为1.7l。按如下公式计算每个环带扫描时绕z轴的旋转台104的角速度ωk(k＝1,2,…,m)。

ωk＝ηl/n/(pxk+l)

上式中k＝1,2,…,m，为各环带的序号。

步骤(2)、检测第1个环带。搭建如图3所示的测量平台，计算机106控制沿x轴的平移台105在x向平移距离px1+l，然后计算机106控制绕z轴的旋转台104以角速ω1转动一周，计算机106控制线扫描探测器101以帧频η采集数据，并保存数据f1，f1为n×j1像素的图像,j1为绕z轴的旋转台104以角速度ω1转动一周时，线扫描探测器101测量的帧数。

步骤(3)、依次检测其余环带。计算机106控制沿x轴的平移台105在x向平移距离pxk+l，然后计算机106控制绕z轴的旋转台104以角速ωk转动一周，计算机106控制线扫描探测器101以帧频η采集数据，保存数据据fk。fk为n×jk像素的图像,jk为检测第k个环带时，绕z轴的旋转台104以角速度ωk转动一周时，线扫描探测器101测量的帧数，fk的示意图如图4所示。

步骤(4)、将检测的各环带数据进行坐标变换，位置误差校正和区域增长法拼接成一幅图像，具体方法如下：

a)将各环带的数据按下式做坐标变换，fk的示意图由图4变成全局坐标下的fk，如示意图图5所示。

fk(x,y)＝fk(uk,vk)

其中，(uk,vk)为fk中一个点，uk的取值为1,2,…,n,vk的取值为1,2,…,jk。(x,y)为(uk,vk)对应的全局坐标下的点。

b)分析各环带位置误差。检测各环带数据时，沿x轴的平移台105在x向平移，存在位置误差δpxk，含位置误差校正的坐标变换公式如下式所示。拼接时，以第1环带为基准，即δpx1为0。

fk(x+εxδpxk,y+εyδpxk)＝fk(uk,vk)

其中，εx为x的误差校正的系数，εy为y的误差校正的系数。

c)计算各环带的位置误差δpxk(k＝2,3,…,m)，使得前k-1个环带的拼接结果gk-1和fk的重叠区域的误差ek最小。其中g1＝f1，gk-1和fk的重叠区域的误差ek的表达式如下式所示。δpxk在[-ex，ex]以间隔0.5*l/n取值，当ek最小时，对应的δpxk就为第k环带的位置误差。

其中，[-ex，ex]为沿x轴的平移台105在x向平移的误差范围，由沿x轴的平移台105的定位精度决定。s∩为gk-1与fk的重叠区域。

d)采用区域增长算法，将各环带数据拼接成一幅图像gm，如下式所示。

其中，为gk-1的区域，为fk不含s∩的区域。gk为前k个环带的拼接结果。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内所作的变换或者替换都应涵盖在本发明所包含的范围内，因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。