（模式识别与智能系统专业论文）基于机器视觉的大口径精密光学元件表面疵病的识别研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着高科技的发展，对精密元件表面的质量要求越来越高。元件表面的划痕、 麻点、破边等缺陷会对经过它们的光造成不同程度的散射，不但增大了光能量的 损耗，同时也可能对元件引起严重的损伤，影响整光学系统的运行。而且对于不 同用途的光学系统，不同的疵病对系统运行的影响程度也不一样。因此精密表面 疵病的自动检测和分类一直是期待解决的问题。 本文针对实际大口径元件的检测要求，在认真分析了现有疵病检测技术和综 合了现代先进检测识别技术的基础上，提出了一种基于暗场成像理论的疵病检测 方法，并以此初步建立了一套疵病识别系统，对元件表面的划痕、麻点、气泡等 疵病形成暗背景下的亮疵病图像进行识别分类。 在图像处理系统软件设计中，采用的v c + + 和m a t l a b 结合的方式来设计软件 系统。本系统主要分为信息获取和识别分类两个模块。图像信息的获取是通过子 孔径的拼接实现的。由于大口径元件表面疵病分布不规则、形状尺寸不一，要完 成表面疵病检测，必须对全孔径逐步施行子孔径扫描，最后施行图形拼接。本系 统利用比值匹配图像拼接原理进行快速精确拼接。 在图像预处理中，为了更好的保持疵病边缘，研究基于偏微分方程( p d e ) 的图 像去噪平滑算法并对p d e 算法的不足作出了改进，将其用于图像去噪处理效果非常 理想。在边缘定位阶段，由于精密光学元件要求疵病识别要达到1 1 1 1 1 数量级，因此， 我们采用了z e m i k e 矩的亚象素边缘检测的算法并针对该算法的不足作出了改进， 使得改进后的算法不仅可以更加准确的定位边缘，还可以细化边缘。然后对二值 化的图像进行特征提取，获得疵病的数字化信息和特征向量。将获得的疵病数字 化信息与被检元件的标准板对比后即可疵病的实际数据( 如长、宽、面积) 。最后将 获得的样本特征送入模糊分类器进行疵病的识别分类。实验结果证明，本系统具 有良好的疵病识别性能。 关键词：机器视觉，疵病，精密表面，p d e ，z e m i k e 矩，模糊聚类 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nt e c h n o l o g y , t h ed e m a n d sf o rp r e c i s es u r f a c e q u a l i t ya r ea l s oh i g h e ra n dh i g h e r l i 9 1 1 tw i l lb es c a r e r e di f t h e r e r es c r a t c h e sa n do t h e r d e f e c t so nt h es u r f a c e s l i g h ts c a t t e r i n gw i l lr e s u l ti nl i g h t e n e r g yd i s s i p a t i o n ，e v e n d a m a g eo p t i c a le l e m e n t ss e r i o u s l y , w h i c hw i l la f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fo p t i c a l s y s t e m s a n df o rd i f f e r e n tu s e so p t i c a ls y s t e m ，d i f f e r e n td e f e c t sh a v ed i f f e r e n ti m p a c to nt h e s y s t e m t h ea u t o m a t i ci u s p e c t i o na n dc l a s s i f i c a t i o no fs u r f a c ei m p e r f e c t i o n so fp r e c i s e e l e m e n t sa r ep r o b l e m se x p e c t e dt ob es o l v e d i nl i g h to fd e t e c t i o nr e q u i r e m e n to fl a r g e - c a l i b e ro p t i c a le l e m e n t , ip r o p o s e da d e f e c t sd e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nd e f e c t si m a g ew h i c hi sb r i g h ti nb l a c kb a c k g r o u n d t h e o r ya f t e ra n a l y z i n gt h ee x i s t i n gd e f e c t sd e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da d v a n c e dd e t e c t i o n t e c h n o l o g i e s t h ei m a g ep r o c e s s i n gs y s t e ms o f t w a r ei sd e s i g n e db yt h ec o m b i n a t i o no fv c + + a n dm a t l a b ，w h i c hc o n s i s t so fi n f o r m a t i o na c q u i r i n ga n dc l a s s i f i c a t i o n d e f e c t sa r e i nr a n d o md i s t r i b u t i o na n dr a n d o ms h a p e so nt h es u r f a c eo f o p t i c a le l e m e n t 。s oi no r d e r t o i m p l e m e n tt h ei n s p e c t i o no fl a r g e - a p e r t u r es u r f a c e ，i ti sn e c e s s a r yt os t i t c hi m a g e s b ys u b a p e r t u r es c a n n i n gt e c h n i q u e s t h es y s t e ms t i t c h e si m a g e sf a s ta n da c c u r a t e l yb y u s i n gi m a g es t i t c h i n gr a t i om a t c h i n gp r i n c i p l e s d u r i n gi m a g ep r e p r o c e s s i n g , i no r d e rt op r e s e r v et h ee d g e so fd e f e c t s ，is t u d i e d n o i s es m o o t h i n ga l g o r i t h mb a s e do np a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n s ( p d e l a n di m p r o v e d i t si n s u f f i c i e n c y , a n dt h er e s u l ti sv e r ys a t i s f a c t o r yb yu s i n gt h ea l g o r i t h m ，i ne d g e d e t e c t i o n , b e c a u s ed e f e c t si d e n t i f i c a t i o ni sr e q u i r e dt oa c h i e v ea mm a g n i t u d e ，z e r n i k e m o m e n ts u b p i x e lc d g ed e t e c t i o na l g o r i t h mi s p r o p o s e d z e n i k em o m e n th a s s h o r t c o m i n g s ，s ea ni m p r o v e dz e m i k em o m e n ti sp r o p o s e da n di ti sp r o v e dt h a tt h e s u b p i x e lw h i c hc o o r d i n a t e st h ee d 萨c a l c u l a t e db yt h ei m p r o v e da l g o r i t h mi sm o r e p r e c i s e t h e ni m p l e m e n tb i n a r yi m a g ef e a t u r ee x t r a c t i o nt oa c q u i r ed i g i t a li n f o r m a t i o n a n de i g e n v e c t o r s t h ed i f f e r e n td e f e c t ss i z ef e a t u r e ( e g 1 e n g t h , w i d t h , a r e a ) c o u l db e a n a l y z e da n de v a l u a t e db yc r i t e r i o n f i n a l l y , e i g e n v e c t o r sa r ef e di n t oaf u z z yc l a s s i f i e r f o rt h ei d e n t i f i c a t i o no fd e f e c t sc l a s s i f i c a t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a sp r o v e dt h a tt h e 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 s y s t e mh a sg o o dp e r f o r m a n c et oi d e n t i f yd e f e c t s k e yw o r d s ：m a c h i n ev i s i o n , d e f e c t s ，p r e c i s es u r f a c e , p d e ，z e r n i k em o m e n t , f i t z z yc l a s s i f y l l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：孪艾星签字日期：。7 年月e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆盍堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庞太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 、) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：库艾星 导师签 签字日期：。h 7 年石e lf e l 签字日期：衣刃年月厂日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 超精密表面及其表面缺陷 疵病、表面粗糙度及面形偏差是精密元件质量检验的三大主要项目。疵病相 对于其他缺陷来讲，其在表面上的分布是随机的，并且只是小范围内，而其对整 个元件工作的影响却是集中且破坏力强。目前在系统集成度高，研究精度高等要 求下，元件的高质量成为系统正常工作的重要保证。因此对疵病的研究和检验成 为精密表面元件质量控制工作中的重要组成部分，疵病检测工作也日益受到重视。 超精密表面各工业领域中都有广泛的应用，目前主要集中在两个方面：一是以 强激光、短波光学等为代表的工程光学领域，如：激光聚变系统、紫外光学系统、 x 射线光学系统、x 射线激光系统、高温等离子体诊断等光学领域。在这类系统 中，为了减小散射损失，提高抗破坏阈值所用的光学组件都应精密和光滑。二是 以大规模集成电路基片等器件为主的电子工业领域。 光学零件的表面疵病是指光笔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 1 叫，由制作加工流程中或后续的不 当处理而造成的。最为常见的光学表面疵病是划痕、麻点和开口气泡。 划痕是光学零件表面上的长条形划伤。在高倍显微镜下可以看到，细划痕的 底部比较平整，边缘较齐。根据划痕长度分为长划痕和短划痕，其中长度大于2 m m 的划痕属于长划痕，。反之则为短划痕。对于短划痕，在检测时以其累计长度进行 评价。 麻点是光学表面上的凹坑或蚀坑，其坑内表面的粗糙度较大，边缘也不规则。 一般的麻点疵病其等效直径不大于4 5 0 u m 。 气泡是由玻璃熔炼过程中未排除的气体所形成的，由于气体压力给向均匀， 所以气泡一般里规则的球形。 1 2 课题意义及其发展前景 随着科学技术的发展，超精密表面在现代光学及光电子学科领域发挥着重要 的作用。并且对精密元件表面的质量要求越来越高，这就向超精密表面的加工和 检测技术提出了更高的要求。 以目前美国正在建造的世界上最大的激光核聚变设施“国家点火装置( n a t i o n a l i g n i t i o nf a c i l i t y 简称n i f 装置) ”为例，它就是项庞大而又相当的巨型光学工程。 该工程光对光学元件的要求无论是质量上还是数量上都是前所未有的。总体需要 约7 5 0 0 件4 2 c m x 4 2 e m 以上尺寸的大口径光学元件，加上备份元件和小口径元件总 重庆大学硕士学位论文1 绪论 计共需约3 0 0 0 0 件，这给光学生产造成了巨大的压力。在这近万件光学元件，其中 2 8 c m x 2 8 c m 以上尺寸的大口径光学元件的需求量为3 0 0 0 件以上。这些大尺寸元件 从加工方面主要有以下特点【3 】： 元件精度要求高 在传统的光学元件精度指标中，给的是元件的面形精度，而在高功率激光中出 的是元件的综合精度指标一光波波前误差。对反射元件要求的是反射波前畸变， 对透射元件要求的是透射波前畸变，分别要求为： 反射波前畸变小于九4 p v( 九= 0 6 3 2 8 u m ) ； 透射波前畸变小于九6 p v ； 对于反射元件而言，可以通过控制元件的面形精度达到要求的波前畸变( 垂直 反射时面形精度应小九8 p v ) 。对于透射元件不仅要考虑元件的面形精度，还要考 虑元件材料对加工精度的影响，而且，对材料造成的误差要有一定的补偿措施。 另外，为了提高元件的抗激光损伤能力和提高光束质量，对元件的微观表面粗糙 度也提出了严格的要求，要求元件表面粗糙度小于l n m ( r m s 值) 。如果达不到设计 要求，将会对激光光束的波前造成影响，激光波前质量不好则会引起聚焦焦斑进 入靶腔时产生堵孔现象，焦斑能量分布不均匀，甚至会对整套强激光系统造成灾 难性的破坏。 元件尺寸大 在高功率激光装置中，特别大的光学元件口径可j 盘4 6 0 m m ( 方形或矩形元件按 对角线计算) 。对于高精度光学元件而言，这无疑是很大的尺寸了。特别要指出的 是，这些大尺寸元件均是非圆形件，要么是方形要么是矩形，若采用传统的古典 法加工工艺加工非圆形的球面或非球面元件，将是非常困难的。 大尺寸元件数量多 前面我们已经看到，高功率激光装置中对大尺寸高精度光学元件的需求量是 非常大的。我国目前大尺寸高精度光学无论在加工水平还是检测水平都还比较落 后。 系统中的大口径光学元件表面缺陷、划痕、碎边等各种疵病的存在将造成不 同程度的散射，由于散射激光系统会出现各种问题，如大大消耗光能量，引入光 的非线性，分散光能量，同时也可能引入严重的衍射而造成光学元件新的损伤， 破坏膜层等，所以往往由于一个或几个较大的疵病而会严重影响整个系统的运行。 在i c f ( i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n 强激光惯性约束聚变) 驱动系统中，采用了 大口径光学元件，大口径光束经过聚焦成为足够小、能量集中的光斑通过靶洞进 入靶室。因此i c f 中大口径、高精度和高阈值光学元件的加工质量是影响激光光束 质量众多因素中最主要的因素之一。要达至u i c f 系统需要的聚焦光斑性能要求， 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 必须对光学元件的加工质量进行精确评价和严格控制。由此i c f 光学元件采用类同 于国际i s o l 0 1 1 0 7 的疵病标准，要求对精密表面疵病进行严格检测控制。因此发 展先进光学制造技术以提高大尺寸高精度光学元件的加工质量和检测效率，是确 保高功率激光装置工程顺利实施的基础。要解决这一技术难题，急需一套高效率 的大1 3 径光学表面数字化检测系统。本课题就是在这样的背景下提出来的。 1 3 论文的主要研究内容和论文结构 基于数字图像处理和分析的精密光测技术，在当今的数字信息时代得到了越 来越迅速的发展和及其广泛的应用，并显示了越来越重要的地位。进一步推广应 用精密光测图像处理分析技术对国防建设和经济建设都有积极的作用，本课题围 绕大口径精密表面检测系统开展了深入研究，提出了可行性方案，并得到了很好 的试验结果，本论文主要包括以下内容： 从原理上分析了现有的精密光学元件表面的各种检测方法的优点和不足 之处。针对目前检测对象表面的特性和检测技术要求，多方面参考各类疵病检测 方法，为本课题的进一步开展打下坚实基础。 本文提出了全新的散射成像数字化检测系统，搭建了一套能够实现大口径 光学元件的表面检测的实验系统。分析了本评价系统的总体结构，说明了主要的 硬件模块：照明系统、成像系统、图像采集系统、扫描系统等部分的设计要求和工 作性能。 利用数字图像处理技术，实现了对大口径元件的子孔径精准拼接。为了满 足检测疵病啪数量级的严格要求，在图像去噪平滑时，为了最大限度的保持疵病 边缘，采用并改进j p d e ( 高阶偏微分方程) 的图像平滑方法；在提取图像边缘进行 图像分割时，为了精确定位边缘，采用z e m i k e 矩的方法来提取边缘；采用了链码 来提取图像特征，得到了图像的相关数字化信息和疵病特征信息，最后利用改进 的模糊聚类的分类器来对得到的疵病图像进行分类，得到了满意的实验结果。 最后对论文做了总结，并对大1 3 径光学元件表面检测系统的改进与提高进 行了展望。 重庆大学硕士学位论文 2 疵病识别的基础 2 疵病识别的理论基础 2 1 光学零件表面疵病标准 光学零件的表面疵病是指光学零件经抛光加工后，光学零件表面存在的麻点、 擦痕、开口气泡、破边等加工缺陷。这些缺陷直接决定了光学系统的质量，从而 影响着整个产品的质量【4 】。所以，对加工缺陷必须严格控制。但是，加工产生的缺 陷又是不可避免的，只能根据光学零件的使用需求，按照最优可行原则，在设计 的时候，对光学零件表面疵病提出合理的要求。加工时，根据设计的要求，选择 较经济的方法，加工出合格零件。国家标准光学零件表面疵病正是为了满足 设计、生产和检验的需要而提出的。 2 1 1 国家标准光学零件表面疵病 有关光学零件表面疵病的国家标准g b1 1 8 5 7 4 光学零件表面疵病是1 9 7 4 年首次发布实施的。它是我国光学领域的一项重要的基础标准，是规范光学零件 抛光加工质量的依据。但是，随着国家光学行业技术水平的不断进步，g b1 1 8 5 7 4 己不能适应发展的需要，现行的国家标准g b1 1 8 5 8 9 光学零件表面疵病应运 而生。现行标准与旧标准相比，在内容上发生了重大的变化。旧标准是以光学零 件表面的麻点直径及数量、擦痕宽度及总长度、有效口径作为一组要素进行标准 化，而新标准是将光学零件表面疵病的总个数和面积作为标准化要素，构成其技 术要求的核心。 g b1 1 8 5 8 9 1 7 中规定表面疵病标注形式( 一般标注) 为：b g x j 其中，b 为表面疵病标号，共十个等级即0 、i 1 0 、i 一2 0 、i 一3 0 、i i 、i i i 、 、v 、和级，其中0 级“在规定检验条件下，不允许有任何疵病”、i l o 级 的最大麻点直径为0 0 1 l m m 。g 为允许的表面疵病数目，j 疵病面积的平方根， j 值在标准中则规定了1 8 个级别。这样，g 和j 可以组合成许多的系列群。所以， 现行标准的疵病分级是以总的疵病面积来进行标准化的，不管是麻点、擦痕还是 其它计入考核的疵病，均以其面积计算。其中某种疵病少一点，其它种类的疵病 就可以多一点，它们之间是互补的，只要总面积不超过规定的疵病级别所允许的 疵病面积就行了。表面疵病与光学零件的有效孔径无任何关系，也就是说，在现 行标准中，光学零件的有效孔径不再是一项标准化要素了。 2 1 2 欧洲各国标准概要 英国国家标准b s 4 3 0 1 用可见度( v i s i b i l i t 或划痕的等效线宽( l e w ) 来描述 4 重庆大学硕士学位论文 2 疵病识别的基础 疵病的严重程度【5 1 。所谓等效线宽，对于透射性元件，是指在亮场下和一些不透明 的己知线宽比较，如果两者可见度相同，则认为两者线宽等效；对于反射性元件， 是和反射基片上的一些透明的已知线宽比较。该标准把疵病分为四个等级。 对于表面疵病严重程度，德国国家标准d i n 3 1 4 0 是把疵病与一块刻有不同长度 和宽度的线条板比较而得到的面积来描述的，它没有对线宽进行限制。在用疵病 对光的偏转量来划分疵病的严重程度方面，它等同于英国的现行标准。 法国在疵病检验方面有自己独特的方法【6 l 。在暗场照明的情况下，疵病的亮像 可以通过改变引入测量场的背景光强来把疵病的可见度降为零。在背景光强一定 时，人眼刚能分辨疵病时的照射到样品上的光强与疵病的大小成反比。在实验检 验上，对于透射和反射两种情况有不同的实验安排，并且分别为之制定了五个等 级的表面划痕可见度。 2 1 3 国际标准i s o1 0 11 0 7 表面疵病公差 i s o1 0 1 1 0 总的标题称“光学和光学仪器一光学元件及系统图纸绘制”该标准文 件全面制定了用于光学加工与检验光学元件及系统的技术图纸绘制及其技术要求 的总的技术规范 7 1 。i s o1 0 1 1 0 7 部分规定了单个光学零件有效孔径内表面疵病( 擦 痕、麻点、斑点、镀膜层疵病等) 公差，以及破边公差的表示方法。确定表面疵病 公差应同时考虑功能( 对像质或零件使用寿命的影响) 和美观二方面的要求。其对各 类缺陷定义如下： 表面疵病 光学零件在加工过程中或过程后因处理不当造成的，有效孔径内局部的表面 瑕疵。表面疵病系指擦痕、麻点、开口气泡、抛光痕、划伤及斑点。还包括局部 镀膜疵病，如灰点和与膜层大部分透射或反射性能不同的色斑。 长擦痕 长度大于2 m m 的擦痕。 破边 光学零件圆周边缘上局部的瑕疵。即使破边位于有效孔径以外，它也可能对 光学系统产生不利的影响，影响零件的密封性，产生散射光或使裂纹扩大。 标记说明见表2 1 重庆大学硕士学位论文2 疵病识别的基础 表2 1i s o1 0 1 1 0 7 标记说明 t a b l e 2 1m a r ke x p l a n a t i o no f i s o1 0 11 0 - 7 5 ，一表面缺陷编码号 5 n a ；c n x a ；n 一缺陷数目 l n x a ”；e a ”a 一级数( 缺陷面积的平方根) ( 方法1 ) c 一镀膜缺陷标志 n 一镀膜缺陷数目 a i 一级数( 缺陷面积的平方根) l 一长划痕标志 n ”一长划痕数目 5 ，r v 或 a ”一长划痕宽度( r a n ) ，i v ：e a ” e 一倒棱标志 5 r v 或a ”一倒掉棱的尺寸 r v ；e a ” t 一透过检验 ( 方法2 ) v 一可见度的级数 r 一反射检验 e a 到棱，同方法1 必须指出的是，在i s o1 0 1 1 0 图纸标注中提出表面缺陷具体要求后，还应指出 用方法1 或方法2 检验，这是必须注意的，其中： 方法1 遮蔽或影响面积法( o b s c u r e do f a f f e c t e da r e am e t h o d ) 这种方法是我国相应标准推行的方法，其实质是归纳出疵病总面积值大小的 方法。 方法2 可见度法( v i s i b i l i t ym e t h o d ) 该方法是基于被检验元件表面缺陷光散射与一个参考背景照明的比较原理， 其参考背景照度用一块标准样品来调节。该方法需两套分别用于反射面和透过面 的检验装置。 从上述研究可以看出，尽管每个国家在疵病标识的具体形式不同，但是在标 准制定中有着类似的一套准则和参考值；在疵病标识的相互换算中所遵循的主要原 则是相同的；特别是国际标准i s 0 1 0 1 1 0 7 ，其两种不同的检测方式和评价、标识方 法正好有效的兼顾了各国标准。 6 重庆大学硕士学位论文 2 疵病识别的基础 2 2 国内外疵病检测方法及分析 疵病、表面粗糙度及面形偏差是光学元件质量检验的三大主要项目。随着现 代光学技术，尤其是高功率激光技术的发展，对光学元件的加工与检验提出了近 乎苛刻的要求。就检验而言，目前国内外大都根据疵病对光的散射性来检测精密 光学表面的疵病，按检测方法主要分为成像法和能量、法【卅1 1 2 1 。 成像法有目测法、虚像叠加比较法、滤波成像法和掠射法。 目测法是目前国内工程上使用最为广泛的检测方法，该方法是在暗场照明的 情况下使用光学放大镜，人工肉眼直接观测表面疵病，人工判断疵病等级。虚像 叠加比较法是将放大的疵病虚像与未放大的标准板上的线宽进行人工比较，从而 得出疵病大小。滤波成像法采用空间高通( 或低通) 滤波器，使高频为主要成分的疵 病散射光进入( 或不进入) 接收器，从而形成疵病的亮像( 或暗像) ，通过图像判明疵 病的大小。掠射法采用h e n e 激光为光源，以一定入射角和光斑大小，逐点扫描 被测面而获得整个表面的疵病图像。 目测法的检测结果受人为主观因素的影响，灵敏度低，标定比较困难。虚像 叠加比较法虽提高了1 5 3 0 倍的视觉敏锐度，但检测结果同样受到主观因素的制 约。滤波成像法能较好地抑锖, m i e 疵病结构产生的散射光，灵敏度比目测法和虚像 叠加比较法高，但由于被检测面一次成像，因此只适合检测平面。掠射法逐点扫 描成像，可以检测曲面，灵敏度高于其他几种检测方法。总的来说，成像法能直 接观察到被测表面疵病的大小和分布，可描述疵病的平面特征，但不能很好地刻 画疵病的内部特征，灵敏度能达n 1p m 左右。 能量法主要有散射光接收法和频谱分析法。 散射光接收法在3 0 5 0 0 的立体角内接收疵病散射光的能量，在此立体角内的 总能量和疵病面积的大小成线性关系，由此判断疵病的面积大小。频谱分析法由 f o u r i e r 透镜后焦平面的光强分布，获得疵病后向衍射谱的能量，从能量积分和疵 病形态的数学关系，得到疵病的大小和深度情况。能量法比成像法能更好地描述 疵病的内部特征，但检测结果不直观，其灵敏度能达n 0 5 a m 左右。 成像法和能量法各有优势，且各自的敏感疵病不同。若将两种方法结合，能 更全面地描述疵病特征和提高疵病检测灵敏度。 其他一些仪器，如隧道显微镜和原子力显微镜等能检测到纳米级的微小疵病， 但这些仪器的使用存在以下问题：第一，难以描述疵病的宏观特征；第二，检测 效率低：第三，设备费及检测费用昂贵。这些仪器可作小范围的精密检测，难以 实现工程上的应用。 7 重庆大学硕士学位论文3 精密表面疵病检测显微成像系统设计 3 精密表面疵病检测显微成像系统设计 3 1 掠入射检测原理 在疵病检测中，光的散射特性被广泛应用。对于精密表面疵病，其产生的散 射光正是表面疵病特性的一种表示方式。国内外各种疵病检测系统，大多数是围 绕着疵病对光的散射性质来设计的。在借鉴其他方法的基础上，结合实际检测环 境的要求，本系统设计了利用疵病散射光成像的光学显微散射成像体系，系统成 像得到的疵病图像为暗背景的疵病亮像，非常适合于后期数字图像处理。 图3 1 为掠入射检测表面疵病的原理图，待测表面被置于成像物镜下方，入射 光束以一定角度入射被测表面。如果被测表面是没有疵病的光滑表面时，光束以 反射定理被反射，没有光纤进入成像物镜( 见图3 1 ( a ) ) ；若被测表面有疵病缺陷( 见 图3 1 ( b ) ) ，则疵病点散射入射光，散射光进入成像物镜，此时疵病相当于“第二光 源”，此“光源”的形状和大小即是疵病的形状和大小，那么成像物镜即获得了疵病 的表层情况。 图3 1 掠入射检测表面疵病的原理图 f i g3 1 t h ed i a g r a mo f g r a z i n gi n c i d e n c em h d e f e c t sd e t e c t i o n 基于图中所示，本系统中将照射光源平均分成多束光纤光源，呈环状平均分 布在光源调整架上，调整入射角以合适的角度入射到被检表面上。环状分布的多 光束光源，使其照射效果类似于环形光源。在这种光源系统照明下，被检表面上 各个方向分布的疵病均能被观察到，在成像系统的像面上得到高质量的疵病图像。 8 重庆大学硕士学位论文 3 精密表面疵病检测显微成像系统设计 3 2 系统整体设计方案 我们要检测的对象是大口径精密元件表面。考虑多方因素，从多个角度出发， 提出了两套疵病检测的设计方案。 3 2 1 一次成像检测 精密表面疵病检测的对象是大口径精密表面，从由上面的分析，其表面上的 疵病结构非常微小且分布是局部的，因此从整个成像面的宏观结构来说，成像面 上的像绝大部分为背景光而小部分为疵病图像。从这个思考点出发，检测的方式 为： 图3 2 疵病检测基本思想1 f i 9 3 2 b a s i ci d e ao f d e f e c t sd e t e c t i o nl 9 重庆大学硕士学位论文3 精密表面疵病检测显微成像系统设计 疵病检测方法1 的基本思想是由宏观到微观的过程。假设精密光学元件本身 经过制造检测的过程，符合使用标准，在这种情况下，疵病本身较少，整个表面 多为符合要求的平面。因此，在检测过程得到的图像，多为无疵病条件下的图像。 当在整体扫描过程发现有疵病时，调整光学系统，移动到疵病附近的区域进行精 密检测，最后确定疵病的大小和种类。 3 2 2 逐次成像检测 l 根据检测要求设定检测特性 i 显微成像 l逐次显微成像 i 图像拼接 j 图像处理 i疵病识别 l i l疵病数字化评价 j 完成疵病检测 图3 3 疵病检测方法2 f i 9 3 3 b a s i ci d e ao f d e f e c t sd e t e c t i o n2 疵病检测方法2 的基本思想是，不管当前的光学元件表面质量如何，进行全 面全表面检测，通过图像处理和模式识别等过程，来判断光学元件表明疵病的分 布和大小等参数。方法2 通过预先调整检测光学部分，确定表面检测的路径和移 动方法，将全部表面分割为若干子图像，通过子图像的无缝拼接，来实现整个表 面图像的疵病识别和判断。 1 0 重庆大学硕士学位论文3 精密表面疵病检测显微成像系统设计 方法1 采用一次成像的方法，检测时间短，利用前面分析的米氏散射理论， 当入射光波长与疵病的大小尺寸相当时，其散射光能量较大，在成像面能形成较 大的像点。在这种情况下，能较为容易地发现疵病。但若检测对象的疵病较多且 分布较大的情况下，一次成像检测只能发现疵病，还需要调整检测光学系统部分 的特性，对表面疵病进行显微成像分析。因此，这种情况下相当于第二种检测方 法。 方法l 需要较为复杂的变检测分辨率的成像系统，但操作弹性较大，可望用 于在线检测中。 方法2 能对各种情况的光学表面进行检测，其重点部分在于图像处理和模式 识别方面。但是检测时阿较长。方法2 的精度相对较高，适合离线检测。 综合各种因素，我们选择第二种方案来设计检测系统。 3 3 硬件设计方案及其说明 本检测系统由照明系统、图像采集系统和扫描系统组成，如图3 4 所示。下面 对各个硬件系统组成作一个说明。 图3 4 表面疵病检测系统模型 f i 9 3 4 s u r f a c ed e f e c t sd e t e c t i o ns y s t e mm o d e l 处理计算机 重庆大学硕士学位论文3 精密表面疵病检测显微成像系统设计 3 3 1 照明系统 光源照明系统为疵病散射提供光源，光源选择的好坏氏真格检测系统有效运 行的关键环节之一。因为光照质量直接影响着表面疵病的观测，影响着疵病散射 成像的质量。 要使待测表面的到充分的照明，同时应该使被检面上受到的光照尽量均匀， 而且照明光不能太强，太强则会使元件上下表面及底部平移台的反射光太强，形 成眩光，影响成像效果。 考虑以上因素，在光源方面，我们选用l e d 环形光源，并采用柯拉照明模式。 柯拉照明的最大特点是被照表面可获得均匀亮度。柯拉照明镜头一般由前置透镜 和聚光镜组成，光源发出的光先经一个前置透镜成像于聚光镜前的可变光阑上， 光束再透过聚光镜出射。此时原来的光源光束己经经过柯拉镜头调整，减小了发 散角，提高了光照均匀性和光束准直性。 3 3 2 图像采集系统 图像采集系统包括c c d 传感器、图像采集卡以及进行图像处理的计算机。 c c d 传感器 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e 电荷耦合器件) ，它是一种特殊半导体器件，能存 储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在 c c d 内作定向传输而实现自扫描。它主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组 成。它具有光电转换、信息存贮和延时等功能，而且集成度高、功耗小，已经在 摄像、信号处理和存贮3 大领域中得到广泛的应用，尤其是在图像传感器应用方 面取得令人瞩目的发展。 c c d 有面阵和线阵之分。在线阵c c d 中，对光线敏感的微小单元( 对应于影 像的一个元素) 均匀地排列成一列，故称线阵；在面阵c c d 中，这样的微小单位均 匀地排成若干列，形成一个矩形的芯片，故称为面阵。 装有线阵c c d 的数字相机，工作原理很像扫描器，它是在c c d 的移动( 扫描) 过程中，一行一行地“拍摄”景物的。由于存在着扫描过程，所以，要求的分解力越 高，需要的曝光时间就越长。面阵c c d 由于形成了一个平面，所以可以像普通照 相机里的胶片一样，通过瞬间曝光来记录一整幅画面。 本系统中，我们选用一款性价比较高的加拿大d a l s a 公司的d a l s t a r a 3 1 2 f 黑白面阵摄像机，它的优点主要有： v g a 分辨率最高可达7 3f p s c c i r 分辨率最高可达5 3f p s l e d 信号指示灯及图像检测等附加功能便于定位错误，提高工作能力 可通过降低分辨率( a o i ) 提高采集的帧率 重庆大学硕士学位论文 3 精密表面疵病检测显微成像系统设计 可对专门区域编程 可对曝光时间进行编程 它的主要技术指标如表3 1 所示。 表3 1d a l s t a r a 3 1 2 f 主要技术指标 1 a b e l 3 1 t h em a i nt e c h n i c a li n d i c a t o r s 象素( h x vp i x e l s ) 7 8 2 x5 8 2 象素大小( 岬) 6 4 5 x 6 4 5 最大帧速率 5 3 f p s 同步外同步或1 3 9 4 总线 电源 + 8t o + 3 6v d c ( 建议1 2 v d c ) 数据输出类型 i e e e l 3 9 4 数字图像采集卡 视频采集卡( m o t i o n v i d e o c a p t u r e ) 也称为视频捕获卡，视频采集卡、或图像卡、 视频卡，它的主要功能是对输入的模拟视频信号进行采样、量化后转换为数字图 像文件。此处采集的模拟视频信号来自c c d 图像传感器。某些视频采集卡提供了 硬件压缩功能，它使用专用芯片对视频帧进行数字化压缩，可以对每秒2 5 3 0 帧、 全屏幕、全活动的视频图像进行数字化处理，这些数据在播放时再被解压缩。 视频采集卡安装在计算机扩展槽上，它可以汇集多种视频信号源的信息，如 电视机、录像机( v c r ) 、摄像机( c c d ) 的视频信息，对被捕获和采集到的画面进行 数字化、存储、输出及其他处理操作，如编辑、缩放等。一般模拟图像采集卡上 设有a d 转换芯片，其对输入信号以4 ：2 ：2 格式进行采样，然后进行量化，一般对 y 1 7 v ( 也即r g b ) 各8 位量化，则传入的视频信号转换为数字图像信号。 从视频信号源得到源信号，视频源信号首先经过a d 转换，然后送到多制式 数字解码器。视频解码器( a d c ) 是一个模数转换器，其任务是对视频信号解码和数 字化。经解码后得到的视频信号被送入视频处理芯片，对其进行剪裁等处理。视 频信息可实时的存到v r a m ( 帧存储器) 中，计算机可以通过视频处理器对帧存储器 的内容进行读写操作，帧存储器的视频像素信息读到计算机后，通过编程可以通 过各种算法完成视频图像的编辑与处理。 视频输出的r g b 信号与v g a 显示卡引过来的r g b 信号是完全同步的，用适 1 3 重庆大学硕士学位论文 3 精密表面疵病检测显微成像系统设计 当的方法交替切换两路信号，即可实现两路输出的叠加。通过上述两种方式得到 的r g b 信号经过d a c 变成模拟信号，并在显示器的窗口中显示。 由于我们选用的摄像机输出接口是i e e e l 3 9 4 标准的，所以我们选择的采集卡 是m e t e o r i i 系列专门针对这种接口进行数字视频采集的产品m e t e o r l i 一1 3 9 4 。该采 集卡主要有以下特点： 采集数字视频信号的i e e e1 3 9 4 - t o p c i 采集卡； 3 个4 0 0 m b p si e e e1 3 9 4 接口； 扩展的f i f o 保证采集到p c ； p c 机可直接对i e e e1 3 9 4 供电。 3 3 3 扫描系统 由于c c d 一次成像的大小最大直径不超过5 0 4 x3 7 5 m m ，而被检测元件的表 面口径一般都在几百毫米。因此，对于大口径表面的疵病检测，必须对全口径逐 步扫描，先同步采集孔径图像，然后在数字图像处理时实施图像拼接，才能得到 全口径的图像信息。 对于扫描系统的设计，也有两种思路。一种是在样本台上建立x y 方向上的 平移系统来进行待测表面的子孔径扫描；另一种是利用平移系统来控制c c d 相机 的移动，实现待测表面的子孔径扫描。 综合考虑硬件情况，我