球面光学元件表面疵病检测技术研究

1、球面光学元件表面疵病检测技术研究 摘要： 针对现有球面光学元件表面疵病检测技术研究较少的情况，根据疵病对光的散射特性，提出了一种基于机器视觉技术检测球面光学元件表面疵病的方法。实验分析了光照角度、光强大小和球面光学元件曲率半径对疵病散射光成像质量的影响。并对口径为14 mm，曲率半径为13 mm的球面光学元件表面进行了检测，实验表明，该技术对元件样品上10 m以下的表面疵病可进行有效的检测。 关键词： 球面光学元件； 表面疵病； 散射光； 机器视觉 中图分类号： u 472.9文献标识码： adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2013.02.002 引言光学元件经抛光加

2、工后元件表面尚存在有麻点、划痕、破点、开口气泡等疵病。在精密光学系统中，光学元件表面疵病能引起衍射而产生噪声光斑，使系统精确度降低。同时表面疵病还会吸收大量光能量，产生热应力，使光学元件表面甚至整个光学系统遭受破坏。因此，对光学元件表面疵病的检测十分必要。目前，国内对光学元件表面疵病的检测方法主要是目测法12，该方法受人为主观因素的影响存在检测效率低，检测周期长等问题。对于大批量光学元件的快速检测，目视法已不能满足实际需求。针对这一问题，根据光学元件表面疵病对光的散射特性3，目前已有不少基于机器视觉技术的自动化检测方案37。这些方案对光学元件表面疵病的检测精度已达微米级，但是其检测对象主要是平

3、面光学元件，而对球面光学元件表面疵病的检测研究还相对较少。现以球面光学元件为检测对象（口径550 mm），根据光学元件表面疵病对光的散射特性，搭建了基于机器视觉技术的球面光学元件表面疵病检测系统，并通过实验证明了该检测系统能够有效地检测球面光学元件表面上的疵病。1检测系统原理采用基于散射法的光学元件表面疵病检测的方法，原理如图1所示，平行光以一定的角度斜入射至光学元件表面，若无疵病时（见图1（a），入射的平行光经反射后仍以平行光出射；若有疵病存在时（见图1（b），平行光照射在疵病表面，产生的散射光进入光学成像系统（相机），通过成像系统对疵病成像，从而达到检测疵病的目的。图1检测原理 fig.1

4、detection principle 2检测系统设计 2.1检测装置检测装置如图2所示，由ccd相机、光源、转动装置、计算机组成。光学仪器第35卷 第2期王科，等：球面光学元件表面疵病检测技术研究 图2检测系统 fig.2detection system计算机控制旋转台转动带动光学元件自转的同时成像系统按虚线方向摆动，通过协调这两种运动来完成对整个光学元件表面的扫描，进而获得被测件表面的疵病图像信息。最后将采集到的疵病图像通过图像处理得出其尺寸。 2.2扫描检测原理如图2所示，将光源环形分布在成像系统四周，光源发出的光会聚成一光斑（光斑尺寸要大于物方视场）斜入射至光学元件表面，光学元件表面的

5、疵病接收到入射光后会产生散射光。透镜在旋转台的带动下以一定的速度旋转，从而使光斑扫描范围覆盖透镜的一个圆环面，扫描完后将整个光学系统按虚线方向摆动，光斑在透镜表面也移动一段距离，但整个光学系统的工作距离不变。然后再旋转透镜，光斑又扫描至下一个圆环面，如此往复，直至扫描完整个透镜表面。 2.3成像系统设计光源的好坏对疵病成像质量的影响是非常重要的。本文采用稳定性和均匀性较好的 led点光源，光源颜色为白色，输出功率为3 w。光源加装克拉镜头，提高输出光斑的均匀性，采用斜入射照明的方式照射光学元件表面的疵病。检测系统要求被检测元件表面疵病的尺寸在1 m左右，故成像系统的横向分辨率必须小于1 m，为

6、达到精度要求，系统需采用显微成像原理来检测疵病。显微成像会放大疵病像的尺寸，若放大倍率太大会导致成像系统的物方视场太小（检测范围太小），检测时间长，数据量大，达不到快速检测的目的。基于上述问题，实验选用了放大倍率为4.5倍的单筒显微镜。显微物镜的数值孔径na=0.13，在白色led光源的照射下，系统分辨率2.6 m，在这种情况下是不能分辨1 m大小目标的，但系统采用斜入射照明的方式，使疵病产生的散射像相对疵病本身有一个放大作用。因此，成像系统能够达到所需的检测精度。当光学元件表面疵病的尺寸为1 m时，经镜头放大4.5倍后为4.5 m。cdd的分辨率要小于4.5 m，由奈奎斯特成像原理可得ccd

7、的像原尺寸最大为2.2 m。故选用像元尺图3光照角度与成像系统 接收到光照大小的关系图 fig.3relationship diagram between illumination angle and received light intensity寸为2.2 m，有效像素为2 5921 944，芯片尺寸为1/2.5英寸的面阵黑白ccd并带有camera link千兆网线接口，整个成像系统的物方视场为4 mm。3影响疵病成像质量的因素分析 3.1光源入射角的变化对疵病成像对比度的影响在实验中分析了光照角度的变化对疵病成像对比度的影响。针对同一个疵病在光源与镜头的夹角分别在20、30、40、50、60、70、80的不同方向测得光学元件反射至成像系统的光照度大小，两者构成的对应关系如图3所示：通过实验发现随着光源入射角度（图2）的变大，成像系统接收到的光能量减小，成像系统对疵病成像的对比度效果逐渐减弱，如图4和图5所示。 图4在30时拍摄到的划痕 fig.4scratch in 30 图5在70时拍摄到的划痕 fig.5scratch in 70 引起该现象的主要原因是随着角度的增大入射光无法进入划痕疵病内部，疵病不能产生散射光，造成成像系统不能采集到疵病的像