王 科，劉纏牢

（西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

引 言

光學(xué)元件經(jīng)拋光加工后元件表面尚存在有麻點(diǎn)、劃痕、破點(diǎn)、開口氣泡等疵病。在精密光學(xué)系統(tǒng)中，光學(xué)元件表面疵病能引起衍射而產(chǎn)生噪聲光斑，使系統(tǒng)精確度降低。同時(shí)表面疵病還會(huì)吸收大量光能量，產(chǎn)生熱應(yīng)力，使光學(xué)元件表面甚至整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)遭受破壞。因此，對(duì)光學(xué)元件表面疵病的檢測(cè)十分必要。

目前，國內(nèi)對(duì)光學(xué)元件表面疵病的檢測(cè)方法主要是目測(cè)法［1－2］，該方法受人為主觀因素的影響存在檢測(cè)效率低，檢測(cè)周期長等問題。對(duì)于大批量光學(xué)元件的快速檢測(cè)，目視法已不能滿足實(shí)際需求。針對(duì)這一問題，根據(jù)光學(xué)元件表面疵病對(duì)光的散射特性［3］，目前已有不少基于機(jī)器視覺技術(shù)的自動(dòng)化檢測(cè)方案［3－7］。這些方案對(duì)光學(xué)元件表面疵病的檢測(cè)精度已達(dá)微米級(jí)，但是其檢測(cè)對(duì)象主要是平面光學(xué)元件，而對(duì)球面光學(xué)元件表面疵病的檢測(cè)研究還相對(duì)較少。

現(xiàn)以球面光學(xué)元件為檢測(cè)對(duì)象（口徑Φ5～Φ50mm），根據(jù)光學(xué)元件表面疵病對(duì)光的散射特性，搭建了基于機(jī)器視覺技術(shù)的球面光學(xué)元件表面疵病檢測(cè)系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)證明了該檢測(cè)系統(tǒng)能夠有效地檢測(cè)球面光學(xué)元件表面上的疵病。

1 檢測(cè)系統(tǒng)原理

采用基于散射法的光學(xué)元件表面疵病檢測(cè)的方法，原理如圖1所示，平行光以一定的角度斜入射至光學(xué)元件表面，若無疵病時(shí)（見圖1（a）），入射的平行光經(jīng)反射后仍以平行光出射；若有疵病存在時(shí)（見圖1（b）），平行光照射在疵病表面，產(chǎn)生的散射光進(jìn)入光學(xué)成像系統(tǒng)（相機(jī)），通過成像系統(tǒng)對(duì)疵病成像，從而達(dá)到檢測(cè)疵病的目的。

圖1 檢測(cè)原理Fig.1 Detection principle

2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)裝置

檢測(cè)裝置如圖2所示，由CCD相機(jī)、光源、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、計(jì)算機(jī)組成。

計(jì)算機(jī)控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)光學(xué)元件自轉(zhuǎn)的同時(shí)成像系統(tǒng)按虛線方向擺動(dòng)，通過協(xié)調(diào)這兩種運(yùn)動(dòng)來完成對(duì)整個(gè)光學(xué)元件表面的掃描，進(jìn)而獲得被測(cè)件表面的疵病圖像信息。最后將采集到的疵病圖像通過圖像處理得出其尺寸。

2.2 掃描檢測(cè)原理

如圖2所示，將光源環(huán)形分布在成像系統(tǒng)四周，光源發(fā)出的光會(huì)聚成一光斑（光斑尺寸要大于物方視場(chǎng)）斜入射至光學(xué)元件表面，光學(xué)元件表面的疵病接收到入射光后會(huì)產(chǎn)生散射光。透鏡在旋轉(zhuǎn)臺(tái)的帶動(dòng)下以一定的速度旋轉(zhuǎn)，從而使光斑掃描范圍覆蓋透鏡的一個(gè)圓環(huán)面，掃描完后將整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)按虛線方向擺動(dòng)，光斑在透鏡表面也移動(dòng)一段距離，但整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的工作距離不變。然后再旋轉(zhuǎn)透鏡，光斑又掃描至下一個(gè)圓環(huán)面，如此往復(fù)，直至掃描完整個(gè)透鏡表面。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)Fig.2 Detection system

2.3 成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光源的好壞對(duì)疵病成像質(zhì)量的影響是非常重要的。本文采用穩(wěn)定性和均勻性較好的LED點(diǎn)光源，光源顏色為白色，輸出功率為3W。光源加裝克拉鏡頭，提高輸出光斑的均勻性，采用斜入射照明的方式照射光學(xué)元件表面的疵病。

檢測(cè)系統(tǒng)要求被檢測(cè)元件表面疵病的尺寸在1μm左右，故成像系統(tǒng)的橫向分辨率必須小于1μm，為達(dá)到精度要求，系統(tǒng)需采用顯微成像原理來檢測(cè)疵病。顯微成像會(huì)放大疵病像的尺寸，若放大倍率太大會(huì)導(dǎo)致成像系統(tǒng)的物方視場(chǎng)太?。z測(cè)范圍太?。瑱z測(cè)時(shí)間長，數(shù)據(jù)量大，達(dá)不到快速檢測(cè)的目的。基于上述問題，實(shí)驗(yàn)選用了放大倍率為4.5倍的單筒顯微鏡。顯微物鏡的數(shù)值孔徑NA＝0.13，在白色LED光源的照射下，系統(tǒng)分辨率σ≈2.6μm，在這種情況下是不能分辨1μm大小目標(biāo)的，但系統(tǒng)采用斜入射照明的方式，使疵病產(chǎn)生的散射像相對(duì)疵病本身有一個(gè)放大作用。因此，成像系統(tǒng)能夠達(dá)到所需的檢測(cè)精度。當(dāng)光學(xué)元件表面疵病的尺寸為1μm時(shí)，經(jīng)鏡頭放大4.5倍后為4.5μm。CDD的分辨率要小于4.5μm，由奈奎斯特成像原理可得CCD的像原尺寸最大為2.2μm。故選用像元尺寸為2.2μm，有效像素為2 592×1 944，芯片尺寸為1／2.5英寸的面陣黑白CCD并帶有Camera Link千兆網(wǎng)線接口，整個(gè)成像系統(tǒng)的物方視場(chǎng)為Φ4mm。

3 影響疵病成像質(zhì)量的因素分析

3.1 光源入射角的變化對(duì)疵病成像對(duì)比度的影響

在實(shí)驗(yàn)中分析了光照角度的變化對(duì)疵病成像對(duì)比度的影響。針對(duì)同一個(gè)疵病在光源與鏡頭的夾角分別在20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°的不同方向測(cè)得光學(xué)元件反射至成像系統(tǒng)的光照度大小，兩者構(gòu)成的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示：

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著光源入射角度α（圖2）的變大，成像系統(tǒng)接收到的光能量減小，成像系統(tǒng)對(duì)疵病成像的對(duì)比度效果逐漸減弱，如圖4和圖5所示。

圖3 光照角度與成像系統(tǒng)接收到光照大小的關(guān)系圖Fig.3 Relationship diagram between illumination angle and received light intensity

圖4 在30°時(shí)拍攝到的劃痕Fig.4 Scratch in 30°

圖5 在70°時(shí)拍攝到的劃痕Fig.5 Scratch in 70°

引起該現(xiàn)象的主要原因是隨著角度的增大入射光無法進(jìn)入劃痕疵病內(nèi)部，疵病不能產(chǎn)生散射光，造成成像系統(tǒng)不能采集到疵病的像。

光源的入射角度α在0～20°的范圍內(nèi)時(shí)，CCD拍攝到一副全白的圖像。說明在這段角度內(nèi)有大量的光被透鏡反射回到CCD，反射回的光強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于疵病的散射光強(qiáng)。此時(shí)無法辨別疵病的存在。因此，光源入射角選取30°時(shí)能較好地獲取清晰的圖像。

3.2 光強(qiáng)大小對(duì)疵病成像的影響

光源的照度在5×105lx，照射距離為50mm，照明光斑直徑為6mm時(shí)，在0～90°的照射范圍內(nèi)均無法采集到疵病的散射光所成的像。實(shí)驗(yàn)證明，過強(qiáng)的光強(qiáng)使得雜散光過多地進(jìn)入成像系統(tǒng)內(nèi)掩蓋了疵病的散射光，因此無法辨別疵病的存在；而在照射距離和照明光斑大小不變的情況下，光源照度減小到6×102lx時(shí)，在0～90°的照射范圍內(nèi)也無法采集到疵病的散射光。其原因是疵病的散射光強(qiáng)小于CCD所能探測(cè)的最小靈敏度。由此實(shí)驗(yàn)中選用的照度達(dá)4.3×104lx，照射距離為50mm，照明光斑直徑為6mm的光照條件。

3.3 檢測(cè)系統(tǒng)所能檢測(cè)球面曲率半徑

由于檢測(cè)對(duì)象為球面光學(xué)元件，其面形的曲率變化會(huì)影響表面疵病的成像質(zhì)量，根據(jù)成像系統(tǒng)的景深，視場(chǎng)和曲率半徑關(guān)系為：

式中，R為光學(xué)元件的曲率半徑，d為成像系統(tǒng)的景深，H為視場(chǎng)半徑，其中景深d和視場(chǎng)半徑H是對(duì)應(yīng)變化的。經(jīng)過計(jì)算可得檢測(cè)系統(tǒng)能檢測(cè)到的光學(xué)元件曲率半徑最小為4mm。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 光學(xué)元件表面疵病的標(biāo)定

為了對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，在檢測(cè)前對(duì)疵病進(jìn)行了標(biāo)定。選取劃痕作為標(biāo)本，用電子顯微鏡進(jìn)行觀察，測(cè)量得到其寬度為8μm。如圖6所示：

將標(biāo)定好的疵病放入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行檢測(cè)，如圖7所示為檢測(cè)系統(tǒng)所拍攝到的劃痕散射圖像。

圖6 電子顯微鏡所拍劃痕寬度Fig.6 Scratch width taken by electron microscope

圖7 檢測(cè)系統(tǒng)所拍劃痕散射圖像Fig.7 Scratch scattering image taken by detection system

4.2 疵病特征值的計(jì)算

在計(jì)算疵病特征值前，需先對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)所拍的散射圖像進(jìn)行預(yù)處理［8］，該過程包括了中值濾波，邊緣檢測(cè)，二值化的處理。

圖像的預(yù)處理能濾除圖像中存在的噪聲和不必要的信息，簡化特征值提取時(shí)的工作量并可提高特征值提取的精度。圖8是系統(tǒng)采集到的疵病原始圖，圖9為對(duì)圖8的直接進(jìn)行二值化處理的結(jié)果，從圖中可以看出劃痕周圍有很多噪聲點(diǎn)存在，不利于后續(xù)特征值的提取。圖10則用原始圖經(jīng)過預(yù)處理后的二值圖，與圖9相比劃痕周圍的噪聲點(diǎn)明顯減少，利于特征值的計(jì)算。因此，對(duì)系統(tǒng)采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理是不可或缺的。

圖8 原始圖Fig.8 Original diagram

圖9 直接二值化圖Fig.9 Binarization figure

圖10 預(yù)處理后圖Fig.10 Pretreatment diagram

經(jīng)圖像預(yù)處理后，采用劃痕寬度的近似算法計(jì)算其特征值［9］，經(jīng)過對(duì)疵病樣品多次實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，由拋光磨砂顆粒形成的劃痕疵病，其形狀都近似直線。利用歐氏距離的算法計(jì)算疵病長度，再用MATLAB獲得二值圖像的面積，這里的面積可以理解為圖像中像素灰度值為1的像素個(gè)數(shù)。根據(jù)上面算出的劃痕的長度和面積，最終得出劃痕的寬度為9.6μm。

5 結(jié)論及分析

針對(duì)球面光學(xué)元件表面上的疵病，設(shè)計(jì)了基于散射成像原理的檢測(cè)系統(tǒng)。通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)口徑為Φ14mm，曲率半徑為13mm的球面光學(xué)元件表面疵病進(jìn)行了檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測(cè)系統(tǒng)可對(duì)球面光學(xué)元件樣品表面10μm以下的疵病進(jìn)行有效的檢測(cè)。

該檢測(cè)方法也存在一些不足的之處：CCD的量化誤差，顯微物鏡的橫向放大倍率誤差，以及掃描運(yùn)動(dòng)帶來的誤差都是影響測(cè)量精度的主要因素，在預(yù)處理后的圖像連續(xù)性和特征值提取方法上的誤差也是不能忽視的因素，針對(duì)這些問題在后續(xù)的工作中還需要進(jìn)一步的研究，以不斷提高該檢測(cè)系統(tǒng)的精度。

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