[发明专利]一种大曲率半径球面光学元件自动化位姿调整方法与装置

说明书

本发明公开了一种大曲率半径球面光学元件自动化位姿调整方法与装置。本发明利用高倍显微镜对大曲率半径球面光学元件表面沿竖直和水平两条正交直径的四个边缘特征点分别进行对焦到离焦的连续多幅暗场灰度图像采集，计算图像Tenengrad算子值，拟合Tenengrad算子值与高倍显微镜轴向移动量曲线，依据图像Tenengrad算子极值判据搜寻正焦位置，获得各特征点空间坐标；通过建立特征点与调整装置空间数学模型，将四特征点空间坐标转换为俯仰和自旋两维调整量，进行位姿调整操作。本发明解决了大曲率半径球面光学元件在显微镜全口径扫描检测过程中出现的因光学元件光轴与显微镜光轴不平行以及球面光学元件矢高变化超出显微镜景深范围而造成的离焦问题。

技术领域

本发明涉及一种大曲率半径球面光学元件高精度自动化位姿调整方法，以及该方法对应使用的位姿调整装置。

背景技术

在惯性约束聚变(ICF)系统中，大曲率半径(R4m)球面光学元件被广泛应用。例如常用的反射镜尺寸达到口径430mm，在对其表面微米级缺陷检测时，需要进行暗场显微散射成像的全口径扫描采集，再利用高倍显微镜精确定位并提取缺陷特征。由于使用的高倍显微镜景深范围通常只有10到20微米，如果被测球面光学元件光轴与显微镜光轴不平行，在高倍定位提取特征时就会出现定位不准、无法准确采集特征或者即使找到特征，两光轴不平行引入的位姿误差使焦平面超出高倍显微镜景深范围而离焦的情况，都会对缺陷的精确定位和评价造成影响。因此，需要设计一种适用于大曲率半径球面光学元件的高精度、自动化位姿调整方法与装置，在缺陷检测的全口径扫描之前，消除位姿误差带来的影响。

由于平面与球面面形的差别，目前平面光学元件常用的位姿调整方法无法适用于大曲率半径球面，需要根据其面形特性设计一种新的位姿调整方法和装置。另外，对于一些口径较大、曲率半径较小(但仍大于4m)的球面光学元件，其矢高无法被显微镜的景深范围覆盖，即使经过自动化位姿调整后显微镜光轴已对准待测球面元件，在扫描采集子孔径图像的过程中，仍会出现部分子孔径图像离焦的情况，为解决上述问题，还需要设计一种配合的扫描方法和显微镜恒工作距离控制方法，使大曲率半径球面元件在扫描采集时始终保持在显微镜的景深范围内避免离焦，从而始终成清晰的子孔径图像。

发明内容

本发明的目的是为解决大曲率半径(大于4m)球面光学元件表面缺陷的检测过程中，由于大曲率半径球面光学元件倾斜而造成采集到的部分子孔径超出显微镜的景深范围，导致像面离焦，提供一种大曲率半径球面光学元件自动化位姿调整方法与装置，使显微镜光轴对准待测球面元件；对于一些口径较大、曲率半径较小(但仍大于4m)的球面光学元件，在扫描采集子孔径图像的过程中仍会出现部分子孔径图像离焦的情况，提供一种“回”形扫描和显微镜恒工作距离控制方法，使大曲率半径球面元件在扫描采集时始终保持在显微镜的景深范围内避免离焦，从而始终成清晰的子孔径图像。

一种大曲率半径球面光学元件自动化位姿调整方法，步骤如下：

步骤1、利用高倍显微镜和CCD相机成像，移动XY方向二维导轨在大曲率半径球面光学元件表面寻找到第一表面特征点；所述的表面特征点指大曲率半径球面光学元件表面边缘的疵病、擦痕等具有信息特征的点；

步骤2利用高倍显微镜对第一表面特征点进行等步长连续多幅暗场灰度图像采集；所述的暗场灰度图像是指用高亮度环形LED冷光源发射的平行光束照射大曲率半径球面光学元件表面的第一表面特征点产生散射光线，散射光线被高倍显微镜和CCD相机收集所形成暗场灰度图像；

步骤3选取暗场灰度图像中合适的区域进行灰度图像边缘算子：Tenengrad算子F值的计算；所述的暗场灰度图像中合适的区域指待测球面元件被采集的图像视场中，由于球面的弯曲程度超过显微光学系统的景深范围而造成一个图像视场中有清晰和模糊像的不同区域，选取处理效果好的清晰区域进行计算；所述的Tenengrad算子F由下式表示：

其中