球面光學(xué)元件表面疵病檢測技術(shù)研究＊

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、劃痕、破點、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。同時表面疵病還會吸收大量光能量，產(chǎn)生熱應(yīng)力，使光學(xué)元件表面甚至整個光學(xué)系統(tǒng)遭受破壞。因此，對光學(xué)元件表面疵病的檢測十分必要。

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

現(xiàn)以球面光學(xué)元件為檢測對象（口徑Φ5～Φ50mm），根據(jù)光學(xué)元件表面疵病對光的散射特性，搭建了基于機器視覺技術(shù)的球面光學(xué)元件表面疵病檢測系統(tǒng)，并通過實驗證明了該檢測系統(tǒng)能夠有效地檢測球面光學(xué)元件表面上的疵病。

1 檢測系統(tǒng)原理

采用基于散射法的光學(xué)元件表面疵病檢測的方法，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（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（見圖1（b）），平行光照射在疵病表面，產(chǎn)生的散射光進入光學(xué)成像系統(tǒng)（相機），通過成像系統(tǒng)對疵病成像，從而達到檢測疵病的目的。

圖1 檢測原理Fig.1 Detection principle

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 檢測裝置

檢測裝置如圖2所示，由CCD相機、光源、轉(zhuǎn)動裝置、計算機組成。

計算機控制旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動帶動光學(xué)元件自轉(zhuǎn)的同時成像系統(tǒng)按虛線方向擺動，通過協(xié)調(diào)這兩種運動來完成對整個光學(xué)元件表面的掃描，進而獲得被測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)出的光會聚成一光斑（光斑尺寸要大于物方視場）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產(chǎn)生散射光。透鏡在旋轉(zhuǎn)臺的帶動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圓環(huán)面，掃描完后將整個光學(xué)系統(tǒng)按虛線方向擺動，光斑在透鏡表面也移動一段距離，但整個光學(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圓環(huán)面，如此往復(fù)，直至掃描完整個透鏡表面。

圖2 檢測系統(tǒng)Fig.2 Detection system

2.3 成像系統(tǒng)設(shè)計

光源的好壞對疵病成像質(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。

檢測系統(tǒng)要求被檢測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，為達到精度要求，系統(tǒng)需采用顯微成像原理來檢測疵病。顯微成像會放大疵病像的尺寸，若放大倍率太大會導(dǎo)致成像系統(tǒng)的物方視場太小（檢測范圍太小），檢測時間長，數(shù)據(jù)量大，達不到快速檢測的目的。基于上述問題，實驗選用了放大倍率為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)生的散射像相對疵病本身有一個放大作用。因此，成像系統(tǒng)能夠達到所需的檢測精度。當(dāng)光學(xué)元件表面疵病的尺寸為1μm時，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，整個成像系統(tǒng)的物方視場為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疵病成像對比度的影響

在實驗中分析了光照角度的變化對疵病成像對比度的影響。針對同一個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)成的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示：

通過實驗發(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)對疵病成像的對比度效果逐漸減弱，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°時拍攝到的劃痕Fig.4 Scratch in 30°

圖5 在70°時拍攝到的劃痕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，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，反射回的光強遠遠大于疵病的散射光強。此時無法辨別疵病的存在。因此，光源入射角選取30°時能較好地獲取清晰的圖像。

3.2 光強大小對疵病成像的影響

光源的照度在5×105lx，照射距離為50mm，照明光斑直徑為6mm時，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。實驗證明，過強的光強使得雜散光過多地進入成像系統(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，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小于CCD所能探測的最小靈敏度。由此實驗中選用的照度達4.3×104lx，照射距離為50mm，照明光斑直徑為6mm的光照條件。

3.3 檢測系統(tǒng)所能檢測球面曲率半徑

由于檢測對象為球面光學(xué)元件，其面形的曲率變化會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為視場半徑，其中景深d和視場半徑H是對應(yīng)變化的。經(jīng)過計算可得檢測系統(tǒng)能檢測到的光學(xué)元件曲率半徑最小為4mm。

4 實驗結(jié)果

4.1 光學(xué)元件表面疵病的標(biāo)定

為了對檢測結(jié)果進行評定，在檢測前對疵病進行了標(biāo)定。選取劃痕作為標(biāo)本，用電子顯微鏡進行觀察，測量得到其寬度為8μm。如圖6所示：

將標(biāo)定好的疵病放入實驗平臺進行檢測，如圖7所示為檢測系統(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 疵病特征值的計算

在計算疵病特征值前，需先對檢測系統(tǒng)所拍的散射圖像進行預(yù)處理［8］，該過程包括了中值濾波，邊緣檢測，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為對圖8的直接進行二值化處理的結(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明顯減少，利于特征值的計算。因此，對系統(tǒng)采集到的圖像進行預(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算其特征值［9］，經(jīng)過對疵病樣品多次實驗觀察發(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

針對球面光學(xué)元件表面上的疵病，設(shè)計了基于散射成像原理的檢測系統(tǒng)。通過搭建實驗平臺，并對口徑為Φ14mm，曲率半徑為13mm的球面光學(xué)元件表面疵病進行了檢測，實驗結(jié)果表明，該檢測系統(tǒng)可對球面光學(xué)元件樣品表面10μm以下的疵病進行有效的檢測。

該檢測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，以及掃描運動帶來的誤差都是影響測量精度的主要因素，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，針對這些問題在后續(xù)的工作中還需要進一步的研究，以不斷提高該檢測系統(tǒng)的精度。

［1］ 戴民奎，徐德衍.光學(xué)元件的疵病檢測與研究現(xiàn)狀［J］.光學(xué)儀器，1998，18（3）：33－36.

［2］ BAKER L R.Inspection of surface flaws by comparator microscopy［J］.ApplOpt，1988，27（22）：4620－4625.

［3］ 楊甬英，陸春華，梁 蛟，等.光學(xué)元件表面缺陷的顯微散射暗場成像及數(shù)字化評系統(tǒng)［J］.光學(xué)學(xué)報，2007，27（6）：1031－1038.

［4］ HUARD A.Visibility method to classify microscopic surface defect for both reflection and transmission system［J］.SPIE，1985，525：36－42.

［5］ 李艾星，楊天飴，張穎.基于機器視覺的精密光學(xué)元件表面疵病識別初步研究［J］.重慶郵電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，19（4）：442－445.

［6］ 王 雪，謝志江，孫紅顏，等.大口徑精密光學(xué)元件表面疵病檢測系統(tǒng)研究［J］.儀器儀表學(xué)報，2006，27（10）：1262－1265.

［7］ 程曉峰，徐 旭，張 林，等.基于高分辨率的大口徑光學(xué)元件疵病檢測［J］.強激光與粒子束，2009，21（11）：1678－1680.

［8］ 高 文，陳熙林.計算機視覺算法與系統(tǒng)原理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1999.

［9］ 汪鳳全，楊甬英，孫丹丹.精密表面缺陷的數(shù)字化檢測系統(tǒng)研究［J］.光學(xué)儀器，2006，28（3）：71－75.