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《强光光学元件表面疵病在位检测系统设计与评价方法研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
分类号TH741学号13033149ＵＤＣ密级公开工学硕士学位论文强光光学元件表面疵病在位检测系统设计与评价方法研究硕士生姓名张桐学科专业机械工程研究方向精密工程与计算机控制指导教师王贵林副教授国防科学技术大学研究生院二〇一五年十一月 DesignofOn-machineMeasuringSystemandStudyonEvaluationMethodofSurfaceDefectsonHigh-powerOpticalElementsCandidate：ZhangTongSupervisor：WangGuilinAdissertationSubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringinMechanicalEngineeringGraduateSchoolofNationalUniversityofDefenseTechnologyChangsha，Hunan，P.R.China（November，2015） 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文目录摘要.................................................................................................................iABSTRACT.........................................................................................................ii第一章绪论......................................................................................................11.1课题的来源与意义.........................................................................................11.1.1课题的来源..........................................................................................11.1.2课题研究的背景与意义......................................................................11.2国内外研究现状.............................................................................................31.2.1国外研究现状......................................................................................41.2.2国内研究现状......................................................................................51.3论文的主要研究内容.....................................................................................7第二章光学元件表面疵病在位检测系统设计....................................................82.1在位检测系统总体结构设计.........................................................................82.2图像采集系统设计.........................................................................................92.3照明系统设计...............................................................................................102.3.1设计要求分析....................................................................................102.3.2镜筒布局设计....................................................................................102.3.3光源选型分析....................................................................................112.3.4照明仿真分析....................................................................................122.4光束优化设计...............................................................................................142.4.1镜筒定心装配....................................................................................142.4.2单光束优化设计................................................................................152.4.3多光束优化设计................................................................................152.5本章小结.......................................................................................................17第三章疵病检测系统性能影响因素分析.........................................................193.1照明系统误差分析.......................................................................................193.1.1镜筒加工误差对照明性能的影响分析............................................193.1.2装调装置变形量对照明性能的影响分析........................................203.2预紧螺栓强度安全性分析...........................................................................233.2.1上支撑板预紧螺栓安全性分析........................................................233.2.2下支撑板预紧螺栓安全性分析........................................................243.3检测区域光照性能分析...............................................................................253.3.1疵病散射强度分析与验证................................................................25第I页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文3.3.2CCD光照强度分析..........................................................................263.4本章小结......................................................................................................26第四章疵病检测图像处理和识别....................................................................284.1疵病图像预处理...........................................................................................284.1.1疵病图像去不均匀光照处理............................................................284.1.2疵病图像对比度增强处理................................................................304.1.3疵病图像阈值分割设计....................................................................314.2典型疵病特征识别与分析...........................................................................324.2.1疵病图像单位像素尺寸计算............................................................324.2.2疵病目标分类识别............................................................................334.2.3疵病识别结果分析............................................................................344.3本章小结.......................................................................................................35第五章疵病检测实验分析..............................................................................365.1疵病在位检测系统工作条件分析...............................................................365.2疵病定标实验分析.......................................................................................375.3K9光学元件疵病检测与分析.....................................................................415.4大口径平面硅镜疵病检测与分析...............................................................425.5球面透镜疵病检测与分析...........................................................................445.5.1相对口径对疵病检测的影响分析....................................................445.5.2景深对疵病检测的影响分析............................................................455.6本章小结.......................................................................................................48第六章总结与展望.........................................................................................506.1全文总结.......................................................................................................506.2研究展望.......................................................................................................51致谢..............................................................................................................52参考文献...........................................................................................................54作者在学期间取得的学术成果...........................................................................57第II页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文表目录表1.1英国国家标准表面疵病评价等级....................................................................4表1.2美国国家标准表面疵病评价对照表................................................................4表2.1一定长度和宽度条件下对应的镜筒间隙......................................................11表2.2不同距离对应的成像光斑最高照度和均匀性范围......................................17表3.1单光束照射时结构参数波动对应的最高光照强度和均匀性范围..............20表4.1疵病类别评定表..............................................................................................33表4.2疵病图像1的识别结果..................................................................................35表4.3疵病图像2的识别结果..................................................................................35表5.1疵病的实际尺寸..............................................................................................39表5.2疵病图像的识别结果......................................................................................40表5.3划痕散射成像后的长度对比..........................................................................40表5.4K9光学元件疵病图像的识别结果................................................................42表5.5硅镜疵病图像的识别结果..............................................................................44表5.6球面透镜中心区域疵病图像的识别结果......................................................48第III页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图目录图1.1表面疵病中划痕的表现形式............................................................................2图1.2SIF-4表面疵病检查仪......................................................................................5图1.3浙江大学表面疵病数字化检测的原理图........................................................6图1.4重庆大学表面疵病检测装置结构....................................................................6图1.5条形光源分布示意图........................................................................................7图2.1大口径光学元件表面疵病在位检测系统结构布局........................................8图2.2选用的变倍镜头和CCD器件..........................................................................9图2.3在位检测系统镜筒布局..................................................................................11图2.4OSLANLED光源图及其照度图...................................................................12图2.5Zemax序列照明仿真图..................................................................................13图2.6Zemax非序列照明三维追迹图......................................................................13图2.7照明系统在检测区域的光斑..........................................................................13图2.8镜筒在激光准直和装配台上进行定心装配..................................................14图2.9单光束Zemax非序列照明三维追迹图.........................................................15图2.10单光束成像光斑照度图................................................................................15图2.1113束光束三维仿真图...................................................................................16图2.1213束光束的成像光斑照度图.......................................................................17图3.1镜筒..................................................................................................................19图3.2照明系统的组成结构......................................................................................20图3.3显微镜和CCD偏转示意图............................................................................21图3.4上支撑板变形图..............................................................................................22图3.5下支撑板变形图..............................................................................................22图3.6光源偏移时对应的成像光斑照度图..............................................................23图3.7上支撑板受力分析..........................................................................................23图3.8下支撑板受力分析..........................................................................................24图3.9750mA电流时13束LED光源照度图.........................................................25图3.10LED光源控制器...........................................................................................26图3.11分度板划线检测图样....................................................................................26图4.1疵病检测图像处理和识别流程......................................................................28图4.2ToneMapping算法处理前后的图像.............................................................29图4.3Retinex算法处理前后的图像.........................................................................31图4.4中值滤波处理前后的图像..............................................................................31第IV页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图4.5阈值分割后的图像..........................................................................................32图4.6疵病检测刻度图片..........................................................................................33图4.7表面疵病图像处理与识别软件界面..............................................................34图4.8采集的疵病图像..............................................................................................34图5.1研制的表面疵病在位检测系统实物图..........................................................36图5.2不同空心距离对应的CCD表面图像............................................................37图5.3原子力显微镜检测光学元件的表面疵病......................................................38图5.4原子力显微镜检测的疵病形貌特征..............................................................39图5.5疵病成像宽度与实际宽度的拟合曲线..........................................................40图5.6疵病在位检测系统测得的划痕图像..............................................................41图5.7疵病在位检测系统对Φ100mmK9光学元件进行测试...............................42图5.8K9光学元件表面疵病的拼接图像................................................................42图5.9疵病在位检测系统对Φ280mm硅镜进行测试.............................................43图5.10硅镜表面疵病的拼接图像............................................................................43图5.11准直光入射深度的均匀性范围....................................................................44图5.12待检测的球面透镜........................................................................................45图5.13球径仪测球面透镜的曲率半径....................................................................45图5.14CCD采集球面图像的几何关系图...............................................................46图5.15X轴处于不同距离时对应的矢高差............................................................47图5.16Y轴处于不同距离时对应的矢高差............................................................47图5.17球面透镜表面疵病的拼接图像....................................................................48图5.18正对球面透镜对称中心入射时的检测图像................................................48第V页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文摘要在强光工作条件下，表面疵病对光学元件的影响主要表现为散射，将引起光能消耗、薄膜层损伤等危害，严重影响系统性能。因此在强光光学元件的加工和应用中，表面疵病的检测越来越受到重视。目前国内外现有仪器主要是针对小口径平面光学元件进行离线检测，难以满足使用需求。根据强光光学元件表面质量的要求，本文以精密机床为运动平台，基于显微暗场散射成像方法，建立了光学加工表面疵病检测装置以及对应的图像处理、识别与评价方法，以实现大口径非平面光学元件微米级疵病的在位检测。主要研究工作包括：1）以精密机床为运动平台，通过对均匀照明系统、显微成像系统、图像采集与处理系统等组成模块进行规划、选型和设计，完成强光光学元件表面疵病在位检测系统设计，满足检测范围、面形和精度要求；2）通过研究加工误差和装调装置变形量对照明性能的影响、关键结构件的安全性、检测区域的光照强度，完成疵病检测系统性能的影响因素分析，满足图像采集和疵病清晰成像的要求；3）对疵病检测图像进行去不均匀光照和对比度增强处理，达到抑噪和二值化要求，通过算法设计实现疵病图像的识别与统计输出；4）在对表面疵病在位检测系统成像尺寸和实际尺寸进行标定的基础上，完成不同材料、不同口径、不同面形光学元件表面疵病的测试实验与评价分析。关键词：疵病检测；光学元件；散射成像；图像处理；在位检测第i页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文ABSTRACTTheinfluenceofsurfacedefectsonopticalelementsismainlycharacterizedbyscatteringontheconditionofhighlightirradiation,whichwillcausesomeharm,includingtheenergyconsumptionandthedamageoffilmlayer,andthiswillleadtoseriousimpactsontheperformancesofimagingsystem.Therefore,thedetectionofsurfacedefectsisgivenmoreandmoreattentionintheprocessofmachiningandapplicationsforhighlightopticalelements.Atthepresent,thedevicesaremainlyusedforofflinedefectsdetectiononsmallandplaneopticalelements,anditisverydifficulttomeetthedemandformodernopticalsystems.Accordingtotherequirementsofsurfacequalityonhighlightopticalelements,adetectiondeviceforsurfacedefectsisestablished,aswellasimageprocessing,identifyingandevaluatingmethodinthispaperbasedonthedark-fieldmicroscopicimagingmethodandthemotionplatformofprecisionmachinetool,anditcanrealizeon-machinemeasurementforsurfacedefectswithmicronscaleonlargeandnon-planeopticalelements.Themaincontentsofthispaperareasfollows:1)Takingtheprecisionmachinetoolasmotionplatform,anon-machinemeasuringsystemfordefectsdetectiononhighlightopticalelementsisdesignedbyplanning,selectinganddesigningthemodulesofuniformilluminatingsystem,microscopicimagingsystem,andimagecollectingandprocessingsystem.Theserequirementsaresatisfied,whichincludethedetectingrange,thesurfaceshapeandthedetectingprecision.2)Bystudyingtheinfluenceofmachiningerrorsandthedeformationofthedevicesontheilluminatingperformances,thesecurityofkeystructures,andthelightintensityofmeasuringareas,theinfluencefactorsofdefectsdetectionsystemareanalyzedontheworkingperformances,andthesystemcanmeettherequirementsonimageacquisitionandclearimagingofdefects.3)Theeliminationofunevenilluminationandthecontrastenhancementinmeasuringimagesfordefectsdetectionareachievedinordertorealizenoisesuppressionandbinarization,andtheimagerecognitionandtheoutputofstatisticresultsareaccomplishedbythedesignonprocessingalgorithms.4)Onthebasisofcalibrationbetweenimagingsizeandactualsizeforsurfacedefectsontheon-machinemeasuringsystem,thetestingexperimentsandtheevaluatinganalysisforsurfacedefectsonopticalelementsareaccomplishedwithdifferentmaterials,differentdiametersanddifferentsurfaceshapes.KeyWords:DefectsDetection,OpticalElement,ScatteringImaging,ImageProcessing,On-machineMeasurement第ii页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文第一章绪论1.1课题的来源与意义1.1.1课题的来源本课题“强光光学元件表面疵病在位检测系统设计与评价方法研究”来源于0902专项课题“新型光学元器件技术研究——××口径新型超高阈值紫外光学元件关键技术研究”。课题目标是根据强光光学元件对加工表面的质量要求，以精密机床为运动平台，通过分析疵病的表现形式、分布特征和技术要求，建立光学加工表面疵病检测装置以及对应的图像处理、识别与评价方法，以实现大口径非平面光学元件微米级疵病的在位检测。1.1.2课题研究的背景与意义随着光学技术和制造科学的快速发展，精密光学元件的应用越来越广泛，对其加工质量的要求也越来越严格。面形误差、粗糙度、表面疵病是大口径光学元[1]件质量标准检验的三个主要项目，表面疵病是在光学元件加工与使用的过程中形成的离散局部微观结构，它主要是造成光线的散射来影响光学元件的性能：当光束入射到存在疵病区域的光学元件表面时，这些微观结构会和入射光线发生相互作用，使一部分能量的入射光发生散射进入成像系统，将对光学元件甚至整个光[2-4]学系统的性能造成严重影响。精密光学元件的应用领域不同，疵病的影响形式也不一样。在强激光系统中，光学元件所承受的能量比一般类型的精密光学元件要高许多，疵病将对高能量的入射光形成散射，引起能量吸收不均，进而导致光学元件的损坏。美国劳伦斯·利物摩尔国家实验室在应用于惯性约束聚变（InertialConfinementFusion，ICF）的国家点火装置（NationalIgnitionFacility，NIF）中，通过192路激光束的汇聚会产生近7兆焦的总能量，单路激光束会产生约35千焦[1]的能量，各放大级及物理诊断系统都需要有大口径精密光学元件，这些元件工作在接近材料激光损伤阈值的条件下。麻点、划痕、斑点等疵病的存在将造成光学元件表面发生不同程度地散射，极大地消耗了光能；与此同时也会引入衍射而造成光学元件的新损伤，破坏薄膜层，系统的正常运行也会受到疵病的严重影响；除此之外，表面疵病引起的能量损失还可能导致聚焦在系统靶点上的光达不到预期的能量和温度。对红外夜视系统而言，表面疵病会引起入射光线发生散射，从而降低了系统第1页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文[1]的信噪比。根据Mie散射理论，当入射光波长和散射源的尺寸接近时，会引起尺寸共振吸收，导致散射增强。光学元件表面疵病的尺寸大多数集中在微米量级，红外夜视系统应用的波长也处于这个量级，因此在成像系统中疵病所引起的入射光散射会产生共振增强。由于这类系统所接收的光照度较小，光信号很微弱，所以表面疵病会在光学成像阶段降低其信噪比，严重影响系统的性能。在ISO10110-7:2008(E)中，疵病主要包括局部表面缺陷、划痕和破边，其中局部表面缺陷是指在制造过程中或应用阶段光学表面有效孔径内形成的麻点、开口气泡、擦痕、夹具印记、镀膜缺陷等，划痕是指长宽比很大的疵病（见图1.1所[5]示），破边是指光学元件周围局部人为结构。在国家标准GB/T1185-2006中，疵病是指光学元件表面所呈现的划痕、斑点、破边、麻点等瑕疵，将镀膜缺陷和[6]夹具印记统称为斑点，将擦痕和开口气泡归入了麻点。美、英、法、德等国的国家标准对精密光学元件表面疵病的定义和分类与ISO10110-7大致相同。(a)光学表面划痕干涉图(b)划痕I图像(c)划痕Ⅱ图像图1.1表面疵病中划痕的表现形式光学元件表面疵病在整个光学元件表面上随机分布，呈现出离散微观的几何[5]特征。由于表面疵病的尺寸大多数在微米量级，却分布在分米甚至米级的光学元件表面内，对整个光学系统的性能会造成严重影响，因此要找出有效孔径内所有可能的疵病，这对检测技术提出了严峻挑战。目前，国内外主要根据光的散射和衍射特性来检测光学元件表面疵病，如目[7,8]视法、滤波成像法、扫描频谱法、全积分散射法等。这些方法大多只能实现小区域范围内疵病的定性及统计分析，没有客观统一的数字化标定系统，难以满足大口径光学元件表面疵病检测的需要。干涉法虽然能还原出被测表面的详细三维形貌，但数据量大而冗余、处理复杂；光学轮廓仪、原子力显微镜、扫描隧道显微镜虽然可以检测到光学元件表面更小的结构，但是不能区分表面疵病和正常的加工纹理，无法实现大型光学表面的定量和快速检测，检测精度和效率不满足生产的实际需求。此外，现有表面疵病检测仪器均采用离线检测的方法，即将加工后的光学元第2页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文件从机床上取下，安装在仪器上进行检测；如果不满足指标要求则需把光学元件再次安装到机床上进行修正加工，这将导致二次安装误差、降低其工作效率。如果采用在位检测方法，光学元件在加工后无需取下就直接检验合格与否，这样一方面可以解决离线检测中非加工时间长、多次装夹引起的安装误差等问题，另外还能够实现检测过程在生产现场进行，易于进行自动化，从而可以保证疵病检测的客观性。随着现代光学系统体积越来越大，结构越来越复杂，所需要精密光学元件的数量也在不断地增加，而且大口径精密光学元件所占的比重也不断增大，对加工质量的要求也越来越苛刻。以NIF为例，需要的精密光学元件总数约有30000件，其中口径在0.5m～1m之间的大型光学元件数量超过7000件，对具有损伤阈值的[1]光学元件的加工要求非常苛刻。为了实现对大规模、高质量要求的大口径精密光学元件表面疵病进行准确地检测和评价，需要的不仅仅是一种原理性检测方法，而是要建立一套表面疵病自动化在位检测与评价系统，从而能够满足精密光学元件大批量生产的需求。根据ISO10110-7:2008(E)、GB/T1185-2006疵病标准和ICF工程标准，有利于定量评价、与工程标准相符的是建立大口径光学表面疵病检测系统，形成适于[7]数字化处理、对比度强、分辨率高的暗背景下疵病亮像。本文针对上述要求，通过集成精密机床、均匀照明系统、图像采集系统、表面疵病识别与定标系统，从而实现了中大口径光学元件表面疵病的在位检测以及疵病图像的识别，重点解决均匀照明系统设计、表面疵病微细特征识别等问题，建立数字化评价系统，为提升大口径非平面光学元件的工作性能、实现大批量生产提供检测技术保障。1.2国内外研究现状由于表面疵病过多会对光学系统性能造成严重影响，而且具有较高的检测难度，所以对其检测设备的研制在国内外一直受到很大的重视。关于光学元件表面疵病检测的研究很早就已经开始了，最初是以黑色屏幕为背景来实现疵病检测：在光源照明下，主要通过肉眼对试样做主观检查来估计其存在与大小。这种方法虽然比较简单并且可以达到一定的灵敏度，但是因人为因素而受到限制，很难满[7-9]足指标要求。随着现代光学技术的飞速发展，对精密光学元件表面的加工质量有了更为苛刻的要求，迫切需要研制大口径、自动化的表面疵病检测仪器。现有的检测方法主要是基于疵病对光的散射特性及其与周围表面具有较大差别发展而来的，大体分为两种类型：成像法、散射能量分析法。成像法是通过对光学元件表面疵病进行散射成像以实现检测和评价，主要包括目视法、滤波成像法等；散射能量分析法是通过对疵病表面散射的光能量大小和角度分布进行积分，第3页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文从而得到与散射光能量相关的数值来实现评价，包括散射光能量角分布分析法和[10,11]散射光能量积分法等。此外，还有采用检测微观轮廓的仪器来评价光学元件表面疵病，如原子力显微镜、扫描隧道显微镜、干涉显微镜等。1.2.1国外研究现状近年来，国外专家在疵病标准的制定方面开展了深入研究，特别是在疵病的分类方法与检验标准上英、美等国家开始趋于一致。英国国家标准BS4301规定表面疵病标注形式为：5/A×B×C，其中5为表面疵病的标号，A为允许表面疵病的[12]数量，B为检验条件的等级，C为检验疵病所采用的放大镜倍数。该标准主要把光学元件表面疵病分为四个等级，见表1.1所示。表1.1英国国家标准表面疵病评价等级NoLEWmin(μm)LEWmax(μm)A─1.0B1.02.5C2.56.3D6.316.0美国国家标准MIL-0-13830采用了军用标准，表面疵病的标注形式为：A-B或A/B，其中A表示允许的划痕宽度，B表示允许的麻点直径。采用MIL值来表征疵病的严重程度，其与亮场中Visibility、LEW的关系见表1.2所示。表1.2美国国家标准表面疵病评价对照表MIL10204060Visibility0.050.100.200.40LEW0.250.631.604.00德国国家标准DIN3140-7规定了表面疵病的标注形式主要有以下两种：①5/A×S，其中5为表面疵病的标号，A为允许表面疵病的数量，S为最大疵病尺寸等级；②5/[A×S]，其中方括号表示不能够按照面积进行换算。在根据表面疵病[7]对光的偏转量来划分等级方面，DIN3140-7与BS4301相同。国外对表面疵病检测仪器的研究也取得了一定进展，2013年美国Savvy公司研制了SIF-4表面疵病检查仪，见图1.2所示。SIF-4采用环形光源进行照明，光束经过被测光学表面后反射成像，成像结果与已知标准进行比较得到相应的特征值，结合专门的分析软件能够对平面光学元件的划痕、麻点进行数字化评估，打破了长久以来靠人眼观察光学表面疵病的传统，消除了人为判断的主观性，具有重复度高、数据可记录等优点。SIF-4表面疵病检查仪支持美国军用标准MIL-0-13830B、MIL-C-675C、美国第4页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文国家标准ANSI/OEOSCOP1.002:2009VisibilityMethod以及部分ISO标准，并且用户可建立自定义对比标准，用于光学表面、镀膜或非镀膜元件、平面或大曲率球面划痕和麻点的检测。但SIF-4检测范围很小，需要通过手动来变换检测区域，并且所使用环形光源的自准性较差，影响到表面疵病的检测精确性。图1.2SIF-4表面疵病检查仪1.2.2国内研究现状我国GB/T1185-2006规定了光学元件表面疵病的术语、定义、公差、标识、可见度等级以及一般表面疵病的检测要求，一些大学和研究所对表面疵病的检测方法开展了研究。图1.3为浙江大学对表面疵病进行检测的原理图，采用暗场显微散射的检测方法，疵病表面的散射光经过透镜成像于CCD感光面上，计算机通过图像采集卡获取疵病像，接着运动平台带动被测光学元件到下一个检测位置，这样经过多次扫描就可以实现对整个被测表面的数据采集，基于图像处理与分析完成表面疵病的[13,14]数字化检测。由于光照均匀性和采样分辨率的限制，该装置每次探测的子区域边长仅有9mm，最大检测范围为100mm×100mm，采用图像处理软件进行拼接时重合区存在一定的阴影，而且无法实现在位检测。第5页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图1.3浙江大学表面疵病数字化检测的原理图重庆大学、西南科技大学也先后提出了暗场显微散射成像方法来检测光学元件的表面疵病，他们的工作原理基本相同，但是在光源的设计上存在一定差别。图1.4所示为重庆大学设计的表面疵病检测装置结构，采用柯拉照明系统提高光照[15-17]的均匀性和光束的准直性，能够实现小口径平面光学元件表面疵病的检测。但是由于图像拼接时间长、光照条件高等因素限制，很难应用到大口径光学元件表面疵病的检测中。图1.4重庆大学表面疵病检测装置结构西南科技大学使用高亮度LED条形光源进行探测区域的照明，如图1.5所示，[18]光线从被测元件的4条边入射，使得光学元件每一区域的光强基本相等。这种布局光线柔和、光照均匀性得到一定程度地提高。但LED光条排列紧凑、散热性差，无法对不规则分布的表面疵病进行精确检测。第6页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图1.5条形光源分布示意图在目前系统集成度高、表面质量要求苛刻等条件下，光学元件表面疵病的检测、评价和控制成为强激光武器、惯性约束聚变装置、红外夜视仪等现代光学系统正常工作的重要保证。国内外现有的仪器主要是针对小口径平面光学元件进行离线分析，难以准确检测整个光学表面内的所有疵病，因此开发一种满足大口径光学元件表面疵病在位检测系统及其评价方法十分紧迫。1.3论文的主要研究内容本文通过分析常见疵病的表现形式和分布特征，开展大口径强光光学元件表面疵病在位检测系统设计与评价方法研究，主要内容包括：1）以精密光学加工机床为运动平台，通过对均匀照明系统、显微成像系统、图像处理系统等模块进行规划、选型和设计，完成大口径强光光学元件表面疵病在位检测系统设计，满足检测范围、面形和精度要求；2）分析加工误差和装调装置变形量对照明性能的影响，对关键结构件进行安全性校核，仿真分析照明光斑在成像区域内的散射强度，完成疵病检测系统性能的影响因素分析，满足图像采集和疵病清晰成像的要求；3）对疵病检测图像进行去不均匀光照和对比度增强处理，达到抑噪和二值化要求，通过算法设计实现疵病图像的识别与统计输出；4）对表面疵病在位检测系统的成像尺寸和实际尺寸进行标定分析，在此基础上对不同材料、不同口径、不同面形的典型光学元件进行表面疵病测试实验与评价分析，给出检测结果。第7页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文第二章光学元件表面疵病在位检测系统设计根据强光光学元件表面疵病的检测要求，本章首先针对在位检测装置进行总体结构设计，并基于视场匹配原理对图像采集系统的显微镜头和CCD进行选型，最后根据照明光斑要求开展均匀照明系统设计。2.1在位检测系统总体结构设计疵病在光学元件表面上呈随机分布，一般位于微米量级。针对强光光学元件表面疵病的检测采用暗场显微散射成像原理，如图1.3所示，平行光束以指定的角度斜入射到被测光学元件表面，在表面光滑的区域内发生反射，光线不进入成像系统；而在有疵病存在的区域，疵病会充当二次光源产生散射，散射光进入到成像系统后在暗场下通过CCD采集图像，得到暗背景下的疵病亮像。为了实现600mm×600mm等尺寸范围的大型光学元件表面微米级疵病（主要是划痕和麻点）的在位检测，本文设计的表面疵病在位检测系统总体结构如图2.1所示，主要由均匀照明系统、显微成像系统、精密机床运动平台、图像采集与处理系统等4个部分组成。CCD散射成像系统均匀照明扫描图像采集与处系运动统理系统控制被测样品精密机床运动平台输出结果图2.1大口径光学元件表面疵病在位检测系统结构布局第8页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文均匀照明系统采用环形排布的LED光源通过柯拉透镜照射到被测光学元件表面上，保证出射光束的准直、照明光斑的照度和均匀性范围达到设计要求。显微成像系统采用大变倍比的显微镜头和高像素CCD，实现疵病的散射成像，并保证光滑区域的反射光线不会进入成像系统内。精密机床运动平台在水平面内的行程为1000mm×640mm，用于实现光学元件表面疵病的分区域检测，通过拼合得到表面疵病的整体分布数据。图像采集与处理系统通过对采集的光学表面图像进行处理和分析，以实现划痕、麻点等疵病的准确识别和数据输出。检测过程中，被测光学元件安装在CCOS光学加工机床的水平运动平台上，均匀照明系统、显微成像系统、图像采集与处理系统安装在机床的垂直运动轴上，通过多轴联动进行光学元件疵病图像的分区域检测、数据处理与评价，以实现表面疵病的在位检测。2.2图像采集系统设计为了能够评价微米级的表面疵病，需要采用光学系统进行子孔径放大成像。但显微镜的成像分辨率与物方视场成反比，分辨率越高对应的子孔径就越小；对于特定口径的被测光学元件表面，子孔径尺寸大小又与其阵列数成反比；换言之，检测分辨率的提高会导致图像处理量的增大。因此需要通过优化设计，使图像采[19]集系统既有合适的物方视场，又能够快速、清晰地分辨出疵病特征。此外，显微镜的探测区域为圆形，CCD的成像区域为矩形，需要根据视场面[20]积、视场利用率之间的对应关系，实现物方视场与像方视场的最佳匹配。同时还要求CCD既能够满足景深和成像质量的要求，又不显著增大存储空间。本文选用的显微镜头和CCD如图2.2所示。(a)Optem变倍镜头(b)JAI型CCD图2.2选用的变倍镜头和CCD器件第9页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文Optem变倍镜头具有12.5:1的超大变倍比、低畸变、超高数值孔径等特性，光学放大倍数为0.52×～6.5×，能够满足整体探测和细节跟踪的需求。采用1.5×成像物镜减小物方视场，采用0.67×摄影目镜增大CCD的视场利用率，这种参数条件下显微镜在暗场下分辨率能达到3μm，可以在较短的时间内实现光学元件表面疵病地精确检测。JAI型CCD具有500W像素和3.45μm的面元，因此能够快速采集高质量的图像。由于CCD的尺寸为2/3英寸，即显微镜成像视场为半径5.5mm的圆就能完全覆盖CCD的表面，因此设计照明光斑的直径为：d5.52/0.5221.2(mm)(2.1)理想设计情况是照明光斑在直径为21.2mm的圆形范围内满足均匀性要求，并且照度大于疵病探测需要的最小照度。2.3照明系统设计根据疵病的检测要求以及照明光斑的设计目标，对均匀照明系统的结构布局、光源选型和光束特性进行分析。2.3.1设计要求分析均匀照明系统设计需要考虑照明光斑的视场范围、光照均匀性、光照强度和出射光束的准直性等方面的问题。由于疵病在光学元件上随机分布，为保证所有疵病检测时成像对比度相同，课题研究中采用了环形排布的LED光源。实验中发现光源以30º和65º倾斜入射[9]被测光学元件表面时，疵病亮度和背景亮度的对比度最高，最适于疵病检测；而角度越小，光照越强，所以疵病检测时光源的倾斜角为30º。为保证合适的视场范围，均匀照明系统的总体结构设计为13束环形排布的LED光源均匀分布在半径为90mm的圆周上，以30º的倾斜角入射到被测光学元件表面；照明光斑需要在直径为21.2mm的范围内满足均匀性要求，并且照度大于疵病探测需要的最小照度。2.3.2镜筒布局设计图2.3为镜筒的分布示意图，根据照明系统的设计要求，13束环形排布光源的分布圆周半径为90mm，光束与竖直方向之间的夹角为30º。为了保证装配时具有足够的操作空间，镜筒的长度和宽度都应设计在合理范围内。第10页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文W90dL30°图2.3在位检测系统镜筒布局在图2.3中，L为镜筒的设计长度，W为镜筒的设计宽度（即镜筒最大圆柱面的直径），d为相邻两个镜筒之间的最小间隙。表2.1为在一定长度和宽度条件下镜筒间隙的设计值。表2.1一定长度和宽度条件下对应的镜筒间隙镜筒长度(mm)镜筒宽度(mm)最小间隙(mm)199.47217.2150234.85252.56197.06214.7660232.44250.14194.6470212.34根据表2.1的设计值可知，镜筒的长度和宽度需要控制在合理范围内，才能保证具有足够大的间隙以实现镜筒组装配，并保证工作时不相互干涉。本文设计的镜筒总长为70mm，宽度为19mm，检测过程中不会产生干涉。2.3.3光源选型分析在机器视觉领域中LED相对于其它光源如光纤卤素灯、荧光灯具有发光效率[1,21,22]高、体积小、寿命长、节能环保等诸多优势，因此均匀照明系统选择功率为1～3W封装的LED作为疵病检测的发光光源，图2.4所示为3款OSLANLED的光源图和照度图。第11页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文(a)LUWCRDP(b)LUWCR7P(c)LUWCQAR图2.4OSLANLED光源图及其照度图图2.4(a)中，OSLAN光源的型号为LUWCRDP，功率为1～3W，发光角度为150º，光强分布均匀。图2.4(b)中，OSLAN光源的型号为LUWCR7P，功率为1～3W，发光角度为80º，中间区域的光强大，两边较弱。图2.4(c)中，OSLAN光源的型号为LUWCQAR，功率为1～5W，发光角度为120º，光强分布较均匀。由于LED光源的发光角度越小，在中间区域的光照越集中，通过透镜后在成[23,24]像面上形成的光斑最高照度越大，光能利用率越高；而且光源的发光功率越大，散射性能越差。通过比较分析，发现型号为LUWCR7P的OSLAN光源相对于另外两种光源的光能利用率和散射性能更为优异，因此用于疵病检测的照明系统选择型号为LUWCR7P的OSLAN光源。2.3.4照明仿真分析疵病检测装置由LED光源通过两片柯拉透镜来实现光束的准直和均匀照明。根据镜筒尺寸和加工要求，为了保证透镜安装具有足够的空间大小，要求两个透镜的最大孔径约为14mm。为了计算方便，先选择两片平凸透镜进行模拟分析，以满足光束的准直性要求。在Zemax序列照明中进行优化仿真分析，前置平凸透镜的基本尺寸参数为：曲率半径为-17.86mm，厚度为4mm，孔径为8.94mm；后置平凸透镜（聚光镜）[25]的基本尺寸参数为：曲率半径为-61.86mm，厚度为6mm，孔径为14.18mm；图2.5所示为序列照明的仿真图。第12页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图2.5Zemax序列照明仿真图导入Zemax非序列照明中进行仿真分析，得到光线的追迹图如图2.6所示。图2.6Zemax非序列照明三维追迹图仿真得到的照明光斑如图2.7所示。由图可知，在保证光束准直性的条件下，采用单束光源进行照明时在直径9mm范围内的均匀性能够达到80%以上。图2.7照明系统在检测区域的光斑第13页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文2.4光束优化设计根据2.3节设计的透镜尺寸，在标准库中选择参数相近的标准透镜制成镜筒，完成LED光源和透镜组的装配；然后采用Zemax软件对照明光束进行仿真分析，完成单光束和多光束的优化设计。2.4.1镜筒定心装配为了满足光源、透镜组的定心要求，镜筒装配在激光准直和装配台（LAS）上完成，如图2.8所示。在装配过程中，可以根据LAS的扫描光斑获得光源、透镜的对准信息，采用标准光学模块能够测到的最小倾斜值达到2弧秒，中心定位误差小于0.5μm，满足镜筒各组件的定心要求。光学模块回转样品台图2.8镜筒在激光准直和装配台上进行定心装配LAS主要包括光学模块和回转样品台。其中光学模块由光源和探测器组成，LAS采用波长为可见光或红外光的激光作为光源，激光通过具有固定焦距的镜头入射到被测透镜的表面，由透镜表面反射回来的光聚焦在探测器的表面，形成测量反馈光斑。回转样品台的基座是一个空气轴承转台，能够实现外壳机械轴与测量光束的共轴。在单个镜筒装配过程中，光学模块发出一束聚焦光束，由透镜一个表面反射后成像在光学模块的CCD靶面上。如果被测透镜表面刚好在中心，反射的光束在观察界面上产生一个中心固定、位置不发生变化的光斑，此时旋转空气轴承，透镜上下表面在CCD靶面上所成的像不变，则表明透镜中心已经对准。第14页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文分别对镜筒中两个透镜的四个表面进行检测和调整，使其光学中心共线，然后紧固、装配，以排除偏心的影响。2.4.2单光束优化设计根据设计的透镜参数，选择两款尺寸相近的标准透镜在Zemax非序列照明中进行仿真，不断优化LED光源与前置透镜、前置透镜与后置透镜、后置透镜与成[26-28]像面之间的距离，以得到准直性较好的照明光束。图2.9所示为单光束在Zemax非序列照明中的三维仿真图。图2.9单光束Zemax非序列照明三维追迹图图2.10为接收面上成像光斑的照度图。由图可知，单束光照射时成像光斑在直径为9mm的范围内均匀性能够达到70%以上。图2.10单光束成像光斑照度图由照度的曲线图可知在直径为14.4mm范围外的光强很小，几乎可以忽略；而聚光镜到成像面的距离为120mm，聚光镜的孔径为12mm，计算后发现光束的发散角约为0.01rad，准直性能够满足光束照明要求。2.4.3多光束优化设计疵病检测装置采用13束环形排布的LED光源分布在半径为90mm的圆周上斜入射到被测光学元件表面，以保证划痕在每一方向的成像对比度基本相同。以第15页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文13束光路成像光斑的中心重合点为基准（照明面与光源平面之间的垂直距离为155.88mm），检测光源平面在小范围内波动条件下成像光斑的照度图。图2.11所示为环形分布的13束光路三维照射仿真图，图2.12所示为在4种距离下对应的成像光斑照度图。图2.1113束光束三维仿真图(a)148mm(b)153mm第16页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文(c)155.88mm(d)160mm图2.1213束光束的成像光斑照度图表2.2为4种距离对应的成像光斑最高照度和均匀性范围。表2.2不同距离对应的成像光斑最高照度和均匀性范围照明面与光源平面的垂148153155.88160直距离(mm)最高照度(lx)359430574241730010767397均匀性达到70%以上的51298范围(mm)根据表2.2中数据，当光源平面偏离光斑的重合点时，一种情况是光束比较发散，虽然局部范围内最高光强有所增大，但均匀性很快变差（148mm、160mm）；另一种情况是最高光强会明显降低（148mm）。综合比较后，发现光源平面的理想位置处于重合点附近（153mm）、照射角为30º时，照明光斑在直径12mm范围内的均匀性达到70%以上，在直径24mm范围内满足疵病检测的最小照度要求。2.5本章小结根据大口径强光光学元件对表面疵病的检测要求，本章以精密光学加工机床第17页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文为运动平台，开展了疵病在位检测系统设计，主要内容包括：1）通过对均匀照明系统、显微成像系统、机床运动平台、图像采集与处理系统等组成模块进行布局和规划，完成了疵病检测系统总体结构设计，满足光学元件尺寸和在位检测的要求；2）为了实现微米级疵病的精确检测，分析了成像分辨率与图像处理量的对应关系、物方视场与像方视场的匹配要求，完成了变倍镜头和CCD选型；3）通过镜筒布局设计、光源选型、光斑仿真分析，开展了照明系统设计，结果表明在保证光束准直性的条件下，单束光源照明时在直径9mm范围内的均匀性达到80%以上；4）在镜筒定心装配的基础上，完成了单光束、环形排布多光束的优化设计，不仅能够满足照明光斑的检测范围要求，而且光照强度合适。第18页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文第三章疵病检测系统性能影响因素分析均匀照明系统的性能对疵病检测结果正确与否具有决定性影响，针对设计的大口径强光光学元件表面疵病在位检测装置，本章采用有限元仿真方法和测试实验分析照明系统各组成结构加工、装配误差对工作性能的影响，对关键结构件进行安全性校核，在此基础上开展有效照明区域内光照性能的分析与验证。3.1照明系统误差分析照明系统主要由13个光学镜筒、上支撑板、下支撑板、安装座和防护板组成，其加工、装配误差对照明光斑的均匀性和照明光束的准直性具有明显影响，会导致杂散光进入成像系统影响疵病的检测，下面分别进行分析。3.1.1镜筒加工误差对照明性能的影响分析照明系统中每一束光路都采用封装的LED光源通过两片柯拉透镜进行准直和均匀照射，根据优化设计结果，采用光学镜筒对其进行固定，以满足相互之间的间距和定心要求，如图3.1所示。(a)装配结构(b)实物图图3.1镜筒在镜室设计结构中，两侧伸出的轴肩用于轴向定位透镜，这将造成实际通光孔径的减少；测量光学曲面之间的距离时实际光路与理想光路也存在一定偏差，影响检测结果。由于镜筒在加工和装配过程中都存在误差，导致光路中各物体之间的距离不准确，最大误差可达0.1mm。镜室通过轴肩来定位透镜，导致有效孔径减少2mm，被测面可能存在2mm的波动范围。表3.1所示为单光束照射时有误差情况与理想情况下最高光照强度和均匀性范围的对比数据。根据表3.1的分析结果，发现透镜孔径的小幅变化只是在一定程度上改变了照明范围，仍然能够保证检测区域内的光强基本保持不变；而镜筒的加工误差大约为10μm，不会对成像性能造成明显影响。第19页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文表3.1单光束照射时结构参数波动对应的最高光照强度和均匀性范围光源与前置透镜间2019.920.120202020的距离(mm)前置透镜与聚光镜32.432.432.432.332.532.432.4间的距离(mm)聚光镜与照明面间119.1119.1119.1119.1119.1117.1121.1的距离(mm)前置透镜孔径大小10888888(mm)聚光镜孔径大小12101010101010(mm)照明光斑最高光照109529110841108644109450109192112784105633强度(lx)均匀性达到70%以12121212121212上的范围(mm)因此，由轴肩定位引起的透镜孔径减小和镜筒加工误差不会影响成像光斑的均匀性范围，只是照明光斑的最高光照强度略有改变。3.1.2装调装置变形量对照明性能的影响分析在图3.2所示的照明系统结构中，上支撑板的变形会导致显微镜和CCD在竖直方向产生偏转（如图3.3所示），从而可能引起反射光线进入成像系统内，影响疵病图像的采集，造成测量结果出现误差。因此在结构设计时，需要保证成像光斑的平行反射光不会进入显微成像系统。图3.2照明系统的组成结构第20页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文1dθ30°d3d2图3.3显微镜和CCD偏转示意图在图3.3中，d1为显微镜和CCD的总长，d2为成像光斑的直径，d3为初级物镜的孔径。根据图2.12(b)的仿真结果，成像光斑在直径24mm范围内的照度可以满足疵病检测时的最小照度要求，所以只需保证在直径24mm圆斑内的反射光线不会进入成像系统。即：d2d3d1tanmaxd工作tan30(3.1)22初级物镜的孔径为26mm，显微镜和CCD的总长为320mm，镜头的工作距离2d工作=52mm，代入式(3.1)有：max1.5710rad。对上支撑板变形进行有限元分析，结果如图3.4所示。在码盘作用范围内将上支撑板的变形近似为直线，其偏转角可表示为：llmaxtan(3.2)11d1由图3.4可知，上支撑板的最大变形量lmax=19.7μm，码盘左边缘100mm处的4-2变形量l=6.55μm，代入式(3.2)中有：11.3210rad<θmax=1.57×10rad，因此上支撑板变形引起的显微镜和CCD偏转在允许范围内，平行反射光不会进入显微成像系统内。根据有限元分析结果，上支撑板最大变形处对应的内应力为2.02MPa。采用45号钢制作上支撑板，静态时的最大许用应力为380MPa，安全系数为118.1，满足静强度安全性要求。第21页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图3.4上支撑板变形图下支撑板的变形会导致光源的位置和入射角发生变化，从而对成像光斑的照度、成像范围和均匀性产生影响。图3.5所示为下支撑板的变形仿真图。图3.5下支撑板变形图下支撑板的长度为248mm，由图3.5得知其最大变形量为32.2μm，最小变形4量为0.004μm，代入式(3.2)中有：21.2910rad。镜筒总长为70mm，因此光源的最大位移为：4S70tan701.2910=9.1(μm)(3.3)2图3.6为对光源偏移0.5mm时的成像光斑照度图，从图中可以发现除了最大光照强度变化之外，光照均匀性范围并没有发生改变，而最大光照强度可以通过LED电流进行控制。因此，光源在0.5mm范围内的位移变化是允许的，下支撑板的变形量满足工作要求。第22页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图3.6光源偏移时对应的成像光斑照度图此外为了防止光源入射角发生变化，在结构设计时增加了调整机构，以控制光线入射角为30º，因此下支撑板的微量变形引起的光源角度误差可以忽略。根据有限元分析结果，下支撑板最大变形处对应的内应力为4.75MPa。采用45号钢制作下支撑板，静态时的最大许用应力为380MPa，安全系数为80，满足静强度安全性要求。3.2预紧螺栓强度安全性分析在疵病检测系统照明装置中，上、下支撑板都承受了压力和重力，板与板之间主要依靠螺栓来连接，需要对螺栓的强度进行校核，以满足安全性要求。3.2.1上支撑板预紧螺栓安全性分析图3.7所示为上支撑板的受力分析图，其重力为10.3N，水平方向的重心到最左端的距离为91.02mm，距左端163mm处受到18N的压力。现将竖直排列的两个螺栓等效到中心对称线上，设其受力分别为F1和F2。F2FGF1图3.7上支撑板受力分析第23页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文根据图3.7中的受力情况，可以求出F1=153.12N、F2=181.42N。即左端排列的两个螺栓所受压力为F3=F1/2=76.56N，右端排列的两个螺栓所受拉力为F4=F2/2=90.71N。所以螺栓的预紧力F0应为90.71N以上，才能满足右端螺栓的工作要求，那么左端螺栓受到的总拉力为F=F0+F3=167.27N。选择螺栓性能等级为4.6，材料为Q235，查表可得屈服极限δs=240MPa，安全[29]系数S=1.5，螺栓小径d=4.46mm，许用应力[δ]=δs/S=160MPa。而1.3F1.3167.27caMPa13.9MPa223.14(3.4)d4.4644满足安全性要求。对于Q235这种碳素钢螺栓，要求预紧力FA01(0.6~0.7)s，由于0.6sA1=2248.5N>90.71N，满足安全性要求。3.2.2下支撑板预紧螺栓安全性分析图3.8所示为下支撑板的受力分析图，其重力为23.6N，水平方向的重心到最左端的距离为137.93mm，距左端163mm处受到36N的压力。现将竖直排列的两个螺栓等效到中心对称线上，设其受力分别为F1和F2。F2F1GF图3.8下支撑板受力分析根据图3.8中的受力情况，可以求出F1=582.58N、F2=642.18N。即左端排列的两个螺栓所受压力为F3=F1/2=291.29N，右端排列的两个螺栓所受拉力为F4=F2/2=321.09N。所以螺栓的预紧力F0应为321.09N以上，才能满足右端螺栓的工作要求，那么左端螺栓受到的总拉力为F=F0+F3=612.38N。选择螺栓性能等级为4.6，材料为Q235，查表得材料的屈服极限δs=240MPa，[29]安全系数S=1.5，螺栓小径d=4.46mm，许用应力[δ]=δs/S=160MPa。而第24页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文1.3F1.3612.38caMPa50.98MPa223.14(3.5)d4.4644满足安全性要求。对于Q235这种碳素钢螺栓，要求预紧力FA01(0.6~0.7)s，由于0.6sA1=2248.5N>321.09N，满足安全性要求。3.3检测区域光照性能分析在光学元件表面疵病检测时，照明光斑需要满足光照强度要求、散射光在成像视场内大于CCD的标准照度，才能进行图像采集和疵病特征成像。3.3.1疵病散射强度分析与验证图2.4(b)为所选的LUWCR7P型OSLON光源及其照度图，功率为1～3W，发光角度为80º，在750mA时光通量为133lm。大量的疵病检测实验表明，很强的光照会使杂散光过多地进入成像系统内，掩盖了疵病本身的散射光，导致无法准确地得到疵病特征信息。当光源的照度减小到600lx时，在0～90º范围内也无法采集到疵病特征图像，原因是疵病的散射[30]4光强小于CCD所能探测到的最小灵敏度。综合考虑后，选择4.3×10lx作为光源的设计照度。照明系统中所选光源的发光颜色为暖白，由蓝色芯片激发黄色荧光粉进行发光。蓝色光线、黄色光线的配光比为0.06和0.94，即光通量分别为7.98lm和125.02lm。采用上述方法设计得到13束LED光源在的总照度，如图3.9所示，最5高光强为5.710lx。图3.9750mA电流时13束LED光源照度图第25页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图3.10所示为设计的LED光源控制器，整体电流的变化范围为250～790mA。实际装配后LED光源通过柯拉透镜组照射到被测光学元件表面上，其入射光强会有少量损失。图3.11所示为分刻板不同方向划线组的检测图样，能够清晰地辨识出划线的分布特征，表明设计光强满足检测要求。图3.10LED光源控制器图3.11分度板划线检测图样3.3.2CCD光照强度分析[31]一般CCD的标准照度为600lx，那么只需照明系统在检测区域的散射光进入CCD成像视场后的照度大于600lx即能采集疵病图像。被测光学表面的成像光斑可以近似看作直径为30mm的圆斑，平均光照约为43.510lx，光照均匀性为70%。CCD的尺寸为8.8mm6.6mm，当显微镜的像方视场为Φ22mm的圆时，经过0.5倍转换镜后视场变为Φ11mm的圆斑，刚好能够覆盖CCD的全部表面。那么CCD成像视场内的照度为：8.86.64K3.51070%=2041.1(lx)(3.6)215显然满足CCD图像采集的照度要求。3.4本章小结针对光学加工表面疵病的在位检测特征，本章采用仿真方法和测试实验分析了疵病检测装置工作性能的影响因素，主要内容包括：1）分析了加工误差、装调装置变形量对照明性能的影响，结果表明由安装定位引起的透镜孔径减小和镜筒加工误差不会影响成像光斑的均匀性范围；第26页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文2）针对照明系统中承受较大压力和重力的上、下支撑板预紧螺栓进行了强度校核，满足安全性要求；3）分析了照明光斑在疵病检测区域的散射强度，发现散射光在成像视场内高于CCD的标准照度，满足图像采集和疵病检测的要求，能够清晰地辨识出不同划线的分布特征。第27页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文第四章疵病检测图像处理和识别对于光学散射暗场成像系统，CCD采集的表面疵病通常表现为图像灰度的异常，同时包含了大量的噪声。本章通过对图像数据进行预处理，以实现表面疵病的分类识别与评价。4.1疵病图像预处理[32,33]表面疵病检测系统在CCD采集的图像中，每个像素的灰度是已知的，因此可以将灰度值作为图像分析和处理的基础，同时还需要对测量噪声进行消除或抑制，疵病图像的处理流程如图4.1所示。采集图像去光照图像对比度增强预处去噪理阈值分割特征提取疵病分类输出结果图4.1疵病检测图像处理和识别流程CCD采集图像只有经过二值化处理才有利于疵病特征的后续处理和识别，需要经历图像去不均匀光照、对比度增强、去噪和阈值分割等过程，下面分别进行分析和算法设计。4.1.1疵病图像去不均匀光照处理采集的疵病图像由于受到设计的照明系统光照不均匀的影响，导致有的区域光照过强，无法分辨到该区域的特征。图像处理时将这块区域当作背景，不提取第28页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文任何疵病特征。针对该图像的特性，将光照较强的区域进行压缩对比度处理，而不明显改变其它区域的特征，即可引入ToneMapping的思想，主要目的是实现图像动态范围的压缩。该算法的基本理论是计算当前要渲染图像的平均亮度，根据平均亮度确定一个合适的亮度区域范围，然后将整幅图像根据确定的转换关系映射到亮度区域范[34,35]围之内。对于一个基本像素，其亮度的计算公式为：LUMP()0.27R0.67G0.06B(4.1)平均亮度的计算公式为：1LUMaveexplnLUMxy(,)(4.2)N（xy,)其中，N为图像的像素个数，δ为较小的常数，用于防止求对数的计算结果趋于负无穷的情况，LUM(x,y)为像素坐标(x,y)处的亮度。按比例缩小的亮度映射为：LUMxy(,)L(,)xy(4.3)scaledLUMaveL(,)xyscaledLfinal(,)xy(4.4)1L(,)xyscaled其中，Lscaled为按比例缩小的亮度值；α为Key值，其大小决定了映射后图像整体的明暗程度，可根据需要适当调整；Lfinal为最终映射值，处在(0,1)的范围中。CCD采集的疵病图像是灰度图像，在R、G、B每个通道中的比例是相等的。采用ToneMapping算法进行处理时，灰度图像中R、G和B的数值都可以看作灰度值的1/3。(a)原始图像(b)去光照后图像图4.2ToneMapping算法处理前后的图像第29页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图4.2所示为α=0.18时对疵病图像的处理效果图，对比后发现的确到达了去除光照不均匀性的影响，但是疵病图像的整体对比度降低，疵病特征和背景对比度不太明显。4.1.2疵病图像对比度增强处理图像对比度增强主要是通过采用某种处理技术来突出图像的有用信息，减弱[36]或消除图像中无关紧要的信息，从而有选择地强调图像的整体或局部特征。去除光照不均匀后的图像，主要是突出疵病特征和背景的对比度，并且保证整块光照过强的区域成为背景。针对此类图像可引入Retinex算法，本质是从原始图像中[37]估计出入射图像，来获取物体的本来面貌。成像的基本公式为：Sxy(,)RxyLxy(,)(,)(4.5)其中，S(x,y)为原始图像，R(x,y)为反射图像，L(x,y)为入射图像。根据Retinex理论，直接估算出物体的反射部分无法实现，那么可以先估计出入射部分，通过式(4.5)求解获得反射部分，即是得到了增强后的图像。Jobson证[38]明高斯函数能够从已知图像中很好地估计入射图像，表达式为：22xyc2(4.6)Gxy(,)ke其中，k为归一化因子，c为高斯函数的尺度参数。为了同时保证疵病图像的高保真度和动态压缩范围，采用MSR（多尺度[39]Retinex）算法对疵病图像进行对比度增强。多尺度Retinex算法实质是将多个单尺度Retinex的结果进行加权求和，其最终处理公式为：NRMi(,)xyn1wnlogSxyi(,)logGxyn(,)Sxyi(,)(4.7)Nn1wn1(4.8)其中，RMi为MSR在第i个图像空间的输出，N为尺度个数，wn为对应于某尺度的权值，Si为对应第i个图像空间的分布，Gn为对应权值的高斯卷积函数。22xy2Gecn(4.9)nn其中，cn为第n个尺度参数，λn为归一化因子。同样满足：Gxyddn(,)xy1(4.10)图4.3所示为采用MSR算法对去不均匀光照后图像的处理效果图，对比后发现该算法达到了增强疵病目标和背景对比度、将光照较强的区域处理为背景的目的，但也大大增强了图像中的噪声。第30页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文(a)处理前图像(b)处理后图像图4.3Retinex算法处理前后的图像Retinex算法对图像中的噪声会有扩大效应，通过分析发现可以选择模板系数较大的中值滤波器。中值滤波是把局部区域中的灰度中值作为输出灰度，去掉与[40]周围像素灰度值之差比较大的像素，用周围像素比较接近的灰度值来取代。图4.4为采用中值滤波处理前后的图像。(a)处理前图像(b)处理后图像图4.4中值滤波处理前后的图像根据图4.4的处理结果，发现采用Retinex算法处理后增大了疵病图像中的噪声，采用中值滤波器进行处理后抑制了疵病图像的噪声信息，在一定程度上起到了平滑图像的作用。图像处理过程中可以将两者结合起来使用，先采用多尺度Retinex算法实现对比度增强，然后采用模板系数较大的中值滤波器去除图像中引入的噪声。4.1.3疵病图像阈值分割设计阈值分割是通过设定一个阈值T将灰度图像分成目标和背景两个领域，目标区域内像素点的灰度值为1，背景区域内像素点的灰度值为0。第31页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文设输入图像为f(x,y)，输出图像为g(x,y)，则有：1,fxy(,)Tgxy(,)(4.11)0,fxy(,)T阈值分割后的图像，目标特征与背景之间的区别很明显，非常有利于后续的特征提取和识别。图4.4(b)中图像灰度值很平均，相差不大，只有选择较大的阈值才能将疵病特征与背景区分开来。实验发现设计阈值为210～230时，能取得较好的阈值分割效果，图4.5所示为采用合适阈值分割后得到的二值化图像。图4.5阈值分割后的图像4.2典型疵病特征识别与分析二值化处理后的图像通过算法设计能够将疵病与背景分离，根据评价标准对其进行分类，最终实现疵病特征的准确识别。4.2.1疵病图像单位像素尺寸计算本系统采用具有500W像素的JAI相机来采集疵病图像，每张图片在显示屏上的像素尺寸范围为20582456。将钢尺放在被测平台上，旋转钢尺使采集到的刻度与图片的横轴、纵轴分别平行，方便图片单位像素尺寸的计算。图4.6所示为采集的钢尺刻度图片。由图4.6可知，采集图片的横轴刻度为16mm，纵轴刻度为13.4mm，即横轴的像元尺寸为16/2456=0.0065mm，纵轴像元尺寸为13.4/2058=0.0065mm，因此不同方向的像元尺寸均为6.5μm。第32页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文(a)横轴刻度图片(b)纵轴刻度图片图4.6疵病检测刻度图片4.2.2疵病目标分类识别相对于整个光学加工表面，疵病分布的区域比较小，麻点、划痕和灰尘之间的特征差异不大，因此需要大量的检测实验来对这三类特征进行准确识别。本文[41-43]利用疵病的形状因子和区域填充度进行综合判定。1）形状因子：利用疵病的面积和周长作为综合考虑的因素，定义为：SM4(4.12)PP其中，S为单个疵病区域的面积值，P为单个疵病区域的周长。2）区域填充度：利用疵病面积和外接矩形面积的比值进行评判，定义为：S1N(4.13)S2其中，S1为疵病分布区域的面积，S2为疵病外接矩形的面积。[41]西南科技大学通过大量的测试实验得到如表4.1所示的评定表。表4.1疵病类别评定表划分类别形状因子区域填充度划痕0～0.480.57～0.85麻点>0.650.65～0.85灰尘0.48～0.65不定从表4.1的数据可以看出麻点的形状因子比较大，划痕和麻点的区域填充度区别不明显。第33页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文4.2.3疵病识别结果分析在VisualStudio和Matlab平台上编写了疵病图像处理与识别软件，图4.7所示为其操作界面。界面左侧为疵病图像的预处理按钮，主要包括去不均匀光照、对比度增强、去噪、阈值分割等功能，这一部分在VisualStudio2010平台上完成。界面下侧是对疵病特征进行分析后的输出对话框，主要包括划痕、麻点、灰尘等疵病信息的统计结果，通过MatlabGUI平台来实现。界面中部左边表示处理前的采集图像，右边表示处理后的疵病图像。图4.7表面疵病图像处理与识别软件界面图4.8所示为采集的疵病图像。(a)采集疵病图像1(b)采集疵病图像2图4.8采集的疵病图像表4.2、表4.3分别为采集疵病图像1和采集疵病图像2的识别结果，根据表中的分类统计数据，发现编写软件能够较好地识别出疵病图像中的划痕、麻点和灰尘等特征。第34页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文表4.2疵病图像1的识别结果2类别总数总长度(mm)总面积(mm)划痕817.31441.2222麻点186──2.8869灰尘134──2.9365表4.3疵病图像2的识别结果2类别总数总长度(mm)总面积(mm)划痕1620.54113.1731麻点160──1.9525灰尘128──1.40174.3本章小结本章以疵病的分布特征分析为基础，通过合适的算法将采集图像二值化，结合分类识别方法，达到了准确识别疵病的目的，主要内容包括：1）综合使用ToneMapping、多尺度Retinex、中值滤波、阈值优化分割等算法，对采集图像进行去不均匀光照和对比度增强处理，实现了疵病信息的抑噪和二值化；2）针对预处理后的疵病图像，采用形状因子、区域填充度对麻点、划痕等典型疵病进行分类识别，通过编写软件实现了光学加工表面疵病图像的自动处理、识别与统计输出。第35页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文第五章疵病检测实验分析本章通过分析疵病在位检测系统的工作条件，对成像尺寸和实际尺寸进行定标实验，在此基础上以K9光学元件、大口径平面硅镜、球面透镜为代表开展疵病检测实验与评价分析。5.1疵病在位检测系统工作条件分析疵病检测实验以用于光学数控加工的CCOS机床作为运动平台，将设计的检测系统安装到机床上，图5.1所示为研制的表面疵病在位检测系统实物图。图5.1研制的表面疵病在位检测系统实物图其中，CCD要求采集的疵病图像清晰，以利于后续处理；旋转码盘用于调整CCD采集图像坐标与水平线之间的夹角，实现方向性调整；变倍镜头用于扩大观察的物方视场；光源照明系统用于保证检测区域的照明光斑及其均匀性、照度满足要求；导轨滑块机构用于装夹被测光学元件；倾斜台用于被测光学元件的调平；CCOS机床为光学元件运动平台，用于表面疵病的分区域检测。由于光源照射到检测区域时，反复经过光学元件的透射光可能进入到成像系统之内，在CCD表面高亮度成像，从而影响疵病的准确检测。因此设计时要求光学元件底面有一段空心距离，保证光源照射时引起光束发散，避免透射光进入到成像系统内。第36页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文测量后发现，在显微镜处于低倍率情况下，被测光学元件表面上的均匀照明光斑直径约为21.2mm。图5.2所示分别为底面空心距离较小、正好为65mm时CCD表面采集的图像。(a)空心距离小(b)空心距离为65mm图5.2不同空心距离对应的CCD表面图像根据图5.2的检测结果，当空心距离较小时，经过光学元件的透射光进入到成像系统内，影响了疵病的准确辨识；当空心距离达到65mm时，透射光不会进入成像系统，对表面疵病的检测和评价没有影响。因此，在位检测系统工作时必须保证光学元件底部的空心距离足够大，并且垫高台表面涂为黑色，以减少透射光的干扰。5.2疵病定标实验分析基于散射成像原理来检测精密光学元件的表面疵病，散射光会对成像图样的尺寸产生一定影响，并且不同分布特征、不同大小的疵病影响程度不一样，这将导致辨识结果出现误差。这种情况下，CCD采集的图像经过软件处理和识别后得到的疵病信息与真实尺寸具有一定偏差，需要通过测试实验进行比对和定标。本节以划痕为代表进行疵病定标实验，采用自制的标准比对板作为测量样件，主要目的是基于已知的疵病信息，将其与在位检测系统得到的测试结果进行对比分析，以实现被测疵病的正确度量。取一块精密光学元件作为基底，在其表面加工一系列特定长度、宽度和深度的刻线来模拟划痕类疵病，通过原子力显微镜检测出对应的实际面形，形成一块[44]已知形貌特征的标准比对板。图5.3所示为采用原子显微镜对标准比对板进行测量的照片，图5.4为5条划痕测量后得到的疵病形貌特征，表5.1为疵病宽度和深度的检测结果。第37页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图5.3原子力显微镜检测光学元件的表面疵病根据表5.1的测量数据，标准比对板上疵病的宽度在3.1～11.8μm之间，深度在40～4000nm之间。(a)划痕I(b)划痕II第38页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文(c)划痕III(d)划痕IV(e)划痕V图5.4原子力显微镜检测的疵病形貌特征表5.1疵病的实际尺寸疵病编号IIIIIIIVV宽度(μm)3.111.211.89.910.3深度(nm)404000300040004000第39页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文将标准比对板上已知形貌的疵病置于显微暗场成像环境下，利用在位检测系统测出疵病的特征信息，如表5.2所示。对疵病的实际尺寸与CCD测试的成像尺寸进行拟合，计算成像图样的修正因子。表5.2疵病图像的识别结果疵病编号IIIIIIIVV宽度(μm)8.333.635.726.528.7图5.5所示为疵病成像宽度与实际宽度的拟合曲线图，经过推导可以得出曲线的函数表达式为：2fx()0.25x0.527x7.253(5.1)图5.5疵病成像宽度与实际宽度的拟合曲线划痕长度一般都处于毫米量级，远远大于入射光的波长，在该方向上疵病显微成像后尺寸的放大效果近似成线性关系，因此计算比例因子时不需要考虑疵病散射光对成像尺寸的影响。表5.3列出了系列划痕经过散射成像后计算长度与实际长度的对比关系。表5.3划痕散射成像后的长度对比划痕编号IIIIIIIVV成像长度L1(μm)298.7299.3298.22292.5295.1实际长度L(μm)400400400400400比例因子K0.74680.74830.74560.73130.7378第40页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文根据表5.3中的数据，照明了划痕的成像长度与实际长度近似成线性关系，两者之间的比例因子为：L1K0.7420(5.2)L在实际检测过程中，暗场条件下划痕经过图样采集系统成像于CCD表面，利用分析软件进行处理和识别后得到划痕的长度、宽度。通过拟合曲线得到划痕的实际宽度，通过比例因子计算出划痕的实际长度。图5.6所示为在位检测系统测得的一条划痕图像。图5.6疵病在位检测系统测得的划痕图像以图5.6为例，该划痕经过显微散射系统进行成像，在CCD上得到检测图像并存储，通过分析软件进行识别，计算得到划痕的长度L1=4.46mm，宽度W=8.45μm，采用比例因子计算出划痕的实际长度为6.01mm，根据拟合关系式计算出划痕的实际宽度为3.49μm。采用原子力显微镜等对该划痕进行检测，其真实长度为5.8mm，真实宽度为3.493.46.015.83.4μm，对应的宽度偏差为2.65%，长度偏差为3.6%，均在3.45.8可接受的范围之内，满足疵病辨识要求。5.3K9光学元件疵病检测与分析针对直径在120mm以内的光学元件，将疵病检测系统安装在光学数控加工机床上进行在位检测，测试过程如图5.7所示，图5.8为疵病分区域检测后的拼接图像，图像尺寸为48mm×40.2mm，表5.4为疵病图像的识别结果。第41页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图5.7疵病在位检测系统对Φ100mmK9光学元件进行测试图5.8K9光学元件表面疵病的拼接图像表5.4K9光学元件疵病图像的识别结果2类别总数总长度(mm)总面积(mm)划痕622.40.71麻点312──2.12灰尘800──3.81根据表5.4的识别结果，研制的疵病在位检测系统能够实现划痕、麻点、灰尘等特征图像的准确辨识与评价。5.4大口径平面硅镜疵病检测与分析检测对象为直径280mm的平面硅镜，通过分区域检测后进行图像拼合，实现疵病特征信息的识别。第42页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文在位检测系统安装在光学数控加工机床上，机床平面度满足硅镜的检测要求，不需要加倾斜台进行水平调整。调节显微镜的焦距找到合适的成像位置，通过二维运动平台进行分区域检测，获得各个区域内的疵病图像，然后采用分析软件进行识别和评价。图5.9所示为疵病在位检测系统对平面硅镜进行测试的照片，图5.10所示为检测后的拼接图像，图像尺寸为288mm×294.8mm。图5.9疵病在位检测系统对Φ280mm硅镜进行测试图5.10硅镜表面疵病的拼接图像第43页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文表5.5为平面硅镜加工表面疵病的识别结果，给出了划痕、麻点、灰尘的统计数据，达到了准确辨识的要求。表5.5硅镜疵病图像的识别结果2类别总数总长度(mm)总面积(mm)划痕20376.28.58麻点30011──224.49灰尘60023──508.425.5球面透镜疵病检测与分析球面透镜检测不同于平面光学元件，不仅相对口径不能很小，而且还需要满足检测系统的景深要求。在分区域检测时，球面透镜各区域的矢高差必须小于显[45]微镜的最大景深，并通过调焦来实现清晰成像。5.5.1相对口径对疵病检测的影响分析在前述分析中，发现疵病在位检测系统13束准直光照射在直径为12mm的区域内，光照均匀性满足设计要求。根据表3.1的分析结果，在保持光照均匀性的条件下检测深度的波动范围达到3mm，如图5.11所示。RDH图5.11准直光入射深度的均匀性范围根据图5.11的几何关系，有：222R(RH)D/4(5.3)其中，R为入射长度，H为最大波动深度，D为满足均匀性要求的圆斑直径。根据式(5.3)计算得出：R=7.5mm，相对口径的计算公式为：F2/RD(5.4)因此图5.11所示面形光学元件的相对口径F=1.25。第44页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图5.12为待测的球面透镜，口径为101.5mm，采用球径仪测得其曲率半径为416.366mm（测量过程如图5.13所示），根据式(5.4)计算出相对口径为8.2。由于球面透镜的相对口径大于1.25，其表面比较平缓，疵病在位检测系统入射光线的散射角在可控范围内，能够满足成像要求。图5.12待检测的球面透镜图5.13球径仪测球面透镜的曲率半径5.5.2景深对疵病检测的影响分析疵病在位检测系统显微镜在低倍率下的景深为0.69mm，而球面透镜最高点处的矢高为：22hRRD/4(5.5)其中，R为球面透镜的曲率半径，D为球面透镜的口径。第45页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文计算得出球面透镜的最大矢高为3.1mm，在分区域检测疵病图像时，不同的检测区域通过调焦来对准成像面，只要保证此范围内的最大矢高差不超过显微镜的景深即能够实现准确测量。疵病检测系统中CCD采集的每张图片尺寸范围为16mm(W)×13.4mm(H)，图5.14所示为对球形表面进行测量的几何关系图。dY222X+Y=rr12hhHOXd1W图5.14CCD采集球面图像的几何关系图在图5.14中，当测量区域水平方向左端点到球面透镜对称中心的距离为d1时，该点到X轴的垂直距离为h1；同理，当测量区域水平方向右端点到球面透镜对称中心的距离为d1+W时，该点到X轴的垂直距离为h2。因此，只需保证h1-h2<0.69mm就能够满足显微镜的测量景深要求。图5.15所示为X轴处于不同测量距离时对应的矢高差曲线，从图中发现当d1不超过9.9mm时才能够保证矢高差小于0.69mm，因此对应于水平方向的最大测量尺度为：M2(dW)51.8mm(5.6)1图5.16所示为Y轴处于不同测量距离时对应的矢高差曲线，从图中发现当d1不超过14.7mm时才能够保证矢高差小于0.69mm，因此对应于垂直方向的最大测量尺度为：N2(dH)56.2mm(5.7)1根据上述分析，球面透镜的可测区域为51.8mm×56.2mm，图5.17所示为检测后的拼合图像。第46页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图5.15X轴处于不同距离时对应的矢高差图5.16Y轴处于不同距离时对应的矢高差从图5.17的检测图像可以看出，球面透镜在中心区域内的疵病图像正常，没有镜筒的投影像；在偏离中心区域的较远处，会出现大面积白色的光斑，这是光源斜入射后进入显微成像系统所引起。图5.18所示为准直光正对球面透镜对称中心入射时的检测图像，可以看出图中没有大面积的光斑，成像质量好。因此对非平面光学元件的表面疵病进行检测时，需要采用法向入射方式，此时没有耀斑影响，能够实现疵病特征的准确识别和评价分析。表5.6为中心区域疵病图像的识别结果。第47页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图5.17球面透镜表面疵病的拼接图像图5.18正对球面透镜对称中心入射时的检测图像表5.6球面透镜中心区域疵病图像的识别结果2类别总数总长度(mm)总面积(mm)划痕49.250.154麻点61──0.534灰尘123──0.9755.6本章小结本章主要针对K9光学元件、大口径平面硅镜、球面透镜开展了疵病检测实验与评价分析，主要内容包括：1）分析了疵病在位检测系统的工作条件，通过运动平台、空心距离、垫高台的合理规划与设计，不仅能够满足分区域检测的要求，而且减少了干扰光对成像质量的影响；第48页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文2）以原子力显微镜检测的光学元件表面微观划痕为基准，采用拟合曲线、比例因子对疵病在显微暗场条件下不同方向的成像尺寸进行了标定，偏差小于4%，能够满足疵病检测的精度要求；3）对K9光学元件、大口径平面硅镜进行了疵病检测实验，给出了划痕、麻点等典型疵病特征的统计结果；4）针对球面透镜，分析了相对口径、显微成像系统景深对疵病检测的影响，给出了测量要求，发现对非平面光学元进行检测时采用法向入射方式能够实现疵病的准确辨识。第49页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文第六章总结与展望6.1全文总结随着现代光学技术和制造科学的快速发展，精密光学元件的应用越来越广泛，对其加工质量的要求也越来越严格。而表面疵病是在精密光学元件加工和使用过程中形成的离散局部微观结构，它对光学元件的影响却是集中且破坏力强，所以大口径精密光学元件表面疵病的检测一直是急待解决的难题。本文根据强光光学元件对加工表面的质量要求，基于显微暗场散射成像原理，建立了光学加工表面疵病在位检测装置以及对应的图像处理、识别与评价方法，主要研究工作包括：1）以精密机床为运动平台，通过对均匀照明系统、显微成像系统、图像采集与处理系统等组成模块进行规划，完成了大口径光学元件表面微米级疵病在位检测装置结构设计；通过分析成像分辨率与图像处理量、物方视场与像方视场的匹配关系，完成了图像采集系统选型分析；通过镜筒布局设计、光源分析、光照强度仿真，开展了照明系统设计，满足检测区域内均匀照明要求；对单光束、环形排布多光束开展仿真分析和优化设计，不仅达到了12mm范围内照明光斑均匀性在70%以上的要求，而且光照强度适宜；在此基础上完成了大口径光学元件表面疵病在位检测系统设计，满足检测范围、检测面形和辨识精度要求。2）针对光学表面疵病在位检测的特征要求，分析了加工误差、装调装置变形量对照明性能的影响；采用有限元方法对关键结构件进行了强度校核，满足安全性要求；分析了照明光斑在疵病检测区域内的散射强度，结果表明散射光在成像视场内高于CCD的标准照度，满足图像采集和疵病成像的要求，能够清晰地辨识出不同划线的分布特征。3）为了对疵病检测图像进行准确辨识与评价，选用ToneMapping、多尺度Retinex、中值滤波、阈值优化分割等算法对采集图像进行去不均匀光照和对比度增强处理，实现了疵病信息的抑噪和二值化；采用形状因子、区域填充度对麻点、划痕等典型疵病进行分类识别，通过编写软件实现了光学加工表面疵病图像的自动处理、识别与统计输出。4）对疵病在显微暗场条件下不同方向的成像尺寸进行了标定，偏差小于4%，满足疵病检测的精度要求；对K9光学元件、大口径平面硅镜进行了疵病检测实验，给出了划痕、麻点等疵病的统计结果；针对球面透镜，分析了相对口径、显微成像系统景深对疵病检测的影响，给出了测量要求，发现对非平面光学元件进行检测时采用法向入射方式能够实现疵病的准确辨识。第50页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文6.2研究展望本文在实际研究过程中对表面疵病检测难题进行了细致、深入地分析，在导师的指导下对各项要求逐步落实，取得了相应的成果。总体而言，论文研究工作比较扎实，但由于研究时间和能力所限，还存在许多不成熟的地方有待改进，后续研究工作可以从下述方面进行完善：1）研制的均匀照明系统在检测区域内成像光斑的均匀性没有完全达到设计要求，由于受到加工、装调和光源误差的影响，导致每次进行图像采集时成像区域较小，使测试时间增长。2）表面疵病图像处理与识别软件需要进一步完善，去光照和图像对比度增强处理、识别算法还可以继续优化，以提高辨识效率和准确性。3）在对非平面光学元件进行分区域检测时，表面疵病在位检测系统的运动路径没有与机床数控系统结合起来，而是通过手动设置进行分步调整，导致检测过程耗时很长。第51页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文致谢时光飞逝，转眼间硕士期间两年半的生活即将结束。一路走来，有太多的酸甜苦辣，但最终还是从这段酸甜苦辣的生活中收获很多。在此论文撰写完成之际，我怀着崇敬的心情对所有给予我帮助的人表示衷心地感谢。首先感谢我的导师王贵林副教授。为了确定我硕士课题的研究方向，王老师不厌其烦地给我介绍实验室目前课题的研究状况，然后结合我个人兴趣爱好以及就业方向给我拟定了硕士研究课题。王老师时刻关心课题的进展情况，每周都会给我安排相应的研究任务，定期安排时间汇报自己的工作进展，从产品的调研、装置的设计到实验的开展都给我提出了很多建设性的意见和方法，有时还会亲自到实验现场进行指导。王老师为人和蔼、知识渊博、治学严谨，总是能够启迪我攻克课题研究中的重重难关，培养了我独立分析问题和解决问题的能力。非常感谢王老师这一年多来对我的关心、帮助和支持，衷心地祝愿王老师身体健康、工作顺利！感谢课题组组长陈善勇研究员。每次检测组开例会，陈老师都会问我研究进展情况，对我的工作提出了很多指导性的建议。陈老师为人非常和蔼，每次向他请教问题都会不厌其烦地跟我讲解，甚至亲自到实验现场教我如何操作、使用偏心仪，光路设计和镜筒装配的成功也离不开陈老师的帮助，在此对陈老师表示衷心地感谢！感谢学术方向带头人戴一帆教授。戴老师治学严谨、高瞻远瞩，对我课题的规划、进展和实施提出了很多宝贵的意见，在这里表示诚挚地感谢！感谢实验室的石峰老师、胡皓老师、关朝亮老师、铁贵鹏老师在课题研究工作中提供的指导和帮助！感谢实验室的万稳师兄、田野师兄、李富仁师兄、徐明进师兄、鹿迎师兄、王寅师兄、范占斌师兄、管峰师兄、翟德德师兄、杜航师兄对我课题研究的帮助。万稳师兄、田野师兄在疵病检测和疵病仪的使用方面给我提供了很多指导性的意见，李富仁师兄在疵病识别界面的编写上给我提供了很大帮助，徐明进师兄、鹿迎师兄、王寅师兄在整体装置设计上给我提供了诸多建议和指导，范占斌师兄、管峰师兄、翟德德师兄、杜航师兄在平时生活和学习上给我提供了不少指导，非常感谢他们！感谢同一级的各位同学，董国正、熊浩斌、张艳艳、徐启航、薛帅、牛玉杰、李庆宇、陈涵、邓鸿飞、隋婷婷、陈小刚、阳灿，感谢他们平时对我工作的帮助和关心，非常感谢他们，愿我们的友谊天长地久！感谢七院的陈敏孙老师对照明光斑光强测量实验的帮助！第52页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文感谢实验室的技工王涛、钱江华等人为实验顺利开展所提供的帮助！感谢父母一直以来对我的鼓励和支持，正是有了你们默默无闻的支持才使我全身心地进行科研和学习，感谢你们为我所付出的一切！感谢所有给予我帮助的人，谢谢你们！第53页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文参考文献[1]肖冰．大口径光学元件表面疵病自动化检测系统关键问题讨论与研究[D]．杭州：浙江大学，2010.[2]XinGao,YongyingYang,PengZhao,etal.Super-smoothSurfaceDefectsMeasurementandEvaluationSystem[J].Opt.Commun.2014,6(30):1~5.[3]ShitongWang,DongLiu,YongyingYang,etal.Distorioncorrectioninsurfacesdefectsevaluatingsystemoflargefineoptics[J].Opt.Commun.2014,7(15):110~116.[4]DongLiu,YongyingYang,DandanSun,etal.Digitalrealizationofprecisionsurfacedefectevaluationsystem[J].Opt.Express.2007,5(10):240~246.[5]YongyingYang,ShitongWang,XiaoyuChen,etal.Sparsemicrodefectevaluationsystemforlargefineopticalsurfacesbasedondark-fieldmicroscopicscatteringimaging[C].Proc.ofSPIE,2013(3359):1~10.[6]DandanSun,YongyingYang,FengquanWang,etal.Microscopicscatteringimagingsystemofdefectsonultra-smoothsurfacesuitablefordigitalimageprocessing[C].Proc.ofSPIE,2006(6150):1~5.[7]DavidC.Harper.PreparationofDrawingsforOpticalElementsandMethodsofTesting[J].AppliedOptics,1970(4236):1~6.[8]戴名奎，徐德衍．光学元件疵病检验与研究现状[J]．光学仪器，1996,18(3):33~36.[9]孙丹丹．精密表面缺陷特性及光学显微散射成像系统的研究[D]．杭州：浙江大学，2006.[10]汪风全，杨甬英，孙丹丹．精密表面疵病的数字化检测系统研究[J]．光学仪器，2013,2(13):1~5.[11]陈国，谢志江，孙红岩等．大口径精密光学元件表面疵病检测系统研究[J]．仪器仪表学报，2006,27(10):1~4.[12]F.Rainer,R.K.Dickson,R.T.Jennings,etal.Developmentofpracticaldamagemappingandinspectionsystem[C].Proc.ofSPIE,1999(3492):1~6.[13]陆春华．基于机器视觉的大口径精密表面疵病检测系统研究[D]．杭州：浙江大学，2008.[14]汪凤全．可用于大口径精表面缺陷检测的数字化评价系统研究[D]．杭州：浙江大学，2006.[15]FengquanWang,YongyingYang,LinWang,etal.Microscopicscatteringimagingmeasurementanddigitalevaluationsystemofdefectsforfineopticalsurface[C].Proc.ofSPIE,2014(5563):1~5.第54页 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