本發(fā)明屬于機器視覺檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高次曲面位置自動定中系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

高次曲面光學(xué)元件在日?？蒲?、生活中被廣泛應(yīng)用，如極紫外鏡頭中，單鏡頭采用的高次曲面光學(xué)元件多大10幾片，同時高次曲面光學(xué)元件的廣泛使用對加工及表面質(zhì)量檢測方法提出了更高的要求，不僅要求加工精度能達到波長級別，同時要求表面質(zhì)量中不存在劃痕、麻點等表面缺陷，因此開展高次曲面表面缺陷的檢測具有重要的意思，而在高次曲面表面缺陷檢測中，高次曲面元件的定中問題尤為重要。因此設(shè)計了因此設(shè)計了一種高次曲面空間位置自動定中方法和裝置，實現(xiàn)元件表面缺陷的自動化精確定量評價。

目前常用的高次曲面元件滿足以下方程：

其中r²＝x²+y²，k為二次常數(shù)，a1，a2，a3，a4為高次曲面偏離系數(shù)。

該類型的高次曲面元件具有旋轉(zhuǎn)對稱特性，其表面缺陷檢測難點在于曲面上各點有著不同的曲率半徑，且在唯一光軸上其對應(yīng)的曲率中心位置各不相同，因此當(dāng)元件光軸與自旋軸之間存在夾角時，只對任意一個曲率中心定心不能夠確定光軸的空間位置從而調(diào)整其與自旋軸重合。為了解決這一難題，本專利提出了一種高次曲面自動定中系統(tǒng)及其方法，自動定中系統(tǒng)通過確定高次曲面光學(xué)元件頂點的曲率中心的位置，對待測元件進行包括z向調(diào)節(jié)、二維平移、二維擺動、繞自旋機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)、以及自旋機構(gòu)至待測元件二維擺動機構(gòu)之間整體的二維平移共八個維度的調(diào)節(jié)。自動定中的方法中高次曲面自動定中計算求解模型，得出自動定中系統(tǒng)的四維調(diào)整量，并進行相應(yīng)機構(gòu)的位置和姿態(tài)調(diào)整，從而實現(xiàn)待測高次曲面光學(xué)元件檢測姿態(tài)的初始化調(diào)整與參數(shù)測量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高次曲面位置自動定中系統(tǒng)和方法。本發(fā)明對高次曲面光學(xué)元件頂點曲率半徑以及頂點曲率中心位置坐標進行測量，實現(xiàn)待測高次曲面光學(xué)元件檢測姿態(tài)的初始化調(diào)整與參數(shù)測量。

本發(fā)明提供一種高次曲面位置自動定中系統(tǒng)，從上往下依次包括高次曲面定中單元s0、z向調(diào)節(jié)立柱s1、自定心夾持機構(gòu)s3、二維擺動機構(gòu)包括s4、s5、xy二維平移機構(gòu)包括s6、s7、自旋機構(gòu)s8、底部y向?qū)к塻9和x向?qū)к塻10；高次曲面定中單元s0設(shè)置在z向調(diào)節(jié)立柱s1上，自定心夾持機構(gòu)s3設(shè)置有待測元件s2，二維擺動機構(gòu)包括y軸擺動機構(gòu)s4和x軸擺動機構(gòu)s5，xy二維平移機構(gòu)包括y軸平移機構(gòu)s6和x軸平移機構(gòu)s7；自定心夾持機構(gòu)與二維擺動機構(gòu)相連接，所述的二維擺動機構(gòu)根據(jù)光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用2個可達微米量級定位精度的精密導(dǎo)軌，對應(yīng)配合2個步進電機的驅(qū)動，使步進電機在接收到程序指令后對繞xy的二維擺動機構(gòu)進行定量的角度調(diào)整，即對y軸擺動機構(gòu)s4和x軸擺動機構(gòu)s5分別進行定量的角度調(diào)整。二維擺動機構(gòu)下方連接有xy二維平移機構(gòu)，同理，xy二維平移機構(gòu)也有對應(yīng)的電機控制模式進行定量的位移調(diào)整；自旋機構(gòu)與xy二維平移機構(gòu)相連，使高次曲面光學(xué)元件能夠進行自旋轉(zhuǎn)動，方便對待測元件每隔已知角度采集十字叉絲像用來確定自旋軸的位置，底部的y向?qū)к壓蛒向?qū)к壥峭ㄟ^轉(zhuǎn)接板與自旋機構(gòu)下方相連固緊，y向?qū)к壓蛒向?qū)к壘蛇_微米量級定位精度的精密平移；從而實現(xiàn)對自旋機構(gòu)至xy二維擺動機構(gòu)的整體移動。

通過確定高次曲面光學(xué)元件頂點的曲率中心的位置，對待測元件進行包括z向調(diào)節(jié)、二維平移、二維擺動、繞自旋機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)、以及自旋機構(gòu)至待測元件二維擺動機構(gòu)之間整體的二維平移共八個維度的調(diào)節(jié)，便于對高次曲面光學(xué)元件不同的曲率中心位置清晰成像，實現(xiàn)待測元件空間位置及姿態(tài)調(diào)整。

本發(fā)明進一步提供了高次曲面位置自動定中方法，具體包括如下步驟：

步驟1.初始化高次曲面定中單元。

步驟2.將高次曲面光學(xué)元件移動至高次曲面定中單元下，并且能夠在高次曲面定中單元的ccd上得到十字叉絲像。

步驟3.沿z方向進行掃描，并在掃描的過程中利用圖像熵清晰度評價函數(shù)找到最清晰的十字叉絲像。

步驟4.判斷十字叉絲為表面像還是球心像，具體判斷如下：

驅(qū)動x向和y向?qū)к夁M行微調(diào)，觀察視場中的十字叉絲是否隨之移動，如果跟隨導(dǎo)軌移動則得到高次曲面光學(xué)元件表面上某一點對應(yīng)的曲率中心的球心像，并跳轉(zhuǎn)至步驟5；反之則得到高次曲面光學(xué)元件表面上某一點的表面像，驅(qū)動z向立柱繼續(xù)進行掃描，并在掃描的過程中再次找到最清晰的十字叉絲像。

步驟5.驅(qū)動x向和y向?qū)к壵{(diào)節(jié)高次曲面光學(xué)元件的位置使十字叉絲像在ccd的視場中心，從而該十字叉絲像所對應(yīng)的高次曲面光學(xué)元件表面點的曲率中心與高次曲面定中單元的光軸重合。

步驟6.記錄上述曲率中心點的坐標為o1w(x1w,y1w,z1w)，驅(qū)動x向和y向?qū)к夁M行較小位移的調(diào)整，使ccd視場內(nèi)出現(xiàn)另一個不在視場中心且模糊的十字叉絲像，重復(fù)步驟3-步驟5，并且得到第二個曲率中心點的坐標為o2w(x2w,y2w,z2w)。

步驟7.建立高次曲面二次光軸空間位置計算模型，計算得到經(jīng)過曲率中心點o1w和o2w的空間直線方程為：

即高次曲面光學(xué)元件光軸的空間方程。自動定中系統(tǒng)的自旋機構(gòu)的空間方程為x＝xrw,y＝y(tǒng)rw，計算得到自動定中系統(tǒng)的xy二維平移調(diào)整機構(gòu)的調(diào)整量：

自動定中系統(tǒng)中繞xy的二維擺動機構(gòu)的調(diào)整量：

步驟8.按照步驟7得到的四維調(diào)整量進行相應(yīng)機構(gòu)的位置和姿態(tài)調(diào)整。

步驟9.利用光學(xué)裝調(diào)中的旋轉(zhuǎn)測量法測量高次曲面光學(xué)元件光軸與自動定中系統(tǒng)中自旋機構(gòu)轉(zhuǎn)軸間的最大偏差，具體如下：

每驅(qū)動自旋機構(gòu)旋轉(zhuǎn)30°后，ccd采集一幅十字叉絲像，隨著自旋角度的不同，十字叉絲像在ccd視場上的位置也不同，大體軌跡為一個圓，其中圓心就是自旋轉(zhuǎn)軸所在的位置；通過最小二乘法最佳圓擬合方法擬合十字叉絲像的中心的運動軌跡，從而得到運動軌跡的圓心；計算每幅十字叉絲像的中心到圓心的距離，其中最大距離即為高次曲面光學(xué)元件光軸與自動定中系統(tǒng)中自旋機構(gòu)轉(zhuǎn)軸間的最大偏差。

步驟10.對最大偏差進行判斷，若最大偏差在容許誤差范圍內(nèi)，則完成高次曲面定中單元光軸、高次曲面光學(xué)元件光軸和自動定中系統(tǒng)中自旋機構(gòu)轉(zhuǎn)軸的三軸軸系一致性調(diào)整，并跳轉(zhuǎn)至步驟11；若最大偏差大于最大容許誤差，則說明高次曲面光學(xué)元件的光軸與自旋轉(zhuǎn)軸不重合，此時先通過調(diào)節(jié)自動定中系統(tǒng)的xy二維平移調(diào)整機構(gòu)使得十字叉絲像的中心移動至軌跡圓圓心，然后跳轉(zhuǎn)至步驟9。

步驟11.驅(qū)動高次曲面定中單元沿z向掃描，得到清晰的高次曲面光學(xué)元件頂點的表面像，具體判別方法如步驟4所述。繼續(xù)驅(qū)動其沿z方向向下，直到ccd視場中心再次出現(xiàn)清晰的十字叉絲像，該像即為高次曲面光學(xué)元件頂點曲率中心所對應(yīng)的球心像，記錄此時坐標即為高次曲面光學(xué)元件頂點曲率中心坐標，記錄z軸從表面像移動至球心像的距離，即為高次曲面光學(xué)元件頂點曲率半徑。

本發(fā)明有益效果如下：

本發(fā)明提出了一種高次曲面空間位置自動定中系統(tǒng)及其方法，從而實現(xiàn)高次曲面元件光軸與自旋軸重合的自動化定中調(diào)整以及高次曲面頂點曲率中心坐標的精確計算，是高次曲面高精度子孔徑掃描拼接的基礎(chǔ)，對完成相關(guān)科學(xué)儀器所需解決的根本問題有著重要意義。

高次曲面空間位置自動定中方法是一種先精確計算各調(diào)整量，再通過對相應(yīng)機構(gòu)的定量調(diào)整完成元件的自動定中過程。由于元件初始位置與下方機構(gòu)中心既有二維水平方向的位移偏差又存在元件光軸與自旋機構(gòu)的自旋軸之間的角度偏差，所以二維擺動機構(gòu)是必不可少的，其作用是對繞xy軸計算得到的二維擺動機構(gòu)的調(diào)整量δβ、δγ提供機構(gòu)支持；同時，只有通過調(diào)節(jié)二維擺動機構(gòu)，才能補償元件光軸和自旋軸存在的角度偏差，這是單純的二維平移機構(gòu)所不能完成的。在本實驗裝置中通過2個可達微米量級定位精度的精密導(dǎo)軌，對應(yīng)配合2個步進電機的驅(qū)動，能夠達到角度的精確調(diào)整。

由于高次曲面上各點有著不同的曲率半徑，且在光軸上其對應(yīng)的曲率中心位置各不相同，因此，當(dāng)待測高次曲面光學(xué)元件的光軸傾斜時，即光軸與自旋軸之間存在夾角，此時只對一個曲率中心定心不能夠確定光軸的空間位置從而調(diào)整其與自旋軸重合。所以需要另對光軸傾斜情況進行分析，對元件進行xy方向的擺動控制，這既是進行二次定中的必要性，也是設(shè)置二維擺動機構(gòu)進行角度變化的原因，只有進行二次定中的操作，才能使待測高次曲面光學(xué)元件光軸、自動定中顯微系統(tǒng)光軸、自旋機構(gòu)轉(zhuǎn)軸在一條直線上，完成自動定中的全部過程。之后再利用光學(xué)裝調(diào)中的旋轉(zhuǎn)測量法測量元件光軸與自動定中系統(tǒng)中自旋機構(gòu)轉(zhuǎn)軸間的最大偏差，檢驗三軸軸系一致性，經(jīng)過大量的實驗驗證，二次定中的方法對高次曲面光學(xué)元件的自動定中具有較好的準確率和精確度。

附圖說明

圖1所示為高次曲面自動定中系統(tǒng)機構(gòu)圖；

圖2所示為高次曲面自動定中方法流程圖；

圖3所示為分劃板成像原理圖；

圖4a所示為第一次自動定中后元件光軸和自旋軸的相對位置；

圖4b所示為第二次自動定中后元件光軸和自旋軸的相對位置；

圖5a所示是待測元件光軸與自旋軸的初始狀態(tài)；

圖5b所示是待測元件光軸與自旋軸經(jīng)過平移調(diào)整之后的狀態(tài)；

圖5c所示是待測元件光軸與自旋軸經(jīng)過擺動調(diào)整之后的狀態(tài)；

圖6所示為元件頂點曲率中心和曲率半徑示意圖；

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

實施例

應(yīng)用于高次曲面光學(xué)元件表面缺陷檢測的空間位置自動定中系統(tǒng)，通過確定高次曲面光學(xué)元件頂點的曲率中心的位置，對待測元件進行包括z向調(diào)節(jié)、二維平移、二維擺動、繞自旋機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)、以及自旋機構(gòu)至待測元件二維擺動機構(gòu)之間整體的二維平移共八個維度的調(diào)節(jié)，便于對高次曲面光學(xué)元件不同的曲率中心位置清晰成像，實現(xiàn)待測元件空間位置及姿態(tài)調(diào)整。

如圖1所示，高次曲面空間位置自動定中系統(tǒng)共有八個維度，本發(fā)明提供一種高次曲面位置自動定中系統(tǒng)，從上往下依次包括高次曲面定中單元(s0)、z向調(diào)節(jié)立柱(s1)、自定心夾持機構(gòu)(s4)、二維擺動機構(gòu)、xy二維平移機構(gòu)、自旋機構(gòu)(s9)、底部y向?qū)к?s10)和x向?qū)к?s11)；高次曲面定中單元(s0)設(shè)置在z向調(diào)節(jié)立柱(s1)上，自定心夾持機構(gòu)(s4)設(shè)置有待測元件(s3)，二維擺動機構(gòu)包括y軸擺動機構(gòu)(s5)和x軸擺動機構(gòu)(s6)，xy二維平移機構(gòu)包括y軸平移機構(gòu)(s7)和x軸平移機構(gòu)(s8)；自定心夾持機構(gòu)(s4)與二維擺動機構(gòu)相連接，所述的二維擺動機構(gòu)根據(jù)光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用2個可達微米量級定位精度的精密導(dǎo)軌，對應(yīng)配合2個步進電機的驅(qū)動，使步進電機在接收到程序指令后對繞xy的二維擺動機構(gòu)進行定量的角度調(diào)整，即對y軸擺動機構(gòu)s4和x軸擺動機構(gòu)s5分別進行定量的角度調(diào)整。二維擺動機構(gòu)下方連接有xy二維平移機構(gòu)，同理，xy二維平移機構(gòu)也有對應(yīng)的電機控制模式進行定量的位移調(diào)整；自旋機構(gòu)與xy二維平移機構(gòu)相連，使高次曲面光學(xué)元件s2能夠進行自旋轉(zhuǎn)動，方便對待測元件每隔已知角度采集十字叉絲像用來確定自旋軸c2的位置，底部的y向?qū)к壓蛒向?qū)к壥峭ㄟ^轉(zhuǎn)接板與自旋機構(gòu)s8下方相連固緊，y向?qū)к壓蛒向?qū)к壘蛇_微米量級定位精度的精密平移；從而實現(xiàn)對自旋機構(gòu)至xy二維擺動機構(gòu)的整體移動。

本發(fā)明進一步提供了高次曲面位置自動定中方法，具體包括如下步驟：

步驟1.初始化高次曲面定中單元s0。

步驟2.將高次曲面光學(xué)元件s2移動至高次曲面定中單元s0下，并且能夠在高次曲面定中單元的ccds11上得到十字叉絲像。

步驟3.沿z方向進行掃描，并在掃描的過程中利用圖像熵清晰度評價函數(shù)找到最清晰的十字叉絲像。

步驟4.判斷十字叉絲為表面像還是球心像，具體判斷如下：

驅(qū)動x向?qū)к壓蛓向?qū)к夁M行微調(diào)，觀察視場中的十字叉絲是否隨之移動，如果跟隨導(dǎo)軌移動則得到高次曲面光學(xué)元件s2表面上某一點對應(yīng)的曲率中心的球心像，并跳轉(zhuǎn)至步驟5；反之則得到高次曲面光學(xué)元件表面上某一點的表面像，驅(qū)動z向調(diào)節(jié)立柱s1繼續(xù)進行掃描，并在掃描的過程中再次找到最清晰的十字叉絲像。

步驟5.驅(qū)動x向?qū)к壓蛓向?qū)к壵{(diào)節(jié)高次曲面光學(xué)元件s2的位置，調(diào)節(jié)過程如圖3所示，最終使十字叉絲像在ccds11的視場中心呈現(xiàn)i4狀態(tài)，從而該十字叉絲像所對應(yīng)的高次曲面光學(xué)元件表面點的曲率中心與高次曲面定中單元的光軸重合。

步驟6.記錄上述曲率中心點的坐標為o1w(x1w,y1w,z1w)，o1w位置如圖4a所示；驅(qū)動x向和y向?qū)к夁M行較小位移的調(diào)整，使ccds11視場內(nèi)出現(xiàn)另一個不在視場中心且模糊的十字叉絲像，重復(fù)步驟3-步驟5，并且得到第二個曲率中心點的坐標為o2w(x2w,y2w,z2w)，o2w位置如圖4b所示。

步驟7.建立高次曲面二次光軸空間位置計算模型，計算得到經(jīng)過曲率中心點o1w和o2w的空間直線方程為：

即高次曲面光學(xué)元件光軸的空間方程。高次曲面自動定中系統(tǒng)中自旋機構(gòu)的空間方程為x＝xrw,y＝y(tǒng)rw，其中的xrw、yrw是由最小二乘最佳圓擬合得到的自旋機構(gòu)的自旋軸c2二維位置。計算得到自動定中系統(tǒng)中xy二維平移調(diào)整機構(gòu)的調(diào)整量，對應(yīng)y軸平移機構(gòu)s6的調(diào)整量δy，x軸平移機構(gòu)s7的調(diào)整量δx：

同時，計算得到自動定中系統(tǒng)中繞xy的二維擺動機構(gòu)的調(diào)整量，對應(yīng)繞y軸擺動機構(gòu)s4的調(diào)整量δβ，繞x軸擺動機構(gòu)s5的調(diào)整量δγ：

步驟8.按照步驟7得到的四維調(diào)整量對相應(yīng)機構(gòu)的位置和姿態(tài)調(diào)整。圖5a表示自動定中系統(tǒng)的自旋轉(zhuǎn)軸c2和元件光軸c3的初始位置圖，經(jīng)過δx、δy調(diào)整之后，兩軸的位置如圖5b顯示，再經(jīng)過δβ、δγ調(diào)整之后，兩軸的位置如圖5c顯示。

步驟9.利用光學(xué)裝調(diào)中的旋轉(zhuǎn)測量法測量高次曲面光學(xué)元件光軸c3與自動定中系統(tǒng)的自旋機構(gòu)轉(zhuǎn)軸c2間的最大偏差，具體如下：

每驅(qū)動自旋機構(gòu)s8旋轉(zhuǎn)30°后，ccds11采集一幅十字叉絲像，隨著自旋角度的不同，十字叉絲像在ccds11視場上的位置也不同，大體軌跡為一個圓，其中圓心就是自旋轉(zhuǎn)軸所在的位置；通過最小二乘法最佳圓擬合方法擬合十字叉絲像的中心的運動軌跡，從而得到運動軌跡的圓心；計算每幅十字叉絲像的中心到圓心的距離，其中最大距離即為高次曲面光學(xué)元件光軸c3與自動定中系統(tǒng)的自旋機構(gòu)轉(zhuǎn)軸c2間的最大偏差。

步驟10.對最大偏差進行判斷，若最大偏差在容許誤差范圍內(nèi)，則完成高次曲面定中單元光軸c1、高次曲面光學(xué)元件光軸c3和自動定中系統(tǒng)中的自旋機構(gòu)轉(zhuǎn)軸c2的三軸軸系一致性調(diào)整，并跳轉(zhuǎn)至步驟11；若最大偏差大于最大容許誤差，則說明高次曲面光學(xué)元件的光軸c3與自旋轉(zhuǎn)軸c2不重合，此時先通過調(diào)節(jié)自動定中系統(tǒng)中xy二維平移調(diào)整機構(gòu)s6、s7使得十字叉絲像的中心移動至軌跡圓圓心，然后跳轉(zhuǎn)至步驟9。

步驟11.驅(qū)動高次曲面定中單元s0沿z向掃描，得到清晰的高次曲面光學(xué)元件頂點p1的表面像，具體判別方法如步驟4所述。如圖6所示，繼續(xù)驅(qū)動其沿z方向向下，直到ccds11視場中心再次出現(xiàn)清晰的十字叉絲像，該像即為高次曲面光學(xué)元件頂點曲率中心所對應(yīng)的球心像，記錄此時坐標即為高次曲面光學(xué)元件頂點曲率中心坐標p2，記錄z軸從表面像移動至球心像的距離，即為高次曲面光學(xué)元件頂點曲率半徑r。