向弋川, 林有希, 任志英

(福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院, 福建 福州 350108)

引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展,精密光學(xué)元件在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,光學(xué)元件作為實(shí)現(xiàn)光學(xué)功能的載體,為各類光學(xué)儀器的開發(fā)使用起到了至關(guān)重要的作用。所以,鑒于光學(xué)元件表面具有的散射特性[1],如何更好地對(duì)元件表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)也隨之被提出來。

光學(xué)元件的檢測(cè)過程十分繁瑣并且充滿著不確定性,光學(xué)元件按組成材料可分為普通光學(xué)玻璃、釹玻璃、熔融石英光學(xué)玻璃、氟化鈣(CaF2)等一系列材料;按光學(xué)元件口徑可有大到幾米也有小到一二毫米的,差別可達(dá)到數(shù)千倍;按光學(xué)元件外形的不同可分為平板、非球面靶鏡、球面透鏡、柱面透鏡、角錐棱鏡、偏光鏡、玻璃球等[2]。為了適用于以上三個(gè)方面的各種光學(xué)元件的需求,測(cè)量?jī)x器、環(huán)境、設(shè)備、技術(shù)必定是各式各樣的[3]。面對(duì)如此種類繁多、功能和外形各不相同的光學(xué)元件,需要我們?nèi)ヌ剿飨鄳?yīng)的檢測(cè)技術(shù)。

因此,本文主要從光學(xué)元件表面缺陷、表面散射特性,以及目前國(guó)內(nèi)外各種研究方法等方面,對(duì)光學(xué)元件表面疵病檢測(cè)的相關(guān)研究進(jìn)行綜述,并探討利用機(jī)器視覺的缺陷檢測(cè)技術(shù)及未來的發(fā)展趨勢(shì)。

1 光學(xué)元件表面缺陷

光學(xué)元件表面面形誤差和表面粗糙度的檢測(cè)是光學(xué)檢測(cè)技術(shù)研究領(lǐng)域的重點(diǎn),由于光學(xué)元件表面質(zhì)量的好壞直接影響整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的性能,所以想要使光學(xué)儀器設(shè)備能更高效地工作,不僅在加工時(shí)需要注意光學(xué)元件的表面質(zhì)量,而且對(duì)成品元件的檢測(cè)工作也不能忽視。因此,光學(xué)元件表面缺陷檢測(cè)將成為一項(xiàng)重要而持久的研究課題[4]。

1.1 表面缺陷類型

所謂的光學(xué)元件表面缺陷,主要是指表面疵病和表面污染物[5]。表面疵病是指拋光加工后的光學(xué)元件表面依然存在的麻點(diǎn)、劃痕、開口氣泡、破邊、破點(diǎn)等各種加工缺陷[6- 7],產(chǎn)生的原因主要是加工過程或后續(xù)的不當(dāng)操作[8]。圖1所示為四種疵病的大致形狀[2]。

圖1 表面缺陷類型Fig.1 Types of surface defects

劃痕指光學(xué)元件表面長(zhǎng)條形的劃傷痕跡。由劃痕長(zhǎng)度的不同,可以分為長(zhǎng)劃痕和短劃痕,以2 mm為界限,若劃痕長(zhǎng)度大于2 mm屬于長(zhǎng)劃痕,小于2 mm則是短劃痕。對(duì)于短劃痕,評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是其檢測(cè)時(shí)的累積長(zhǎng)度。相對(duì)而言,劃痕較麻點(diǎn)等缺陷更容易檢測(cè)出。

麻點(diǎn)指光學(xué)元件表面上的陷坑、蝕坑、疵點(diǎn),其坑內(nèi)的表面粗糙度較大,寬度與深度大致相同,邊緣也不規(guī)則。一般情況下,規(guī)定長(zhǎng)寬比大于4∶1的缺陷為劃痕,反之小于4∶1的缺陷為麻點(diǎn)[9]。

氣泡是由光學(xué)元件的生產(chǎn)或加工過程中未及時(shí)排除的氣體所形成的,由于各方向氣體的壓力均勻分布,所以氣泡的形狀一般呈圓球形。

破邊是指出現(xiàn)在光學(xué)元件邊緣的疵病,雖然處于光源有效區(qū)域之外,但是也屬于光的散射源,對(duì)光學(xué)性能也會(huì)產(chǎn)生一定的影響,所以也屬于疵病范疇[10]。

1.2 表面疵病的危害

表面疵病作為一種加工過程中人為造成的微觀局部缺陷,對(duì)光學(xué)元件的表面性能有著一定的影響,從而有可能造成光學(xué)儀器運(yùn)行錯(cuò)誤等嚴(yán)重的后果?？傊?光學(xué)元件的表面疵病會(huì)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)性能產(chǎn)生危害,其根本原因在于光的散射特性。

光學(xué)元件表面缺陷對(duì)于自身以及整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的危害表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1) 光束的質(zhì)量下降。元件表面缺陷處會(huì)產(chǎn)生光的散射效應(yīng),使得光束在通過缺陷后能量被大量消耗,從而降低了光束的質(zhì)量[11]。

(2) 缺陷的熱效應(yīng)現(xiàn)象。由于表面缺陷所處區(qū)域比其他區(qū)域容易吸收更多的能量,產(chǎn)生的熱效應(yīng)現(xiàn)象可能會(huì)使元件疵病發(fā)生局部變形、破壞膜層等,進(jìn)而危害整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)[12]。

(3) 損壞所處系統(tǒng)中其他光學(xué)元件。激光系統(tǒng)中,在高能激光束的照射下,元件表面疵病產(chǎn)生的散射光會(huì)被系統(tǒng)內(nèi)的其他光學(xué)元件吸收,從而造成元件的受光不均勻,當(dāng)達(dá)到光學(xué)元件材料的損傷閥值時(shí),會(huì)使傳播光線的質(zhì)量受到影響,光學(xué)元件損壞,更有可能造成光學(xué)系統(tǒng)被嚴(yán)重的破壞[13]。

(4) 疵病會(huì)影響視場(chǎng)清潔。當(dāng)光學(xué)元件上有過多的疵病時(shí),會(huì)影響微觀的美觀度,另外,疵病還會(huì)殘留微小的灰塵、微生物、拋光粉等雜質(zhì),這將造成元件被腐蝕、生霉、生霧,會(huì)明顯影響元件的基本性能。

2 光學(xué)元件表面散射特性

光學(xué)元件表面的散射特性是缺陷產(chǎn)生危害的根本原因[14]。當(dāng)光束照射到有疵病的光學(xué)元件表面時(shí),由于疵病位置的反射面并不是一個(gè)光滑面,這些離散無(wú)規(guī)則的局部缺陷使部分入射光發(fā)生了偏轉(zhuǎn),遠(yuǎn)離了預(yù)定方向,變成了偏離主光束的雜質(zhì)光。并且,這些雜質(zhì)光會(huì)產(chǎn)生多次反射透射,所產(chǎn)生不規(guī)則的散射光會(huì)對(duì)不同光學(xué)儀器造成不同程度的影響。

2.1 光學(xué)元件表面散射源

在光學(xué)系統(tǒng)中,影響其性能的主要原因是由系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的大量散射光造成的,而產(chǎn)生這些散射光的根本原因,又在于光學(xué)元件自身的質(zhì)量,即使整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)得再好,如果內(nèi)部光學(xué)元件的質(zhì)量不過關(guān),那么構(gòu)成的系統(tǒng)也不能正常工作。因此需要提高光學(xué)元件本身的質(zhì)量來改善散射光所帶來的問題。雖然光學(xué)系統(tǒng)的窗口或系統(tǒng)內(nèi)部也可能會(huì)產(chǎn)生散射光,但這種散射光能量較小,大部分的散射光是由光學(xué)元件表面散射造成的。通常表面產(chǎn)生的散射光能量要比內(nèi)部散射至少大1至2個(gè)數(shù)量級(jí)[15],所以光學(xué)元件表面質(zhì)量好壞與否,將直接影響光學(xué)系統(tǒng)的整體性能。

導(dǎo)致光學(xué)元件表面發(fā)生散射現(xiàn)象的原因有很多,例如表面的麻點(diǎn)、劃痕、破邊、開口氣泡以及粗糙度等表面微結(jié)構(gòu),還有可能是表面膜層厚度、薄膜材料折射率不均勻[16- 17]等各種問題。通常對(duì)比表面入射光波長(zhǎng)與散射源尺寸的大小,將散射源大致分為三類[18- 19]:

(1) 散射源的尺寸遠(yuǎn)大于入射光波長(zhǎng),這種散射源就是通常說的疵病,如劃痕、麻點(diǎn)、破邊等。

(2) 散射源的尺寸和入射光波長(zhǎng)處于同一數(shù)量級(jí)的單一離散不規(guī)則顆粒物,這類散射源稱作離散微粒。

(3) 入射光波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于散射源的尺寸,這種散射源在空間中精密排列,對(duì)光的散射表現(xiàn)在空間上的相互作用的綜合結(jié)果,因此不能當(dāng)作獨(dú)立的散射源來處理。這種散射源通常被稱作不規(guī)則微量散射,最典型的此類散射源就是表面粗糙度。

以上三種散射源具有不同的特性,所以就需要相對(duì)應(yīng)的散射理論來解釋這些散射源所引起的散射現(xiàn)象。對(duì)于第一類散射源,在三種類型中最容易被發(fā)現(xiàn),通過簡(jiǎn)單的幾何光學(xué)就能解釋它的散射現(xiàn)象。而幾何光學(xué)對(duì)第二種散射源則不再適用,這類散射源獨(dú)立分布且散射中心可以互不干擾,所以需要利用米氏散射理論來處理[20],其中特殊情況還能用瑞利散射解釋[21]。第三種散射源隨機(jī)不規(guī)則分布,它們的平均高度只有納米級(jí),這類散射源也被稱為粗糙度散射[22]。

2.2 表面疵病散射光學(xué)模型

利用顯微散射成像技術(shù)來檢測(cè)光學(xué)元件表面,主要在于檢測(cè)第一類散射源,即元件表面疵病,如劃痕、麻點(diǎn)、破邊等。對(duì)于這類散射源,之前有提到,通常利用幾何光學(xué)來解釋分析,但是這種表面疵病引起的散射現(xiàn)象與入射光的波長(zhǎng)無(wú)關(guān),具體模型如圖2所示。

圖2 疵病散射幾何模型Fig.2 Geometry model of defect scattering

假設(shè)元件疵病處是一個(gè)類似“V”字形的凹槽,當(dāng)入射光照射到光學(xué)元件表面時(shí)會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象[23]。如果表面無(wú)疵病,由幾何光學(xué)可得入射光A的反射光線為A2,如果表面存在疵病,同樣的入射光A,得到散射光線A1。將該光路放入顯微成像系統(tǒng)中,疵病所形成的散射光就是由遠(yuǎn)離主反射光A2的A1光線構(gòu)成,在顯微成像系統(tǒng)中就會(huì)觀察到暗背景下的亮疵病圖像。

在顯微成像系統(tǒng)中有各種散射光的存在,但我們需要關(guān)注的只是疵病散射所對(duì)應(yīng)的圖像,而其他散射光由于能量較小,在進(jìn)行圖像分析時(shí)一般可以忽略。對(duì)于其他的散射光,我們還需要對(duì)其的形成加以進(jìn)一步的研究,這樣才能找到一種最合適的方法來測(cè)量光學(xué)元件的表面質(zhì)量,提高疵病檢測(cè)的能力。

2.3 散射法檢測(cè)缺陷原理

利用光學(xué)元件的散射特性,我們可以構(gòu)造出一種基于散射法的光學(xué)元件表面疵病檢測(cè)方法。圖3為散射法檢測(cè)原理,由光源發(fā)出平行光照射到檢測(cè)對(duì)象表面,當(dāng)無(wú)疵病時(shí),反射光為平行光,由圖3(a)知無(wú)光線進(jìn)入照相系統(tǒng),當(dāng)有疵病時(shí),反射光將變?yōu)樯⑸涔?由圖3(b)知有光線進(jìn)入照相系統(tǒng),從而形成亮疵病圖像,由此檢測(cè)出光學(xué)元件表面的缺陷。

圖3 散射法疵病檢測(cè)原理圖Fig.3 Detection schematics of scattering method

3 表面疵病檢測(cè)方法

光學(xué)元件的質(zhì)量主要取決于表面質(zhì)量,而面形偏差檢測(cè)、表面粗糙度、表面疵病的檢測(cè)則是評(píng)價(jià)光學(xué)元件表面質(zhì)量的主要項(xiàng)目。面形偏差一般采用雙光束干涉的原理進(jìn)行檢測(cè),表面粗糙度的測(cè)量分為運(yùn)用觸針式輪廓儀的傳統(tǒng)接觸式測(cè)量法以及利用各種光學(xué)儀器的光學(xué)非接觸式測(cè)量法。而表面疵病的檢測(cè),絕大部分是利用表面缺陷處對(duì)光的散射特性發(fā)展而來的,如上一節(jié)所提到的散射法檢測(cè)表面缺陷。

3.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外的疵病檢測(cè)法大體上可以分為成像法和能量法[24],其中目視法、掠射法、濾波成像法等都屬于成像法,能量法則主要包含散射能量分析法、頻譜分析法等[25- 26]。另外,還有通過掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、觸針式表面輪廓儀等儀器直接對(duì)元件表面疵病進(jìn)行檢測(cè),這些方法根據(jù)原理的不同有著各自的特點(diǎn)。下面簡(jiǎn)單介紹幾種光學(xué)元件常用的缺陷檢測(cè)方法。

目視法[27]:作為一種最原始的檢測(cè)方法,當(dāng)前仍然在國(guó)內(nèi)光學(xué)元件檢測(cè)上廣泛應(yīng)用。目視法是指在暗場(chǎng)照明環(huán)境下,觀察者利用4～10倍放大鏡或者直接肉眼觀測(cè)光學(xué)元件表面,由自身經(jīng)驗(yàn)判斷表面疵病的種類、大小。目視法缺點(diǎn)是帶有十分明顯的主觀性,檢測(cè)結(jié)果容易受檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)以及眼睛的疲勞影響,檢測(cè)質(zhì)量因人而異,所以目視法的檢測(cè)效率很低,檢測(cè)精度不穩(wěn)定,一系列的問題限制了該檢測(cè)方法的發(fā)展。

濾波成像法[28- 29]:該方法與目視法的基本原理相似,不同之處在于不是肉眼直接觀察,而是由光學(xué)傳感器來代替,進(jìn)一步提高了檢測(cè)速度。濾波成像法又分為高通濾波成像法、低通濾波成像法和自適應(yīng)濾波成像法。(1) 高通濾波成像法[30]是指經(jīng)被測(cè)光學(xué)元件表面透射或反射后,限制光束中的低頻成分,剩下的高頻成分經(jīng)過光學(xué)傳感器成像,由于疵病散射光中大部分為高頻,所以此時(shí)的像為暗背景下呈現(xiàn)亮缺陷的像。經(jīng)過觀察和測(cè)試缺陷像的大小及明暗程度來判斷缺陷的大小和特性。(2) 低通濾波成像法與高通濾波成像法的原理正好相反,它是濾去成像光束中攜帶缺陷信息的空間頻率為高頻的部分,讓低頻成分進(jìn)行成像,此時(shí)的像為亮背景下呈現(xiàn)暗缺陷的像。(3) 自適應(yīng)濾波成像法與高通濾波成像法比較相似,在成像系統(tǒng)中限制光束中的低頻部分,讓有元件疵病信息的高頻部分到達(dá)成像面,但是濾去的頻譜并不是固定不變的,而是由反射或透射光的頻譜特征值決定,此時(shí)的像同樣為暗背景下呈現(xiàn)亮缺陷的像。圖4為自適應(yīng)濾波成像法的基本原理圖[31]。

圖4 自適應(yīng)濾波成像法原理Fig.4 Imaging principle of adaptive Fourier filter

掠射法[23]:該方法檢測(cè)原理與目前常用的暗場(chǎng)成像原理相似,具體光學(xué)系統(tǒng)原理如圖5所示。當(dāng)光線照射到光學(xué)元件表面時(shí),若是投射光斑區(qū)域沒有疵病,物鏡成像平面將會(huì)一片黑,若是投射光斑區(qū)域含有疵病,反射的光束將會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象,光束進(jìn)入物鏡成像平面形成亮的疵病圖像。

圖5 掠射法檢測(cè)的光學(xué)系統(tǒng)原理圖Fig.5 Principle of grazing method

散射能量分析法[32- 33]:通過分析表面疵病所發(fā)出散射光能量的大小和角度分布,得出疵病的實(shí)際情況。其中,散射光能量積分法是指對(duì)疵病產(chǎn)生的散射光能量進(jìn)行積分,由能量積分和疵病大小的線性關(guān)系,可以從積分?jǐn)?shù)值來評(píng)判疵病的危害程度。另一種散射光角度分布分析法則是通過測(cè)量每個(gè)角度疵病散射光的能量值大小,繪制出一條散射光能量與散射角度的關(guān)系圖,通過研究該圖的形狀特征來判別疵病種類。此法缺點(diǎn)是檢測(cè)系統(tǒng)過于復(fù)雜,檢測(cè)速度比較慢,并且無(wú)法確定疵病的具體位置。

頻譜分析法[34]:表面疵病引起的散射光穿過傅里葉透鏡,由后焦平面的光強(qiáng)分布得到疵病后向衍射譜的能量,再通過能量積分和疵病形態(tài)學(xué)處理得出疵病大小及深度情況。圖6是一種激光頻譜分析法檢測(cè)的應(yīng)用,該檢測(cè)系統(tǒng)由光學(xué)部分、運(yùn)動(dòng)控制部分以及計(jì)算機(jī)等構(gòu)成,通過反向衍射光的能量評(píng)估元件表面疵病。頻譜分析檢測(cè)方法缺點(diǎn)是由于受到疵病深層構(gòu)造的影響,并不能夠反映出疵病表層的面積大小。

其他直接用儀器進(jìn)行檢測(cè)的方法有AFM原子力顯微鏡[35]、STM掃描隧道顯微鏡[36]、干涉顯微鏡等,如圖7和圖8所示。由于這些顯微鏡的分辨率很高,不光可以直接觀察到疵病的形狀,甚至可以得出疵病的表面三維形貌。與此同時(shí),這類方法也有著一定的缺點(diǎn),即難以測(cè)量出疵病的宏觀特征,并且測(cè)量速度較慢和維護(hù)成本高,不適合在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中使用。

3.2 機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)

機(jī)器視覺作為一門把計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理技術(shù)[37]有效融為一體的新興檢測(cè)技術(shù),用數(shù)字圖像作為檢測(cè)手段,通過機(jī)器來識(shí)別物體,代替了人體的視覺系統(tǒng),再運(yùn)用圖像處理方法,提取出有用的信息,如表面形貌、各種參數(shù)數(shù)值等。該技術(shù)可運(yùn)用到控制、測(cè)量、檢測(cè)等相關(guān)的各領(lǐng)域,能夠通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)獲取和分析特定事物的圖像。

圖6 激光頻譜分析法的檢測(cè)原理圖Fig.6 Detecting principle of laser spectral analysis

圖7 原子力顯微鏡Fig.7 Atomic force microscope

圖8 掃描隧道顯微鏡Fig.8 Scanning tunneling microscope

一般機(jī)器視覺系統(tǒng)由以下單元組成:光源、成像鏡頭、相機(jī)、圖像處理單元、圖像處理軟件和外部通訊單元等[38]。結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

圖9 機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.9 Schematic diagram of a machine vision inspection system

自20世紀(jì)90年代初開始,利用機(jī)器視覺的光學(xué)元件表面缺陷檢測(cè)技術(shù)就已經(jīng)逐步發(fā)展起來。1996年加拿大的Raafat等[39]基于機(jī)器視覺系統(tǒng)對(duì)玻璃或塑料表面質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)目標(biāo)主要是表面劃痕、氣泡、裂紋等;韓國(guó)的Kim等[40]提出了一種基于機(jī)器視覺的快速檢測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶顯示器和等離子體顯示面板的在線質(zhì)量檢測(cè);2009年,美國(guó)勞倫新利弗摩爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用線掃描相位差分成像(linescan phase differential imaging,LPDI)和移相衍射干涉儀(phase shilling diffraction interferometer,PSDI)開發(fā)出檢測(cè)系統(tǒng)[41],通過圖像分析代碼識(shí)別LPDI圖像中的潛在相位缺陷;在國(guó)內(nèi)王雪等[42]提出了基于機(jī)器視覺的大口徑光學(xué)元件表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng),可普遍應(yīng)用于不同口徑的光學(xué)元件質(zhì)量檢測(cè);Peng等[43]提出了基于機(jī)器視覺的浮法玻璃在線檢測(cè)方法,通過檢測(cè)由玻璃和缺陷之間的光學(xué)特性的差異引起的圖像灰度級(jí)變化來測(cè)量缺陷,圍繞玻璃圖像分析和檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性和真實(shí)性等,建立了一系列圖形處理算法。

近幾年來,關(guān)于機(jī)器視覺的表面缺陷檢測(cè)已成為國(guó)內(nèi)外的一個(gè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究院Choi等[44]提出了一種基于光熱反射顯微技術(shù)的疵病檢測(cè)方法,檢測(cè)靈敏度可達(dá)到幾十納米;馬來西亞大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的Leea等[45]提出了一種非接觸視覺的方法來檢測(cè)陶瓷刀具刀片中發(fā)生的斷裂;蘇丹伊赫馬赫迪大學(xué)工程學(xué)院Talab等[46]提出用于檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)圖像裂縫的圖像處理方法,使用Sobel濾波消除殘余噪聲后,使用Otsu法檢測(cè)出主裂紋,實(shí)驗(yàn)工作表明,該方法能夠清晰準(zhǔn)確地檢測(cè)圖像中的裂紋;明志科技大學(xué)Chen[47]從機(jī)器視覺出發(fā),研究用于透鏡環(huán)套的缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由圖像采集傳感器、光源模塊和電機(jī)組成,具有89.44%的良好檢測(cè)效率;中北大學(xué)Jin等[48]提出一種基于數(shù)字光柵投影的新型在線測(cè)量系統(tǒng),使用基于一維傅里葉變換的圖像處理算法來處理?xiàng)l紋圖像,得到條紋圖像的屈光度分布,再由屈光度導(dǎo)出光學(xué)元件的變形程度;中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所Zhang等[49]考慮到大孔徑光學(xué)元件表面缺陷的檢查,提出了一種包含兩種成像系統(tǒng)的高效精密儀器,一種是由分辨率為10 μm的線掃描相機(jī)構(gòu)成的暗場(chǎng)成像系統(tǒng)(DFIS),另一種是由分辨率為1 μm的顯微鏡構(gòu)成的亮場(chǎng)成像系統(tǒng)(BFIS);江蘇大學(xué)姚紅兵課題組[50- 51]研究了基于機(jī)器視覺的無(wú)接觸測(cè)量方法,能夠?qū)渲R片缺陷進(jìn)行檢測(cè)分類,并且還開發(fā)出自動(dòng)化的檢測(cè)方法,提高了檢測(cè)系統(tǒng)的工作效率。

現(xiàn)如今的工業(yè)生產(chǎn)過程已經(jīng)逐步趨于自動(dòng)化,機(jī)器視覺能夠充分發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì),運(yùn)用于某些人眼無(wú)法觀測(cè)到或者危險(xiǎn)的工作環(huán)境中。在計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子電路集成化發(fā)展的今天,機(jī)器視覺的可靠程度也越來越高,充分利用它的非接觸性、實(shí)時(shí)性、靈活性和精確性等優(yōu)點(diǎn)[52],能夠更多地融入到生產(chǎn)過程或生活中去。利用機(jī)器視覺檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)如下:

(1) 非接觸性,當(dāng)檢測(cè)光學(xué)元件表面質(zhì)量時(shí),可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量,不會(huì)對(duì)元件的表面產(chǎn)生變形、有損等影響,從而保證了檢測(cè)過程的正確性。

(2) 實(shí)時(shí)性,機(jī)器視覺系統(tǒng)采用了先進(jìn)的硬件設(shè)備和有效的圖像處理算法,所以在檢測(cè)光學(xué)元件時(shí),能夠快速地完成整個(gè)檢測(cè)過程,并且及時(shí)得到檢測(cè)結(jié)果。這一實(shí)時(shí)特性對(duì)于在線檢測(cè)裝置的發(fā)展有著非常重要的意義。

(3) 靈活性,機(jī)器視覺系統(tǒng)可以根據(jù)不同的測(cè)試環(huán)境、測(cè)試零件進(jìn)行靈活的配置,再加上圖像處理算法的多樣性,可以通過調(diào)節(jié)達(dá)到用戶的檢測(cè)要求。另外還能與PLC、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作,增加了系統(tǒng)的靈活性。

(4) 精確性,傳統(tǒng)的目視法受主觀因素的影響,檢測(cè)出來的產(chǎn)品精度不理想,而機(jī)器視覺系統(tǒng)的處理過程由計(jì)算機(jī)完成,大大消除了人工目測(cè)帶來的偶然誤差,既保證了精密元件的檢測(cè)精度又提高了工作效率。

4 結(jié) 論

光學(xué)元件表面質(zhì)量的優(yōu)劣直接會(huì)影響整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的性能,特別是對(duì)于精密的元件來說,更是需要更加精密的表面質(zhì)量保證。本文對(duì)目前國(guó)內(nèi)外的光學(xué)元件表面缺陷檢測(cè)方法進(jìn)行了系統(tǒng)介紹,多數(shù)檢測(cè)方法是從光學(xué)元件的散射特性發(fā)展而來,其中基于機(jī)器視覺技術(shù)的缺陷檢測(cè)方法已經(jīng)成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)。

盡管基于機(jī)器視覺的光學(xué)元件表面缺陷檢測(cè)技術(shù)在近幾年已經(jīng)取得了較大的發(fā)展,但是依舊存在一些技術(shù)性的問題需要深入的研究,結(jié)合當(dāng)前研究的熱點(diǎn)以及難題,我們認(rèn)為在該領(lǐng)域還有以下工作需要做。

(1) 隨著未來科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,精密光學(xué)元件的體積會(huì)更大,結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜,對(duì)加工質(zhì)量要求也會(huì)越來越高。所以,對(duì)于缺陷檢測(cè)的技術(shù)難度和要求將會(huì)十分苛刻,必須針對(duì)各種類型的光學(xué)元件,研究出更精確更高效的檢測(cè)方法。

(2) 當(dāng)前光學(xué)元件缺陷檢測(cè)的另一個(gè)常見問題是檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試對(duì)象單一。部分研究方法只注意到劃痕的檢測(cè),對(duì)于較小缺陷以及表面污染物的檢測(cè)往往被忽略掉。因此,需要進(jìn)一步完善缺陷的樣本數(shù)據(jù),充實(shí)檢測(cè)出的缺陷類型,尤其是對(duì)于細(xì)微的缺陷,以提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

[1] 劉鵬.光學(xué)元件表面微缺陷可視化檢測(cè)技術(shù)研究[D].西安:西安工業(yè)大學(xué),2012.

[2] 米曾真.基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的光學(xué)元件表面缺陷檢測(cè)與分析[D].重慶:重慶大學(xué),2009.

[3] 徐德衍,王青,高志山,等.現(xiàn)行光學(xué)元件檢測(cè)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[M].科學(xué)出版社,2009.

[4] 機(jī)械工業(yè)部?jī)x器儀表工業(yè)局.光學(xué)元件技術(shù)要求[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1984.

[5] 楚紅雨.基于機(jī)器視覺的高功率激光裝置光學(xué)元件表面缺陷檢測(cè)技術(shù)研究[D].重慶:重慶大學(xué),2011.

[6] 中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì).GB 1185—1989光學(xué)零件表面疵病[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1989.

[7] MIL-0-13830A/B光學(xué)零件表面疵病標(biāo)準(zhǔn)[S].美國(guó)國(guó)防部標(biāo)準(zhǔn)化局,1994.

[8] 王科.光學(xué)元件表面疵病散射法檢測(cè)技術(shù)研究[D].西安:西安工業(yè)大學(xué),2013.

[9] AIKENS D M,BISSINGER H D.Overview of small optics for the National Ignition Facility[J].Proceedings of the SPIE,1999,3782:476-487.

[10] 肖冰.大口徑光學(xué)元件表面疵病自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵問題討論與研究[D].杭州:浙江大學(xué),2010.

[11] 王洪祥,沈璐,李成福,等.光學(xué)元件激光誘導(dǎo)損傷分析及實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)激光,2017,44(3):0302006.

[12] 尤科偉,張艷麗,張雪潔,等.光學(xué)元件表面缺陷相對(duì)位置分布對(duì)近場(chǎng)光束質(zhì)量的影響[J].中國(guó)激光,2015,42(3):0308004.

[13] 任冰強(qiáng),黃惠杰,張維新,等.光學(xué)元件損傷在線檢測(cè)裝置及實(shí)驗(yàn)研究[J].強(qiáng)激與光子束,2004,16(4):465-468.

[14] 孫丹丹.精密表面缺陷特性及光學(xué)顯微散射成像系統(tǒng)的研究[D].杭州:浙江大學(xué),2006.

[15] AMRA C.From light scattering to the microstructure of thin- film multilayers[J].Applied Optics,1993,32(28):5481-5491.

[16] ELSON J M.Theory of light scattering from a rough surface with an inhomogeneous dielectric permittivity[J].Physical Review B,1984,30(10):5460-5480.

[17] AMRA C.First- order vector theory of bulk scattering in optical multilayers[J].Journal of the Optical Society of America A,1993,10(2):365-374.

[18] STOVER J C.Optical scattering:measurement and analysis[M].New York:McGraw- Hill,1990:67-75.

[19] YOUNG M.The scratch standard is only a cosmetic standard[M].Boulder,Colorado:National Bureau of Standards,1985:138-140.

[20] 趙凱華,鐘錫華.光學(xué) 下冊(cè)[M].北京:北京大學(xué)出版社,1984.

[21] 陳軍,尤政,周兆英.激光散射理論及其在計(jì)量測(cè)試中的應(yīng)用[J].激光技術(shù),1996,20(6):359-365.

[22] BECKMANN P,SPIZZICHINO A.The scattering of electromagnetic waves from rough surface[M].New York:Macmillan,1993.

[23] 王元慶.表面疵病的掠射法檢測(cè)[J].應(yīng)用激光,1998(2):55-58.

[24] LIBERATI F.Measure of surface and bulk defects in any transmitting or reflecting optical component[J].Proceedings of the SPIE,1992,1781:170-174.

[25] KLINGSPORN P E.Determination of the diameter of an isolated surface defect based on fraunhofer diffraction[J].Applied Optics,1980,19(9):1435-1438.

[26] ENDOH H,HIWATASHI Y,HOSHIMIYA T.Nondestructive evaluation of simulated and actual surface defects using a photoacoustic microscope[J].Proceedings of the SPIE,1999,3740:650-652.

[27] 戴名奎,徐德衍.光學(xué)元件的疵病檢驗(yàn)與研究現(xiàn)狀[J].光學(xué)儀器,1996(3):33-36.

[28] BAKER L R.Microscope image comparator[J].Optica Acta,1984,31(6):611-614.

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

[30] 沈衛(wèi)星.相干濾波成像系統(tǒng)測(cè)量光學(xué)元件表面疵病[J].光學(xué)技術(shù),2000,26(4):361-362.

[31] CORMACK R,JOHNSON K M,ZHANG L,et al.Optical inspection of manufactured glass using adaptive fourier filtering[J].Optical Engineering,1988,27(5):275358.

[32] LORINCIK J,FINE J,GILLEN G.The scanning scattering microscope for surface and buried interface roughness and defect imaging[J].Proceedings of the SPIE,1997,3141:302-315.

[33] PEZZANITI J L,HADAWAY J B,CHIPMAN R A,et al.Total integrated scatter instrument for in- space monitoring of surface degradation[J].Proceedings of the SPIE,1990,1392:200-210.

[34] 張曉,楊國(guó)光,程上彝,等.光學(xué)表面疵病的激光頻譜分析法及其自動(dòng)檢測(cè)儀[J].儀器儀表學(xué)報(bào),1994,15(4):396-399.

[35] 馬榮駿.原子力顯微鏡及其應(yīng)用[J].礦冶工程,2005,25(4):62-65.

[36] 梁齊,葉慶好.近代物理新實(shí)驗(yàn)——掃描隧道顯微鏡(STM)[C]∥“新技術(shù)在物理教學(xué)中”國(guó)際會(huì)議.合肥:中國(guó)物理學(xué)會(huì),1998.

[37] 岡薩雷斯.數(shù)字圖像處理[M].阮秋琦,譯.2版.北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[38] 張彬.散射掃描法光學(xué)元件表面疵病檢測(cè)技術(shù)研究[D].西安:西安工業(yè)大學(xué),2014.

[39] RAAFAT H,TABOUN S.An integrated robotic and machine vision system for surface flaw detection and classification[J].Computers & Industrial Engineering,1996,30(1):27-40.

[40] KIM S W,YOOND S.Rapid defect inspection of display devices with optical spatial filtering[J].Proceedings of the SPIE,1999,3824:255-261.

[41] RAVIZZA F L,NOSTRAND M C,KEGELMEYER L M,et al.Process for rapid detection of fratricidal defects on optics using linescan phase- differential imaging[J].Proceedings of the SPIE,2009,7504:75041B.

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

[43] PENG X,CHEN Y,YU W,et al.An online defects inspection method for float glass fabrication based on machine vision[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2008,39(11):1180-1189.

[44] CHOI W J,RYU S Y,KIM J K,et al.Fast mapping of absorbing defects in optical materials by full- field photothermal reflectance microscopy[J].Optics Letters,2013,38(22):4907-4910.

[45] LEE W K,RATNAM M M,AHMAD Z A.Detection of fracture in ceramic cutting tools from workpiece profile signature using image processing and fast Fourier transform[J].Precision Engineering,2016,44:131-142.

[46] TALAB A M A,HUANG Z C,XI F,et al.Detection crack in image using Otsu method and multiple filtering in image processing techniques[J].Optik- International Journal for Light and Electron Optics,2016,127(3):1030-1033.

[47] CHEN S H.Inspecting lens collars for defects using discrete cosine transformation based on an image restoration scheme[J].IET Image Processing,2016,10(6):474-482.

[48] JIN Y,WANG Z,CHEN Y X,et al.The online measurement of optical distortion for glass defect based on the grating projection method[J].Optik- International Journal for Light and Electron Optics,2016,127(4):2240-2245.

[49] ZHANG Z T,TAO X,XU D,et al.Surface flaws detection algorithms for large aperture optical element[C]∥Proceedings of 2015 International Conference on Advanced Mechatronic Systems.Beijing:IEEE,2015:485-490.

[50] 曾祥波.基于機(jī)器視覺的鏡片疵病自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2014.

[51] 馬桂殿.基于機(jī)器視覺的樹脂鏡片缺陷檢測(cè)及分類方法研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2014.

[52] 劉曙光,劉明遠(yuǎn),何鉞.機(jī)器視覺及其應(yīng)用[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2000,38(4):11-15,26.