光学元件表面缺陷全场识别与定位方法及系统

本发明涉及光电检测的，尤其涉及一种光学元件表面缺陷全场识别与定位方法，以及光学元件表面缺陷全场识别与定位系统。

背景技术：

1、随着光学工程技术的不断发展，各类光学系统被广泛用于城市监控、工程测量、医疗检测、消费数码等领域。现代光学加工和设计技术日新月异的更迭推动现代光学系统的规模越来越庞大，光学系统的质量问题给科学家们带来了巨大的挑战。这些系统中包含了大量的光学元件，现代光学系统对常规的光学元件的质量、制造效率和制造成本的要求也越来越严格。相应的，这些光学元件的质量问题就成为了影响系统正常运行的最为关键的因素之一。

2、光学元件的表面缺陷是影响光学元件质量的作为主要的因素之一。光学元件表面缺陷是指光学零件表面呈现的麻点、擦痕、气泡、破边等瑕疵，一般而言，表面缺陷越少，尺寸越小，成像质量越好。

3、以高能激光驱动装置为例，由于高能激光驱动装置的光通量及输出功率都非常高，且长期处于极端条件下，如果光学元件的表面缺陷不能满足设计要求，可能会对光束质量造成影响，甚至对光学元件或其膜层造成激光损伤。激光损伤一旦形成，不仅会大幅影响光束质量，而且引入的误差可能会进一步造成下游光学元件的损伤。同时，激光损伤区域在强激光辐照下会发生损伤增长，降低光学元件的使用寿命，甚至导致整个光学系统的瘫痪，带来巨大的经济损失。因此，对于光学元件的表面缺陷的检测技术的研究至关重要，是实现高效率可控可预测制造等问题的关键，对于提升精密光学元件制造及检测水平具有重要价值。

4、目前在工业应用中，光学元件表面缺陷的检测技术多用目视观察法或显微观察法进行测量。其中目视观察法只能用来观察尺寸相对较大的表面缺陷，且受观测人个人因素影响极大，难以作为标准方法。而显微观察法借助显微镜可以观测到尺寸相对较小的表面缺陷，但受限于个人经验、视场、操作等问题，测量效率低。而且，在观察到缺陷后，为了后续加工修复方便，一般还需要再进一步去测量缺陷在表面的位置，不能直接完成定位，效率低下。

5、综上所述，目前在工业应用中，光学元件表面缺陷的检测技术很难兼顾检测的精度与效率，难以实现较为精确的动态监测。同时，也很难在识别表面缺陷的同时实现对表面缺陷的定位，这已经成为了限制光学元件大规模高精度制造和检测的关键性问题。

技术实现思路

1、为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种光学元件表面缺陷全场识别与定位方法，其能够兼顾检测的精度与效率，实现较为精确的动态监测，在识别表面缺陷的同时实现对表面缺陷的定位，可完成光学元件的全场识别与定位，加快了检测速度，提高了检测精度。

2、本发明的技术方案是：这种光学元件表面缺陷全场识别与定位方法，其包括以下步骤：

3、(1)利用面形测量干涉仪和平移台，逐步移动待测元件的轴向位置，得到不同轴向位置处的多帧干涉图；

4、(2)利用差分方法对多帧干涉图携带的强度信息进行处理，去除多帧干涉图携带的强度信息中彼此相同的强度信息，利用剩余信息重构干涉图的强度信息，所述差分方法为帧间差分法或背景差分法；

5、(3)利用去低频方法对步骤(2)中重构的多帧干涉图的强度信息进行处理，去除其携带的强度信息中低频的部分，利用剩余高频部分再次重构干涉图的强度信息；

6、(4)利用目标识别方法对步骤(3)中重构的多帧干涉图的强度信息中的闭合同心环状特征进行检测，完成表面缺陷的识别；

7、(5)获取步骤(4)中识别的表面缺陷的像素坐标，通过干涉图的像素坐标与被测元件的实际坐标之间的对应关系，计算得到表面缺陷在被测元件表面的坐标，完成表面缺陷的定位。

8、本发明通过面形测量干涉仪和平移台采集多帧干涉图，利用差分方法去除其中的相同部分，利用去低频方法分离出其中的低频部分，重构多帧干涉图，分离出多帧干涉图强度信息中由表面缺陷引起的闭合同心环状特征，利用目标识别方法识别闭合同心环状特征，实现对表面缺陷的全场识别与定位。与传统表面缺陷检测方法相比，充分利用了干涉图中由表面缺陷引入的高频强度信息对缺陷进行全场识别和定位，能够兼顾检测的精度与效率，实现较为精确的动态监测，在识别表面缺陷的同时实现对表面缺陷的定位，可完成光学元件的全场识别与定位，加快了检测速度，提高了检测精度。

9、还提供了一种光学元件表面缺陷全场识别与定位系统，其包括：面形测量干涉仪(1)、补偿镜(2)、被测元件(3)、位移台(4)、差分模块、去低频模块、目标识别模块、缺陷定位模块；

10、差分模块，其配置来利用差分方法对多帧干涉图携带的强度信息进行处理，去除多帧干涉图携带的强度信息中彼此相同的强度信息，利用剩余信息重构干涉图的强度信息，所述差分方法为帧间差分法或背景差分法；

11、去低频模块，其配置来利用去低频方法对差分模块中重构的多帧干涉图的强度信息进行处理，去除其携带的强度信息中低频的部分，利用剩余高频部分再次重构干涉图的强度信息；

12、目标识别模块，其配置来利用目标识别方法对去低频模块中重构的多帧干涉图的强度信息中的闭合同心环状特征进行检测，完成表面缺陷的识别；

13、缺陷定位模块，其配置来获取目标识别模块中识别的表面缺陷的像素坐标，通过干涉图的像素坐标与被测元件的实际坐标之间的对应关系，计算得到表面缺陷在被测元件表面的坐标，完成表面缺陷的定位。

技术特征：

1.光学元件表面缺陷全场识别与定位方法，其特征在于：其包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的光学元件表面缺陷全场识别与定位方法，其特征在于：所述步骤(1)中，采集的干涉图不少于10张。

3.根据权利要求2所述的光学元件表面缺陷全场识别与定位方法，其特征在于：所述步骤(1)中，采集的相邻干涉图之间的轴向距离大于等于1μm。

4.根据权利要求3所述的光学元件表面缺陷全场识别与定位方法，其特征在于：所述步骤(2)中，最少同时选用3张干涉图片进行差分处理。

5.根据权利要求3所述的光学元件表面缺陷全场识别与定位方法，其特征在于：所述步骤(2)中，通过帧间差分法对多帧干涉图进行处理，将采集到的第一帧和第五帧的两幅干涉图的强度值相减，得到相减后的图像；对相减后得到的图像的强度信息进行二值化处理，设定二值化阈值为该图像最大强度的60％，如果该图像像素点的强度信息小于阈值，则标记为0，如果该图像像素点的强度信息大于阈值，则标记为1；标记为1的区域为多帧干涉图中强度信息发生变化的区域，利用对应区域的强度信息重构干涉图。

6.根据权利要求3所述的光学元件表面缺陷全场识别与定位方法，其特征在于：所述步骤(2)中，通过背景差分法对多帧干涉图进行处理，选取前五帧干涉图像，取平均值，将其作为初始的背景图像；当前帧图像与背景图像作灰度减运算，并取绝对值；若对应像素的绝对值小于阈值，那么该像素点对应的为背景点；分离出背景点，是多帧干涉图中相同的强度信息，从初始干涉图中减去这些强度信息，利用剩余信息重构干涉图。

7.根据权利要求3-6任一项所述的光学元件表面缺陷全场识别与定位方法，其特征在于：所述步骤(3)中，去低频方法包括：傅里叶变换法、高通滤波法、小波变换法；去低频操作最少进行一次，若重构得到干涉图中闭合同心环状特征不明显，则更换滤波算法或人为调整算法阈值再次进行处理。

8.根据权利要求7所述的光学元件表面缺陷全场识别与定位方法，其特征在于：所述步骤(4)中，目标识别方法包括：r-cnn目标识别法、fast r-cnn目标识别法，faster r-cnn目标识别法、yolo目标识别法、ssd目标识别法。

9.根据权利要求8所述的光学元件表面缺陷全场识别与定位方法，其特征在于：所述步骤(5)中，计算表面缺陷实际坐标的方法包括：光线追迹法、直接计算方法。

10.光学元件表面缺陷全场识别与定位系统，其特征在于：其包括：面形测量干涉仪(1)、补偿镜(2)、被测元件(3)、位移台(4)、差分模块、去低频模块、目标识别模块、缺陷定位模块；

技术总结本发明公开光学元件表面缺陷全场识别与定位方法及系统，通过面形测量干涉仪和平移台采集多帧干涉图，利用差分方法去除其中的相同部分，利用去低频方法分离出其中的低频部分，重构多帧干涉图，分离出多帧干涉图强度信息中由表面缺陷引起的闭合同心环状特征，利用目标识别方法识别闭合同心环状特征，实现对表面缺陷的全场识别与定位。与传统表面缺陷检测方法相比，充分利用了干涉图中由表面缺陷引入的高频强度信息对缺陷进行全场识别和定位，能够兼顾检测的精度与效率，实现较为精确的动态监测，在识别表面缺陷的同时实现对表面缺陷的定位，可完成光学元件的全场识别与定位，加快了检测速度，提高了检测精度。技术研发人员：郝群,胡摇,董欣宇,黄勇受保护的技术使用者：北京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25