[发明专利]一种非球面熔石英元件表面微缺陷快速定位方法

权利要求书

1.一种非球面熔石英元件表面微缺陷快速定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、以机床的机械零点为原心O，建立机床坐标系O-XYZ，机床坐标系的三轴指向同空间直角坐标系的三轴指向；

步骤二、基于步骤一，使待测熔石英元件位于明场视野中心，利用面阵CCD相机采集待测熔石英元件图像，根据待测熔石英元件的非球面的四条边界线在机床坐标系下的位置，来获得待测熔石英元件的非球面几何中心移动至明场视野中心时，机床在机床坐标系下的坐标；

所述步骤二的具体过程为：

将待测熔石英元件移动到明场视野中心，分别记录待测熔石英元件非球面的上边界线和下边界线在机床坐标系下的Y轴坐标y_T和y_D，以及非球面的左边界线和右边界线在机床坐标系下的X轴坐标x_L和x_R；

则待测熔石英元件的非球面几何中心移动至明场视野中心时，机床在机床坐标系下的坐标(x₀,y₀)为：

步骤三、将待测熔石英元件移动至光谱共焦位移测距仪处，对待测熔石英元件的非球面表面的特征点进行测距，获得非球面表面特征点的坐标值；

并利用非球面表面特征点的坐标值，来拟合出待测熔石英元件的非球面在元件坐标系下方程；

所述步骤三的具体过程为：

以待测熔石英元件的非球面的几何中心为原点O′，建立标准坐标系O′-X″Y″Z″和元件坐标系O′-X′Y′Z′，所述元件坐标系的三轴指向同机床坐标系的三轴指向，所述标准坐标系的X″轴与待测熔石英元件非球面的上边界线和下边界线平行，Y″轴与待测熔石英元件非球面的左边界线和右边界线平行，Z″轴方向为待测熔石英元件非球面的过原点O′的法向；

则待测熔石英元件在标准坐标系下的非球面方程为：

其中：1/c为非球面几何中心处的曲率半径，k为圆锥系数，x″、y″、z″分别为非球面在X″、Y″、Z″轴方向的坐标；

由于安装时待测熔石英元件装配调整精度有限，标准坐标系的三轴与元件坐标系的三轴存在旋转误差，因此，需要将公式(2)的标准坐标系下非球面方程转化为元件坐标系下的非球面方程；

假设待测熔石英元件的非球面上有一缺陷点A，缺陷点A在元件坐标系、标准坐标系下的坐标分别为(x′,y′,z′)、(x″,y″,z″)，根据旋转变换原理，元件坐标系与标准坐标系之间存在如下公式(3)的关系：

其中：θ为标准坐标系X″轴与工件坐标系X′轴的旋转误差角度，为标准坐标系Y″轴与工件坐标系Y′轴的旋转误差角度，ρ为标准坐标系Z″轴与工件坐标系Z′轴的旋转误差角度；R(x″,θ)为标准坐标系X″轴与工件坐标系X′轴的旋转矩阵，为标准坐标系Y″轴与工件坐标系Y′轴的旋转矩阵，R(z″,ρ)为标准坐标系Z″轴与工件坐标系Z′轴的旋转矩阵；

其中：旋转矩阵的表达式为：

由于Z″轴方向不存在旋转，即ρ＝0，则旋转矩阵R的表达式变换为公式(5)：

待测熔石英元件在元件坐标系下的z′值的计算公式为：

sinθ＝tanθ，cosθ＝1，则待测熔石英元件在元件坐标系下的非球面方程为：

采用光谱共焦位移测距仪对非球面表面的特征点1、特征点2、特征点3、特征点4和特征点5进行测距，其中：特征点1为非球面的几何中心，特征点2，特征点3，特征点4和特征点5分别为以非球面几何中心为中心的矩形的四个顶点，所述矩形的四条边分别与机床坐标系的X轴和Y轴平行，在光谱共焦位移测距仪的量程范围内，所述矩形涵盖的非球面表面面积应尽量大；

非球面几何中心在明场视野中清晰成像时，机床在机床坐标系的Z轴方向坐标z₀为：

z₀＝l₁+z_c-σ₁ (8)

其中：l₁为光谱共焦位移测距仪在特征点1处的测量结果，z_c为测距时光谱共焦位移测距仪在机床坐标系Z轴方向的坐标，σ₁为面阵CCD相机清晰成像时的物距；

分别测出光谱共焦位移测距仪与特征点2，特征点3，特征点4和特征点5的距离值，同时分别记录特征点2，特征点3，特征点4和特征点5在X轴与Y轴的光栅反馈值，即获得非球面表面的特征点2，特征点3，特征点4和特征点5在机床坐标系下的三维坐标，采用最小二乘法对获得的特征点2，特征点3，特征点4和特征点5的坐标值进行处理，计算出和θ的值；

将计算出的和θ值代入公式(7)，求得待测熔石英元件在元件坐标系下的非球面方程；

步骤四、基于步骤二和步骤三，将待测熔石英元件移至CMOS面阵相机工位进行单幅拍照，对采集的图像进行处理后，将图像的二维信息还原至三维，从而获得待测熔石英元件非球面表面缺陷点的位置信息，并对待测熔石英元件非球面表面缺陷点进行修复；

所述步骤四的具体过程为：

步骤四一、将待测熔石英元件移至CMOS面阵相机工位，待测熔石英元件非球面表面缺陷点A发出的散射光进入成像系统，则成像系统的CMOS面阵相机对暗背景下的亮缺陷进行图像采集；

对采集到的图像进行顶帽变换后去除背景信息，再采用拉普拉斯加权自适应二值化实现图像分割，获得目标图像；取目标图像的最小外接圆圆心作为缺陷点A的像素坐标，最小外接圆直径作为缺陷点A的像素尺寸；

步骤四二、若缺陷点A的像素坐标为(x_pixel,y_pixel)，根据相机成像原理，则缺陷点A对应的成像面坐标(x₁,y₁)为：

其中：k_x、k_y为缺陷点A的像素坐标到成像面坐标的转换系数；

步骤四三、CMOS面阵相机的成像面为平面，根据映射关系，在CMOS面阵相机成像时曲面信息会转化为平面信息，沿光轴方向的深度信息被压缩；对缺陷点A的Y轴方向进行分析，缺陷点A在元件坐标系下的坐标为(x′,y′,z′)，缺陷点A在成像面对应的点为A₁，A₁点在元件坐标系下的坐标为(x₁,y₁,z₁)；

由几何光学得，y′与y₁存在如下对应关系：

其中：L代表入射成像系统的光心与非球面几何中心的距离；

z′＝z₁，则

同理得到：

则缺陷点A在元件坐标系下坐标与缺陷点A在成像平面坐标的对应关系为：

步骤四四、建立缺陷点A在元件坐标系下坐标与缺陷点A像素坐标的关系；

当机床移至(x₀，y₀)时，待测熔石英元件非球面的几何中心处于明场视野中心，因此，当机床移至式(15)所示位置时，缺陷点A处于明场视野中心，即可利用面阵CCD相机对缺陷点A进行观察；

同理，当机床移至式(16)所示位置时，缺陷点A处于激光修复工位，即可对缺陷点A进行修复；

其中：σ_x、σ_y为激光头到明场视野中心的X、Y轴方向距离，σ₂为激光修复时激光头在机床坐标系中的坐标；

通过式(15)、(16)即将缺陷点的像素坐标转化为对应的明场工位坐标、修复工位坐标，将熔石英元件非球面的几何中心移动至修复工位坐标处，实现对熔石英元件表面缺陷的修复，再将熔石英元件非球面的几何中心移动至明场工位坐标处，对修复结果进行查看。