[发明专利]一种大口径元件表面微缺陷检测与修复的自动化工艺方法

权利要求书

1.一种大口径元件表面微缺陷检测与修复的自动化工艺方法，其特征在于，设置安装工位、暗场检测工位、显微检测工位和激光修复工位，按照下述步骤对大口径元件表面缺陷进行检测和修复：

步骤一、将元件从安装工位移动到暗场检测工位，利用暗场相机采集元件表面图像并处理，实现对元件表面多个缺陷区域的粗定位；具体步骤包括：

步骤一一、对元件表面预设扫描区域进行逐行逐列移动扫描，采集获取多个预设拍照位置的多张子图；每张子图的预设拍照位置为：

式中，x_i,j、y_i,j、z_i,j表示机床坐标系下第j行第i列子图的拍照位置；x_o、y_o表示元件几何中心点在暗场相机视野中心时机床坐标系下X、Y轴坐标；Xs、Ys分别表示沿行、沿列方向扫描步进值；S_X、S_Y分别表示扫描起始点与元件几何中心点在X、Y轴方向的距离；z(iX_S-S_X,jY_S-S_Y)表示以元件几何中心点为坐标原点的元件标准方程；z_o表示元件几何中心点在暗场相机聚焦清晰时机床坐标系下Z轴坐标；

步骤一二、对每张子图进行图像分割处理，获得多个缺陷区域图像；求取每个缺陷区域轮廓的最小外接圆，将其圆心作为该缺陷区域在子图中的像素坐标；通过下式获得每个缺陷区域在工件坐标系下的X、Y轴坐标(x_p,y_p)：

式中，k_x、k_y分别表示单个像素在工件坐标系X、Y轴方向所代表的实际尺寸；m、n表示缺陷区域所对应的子图编号，n代表行号，m代表第n行的第m张子图；L_W、L_H分别表示子图的像素宽度和高度；LocX、LocY表示缺陷区域在子图中的像素坐标；S_W/2、S_H/2分别表示预设扫描区域宽度值的一半、高度值的一半；

根据缺陷区域的像素坐标提取缺陷区域特征，并将缺陷区域特征输入预训练的集成决策树分类模型对元件表面缺陷区域进行识别，以剔除后表面伪缺陷区域；其中，所述缺陷区域特征包括尺寸特征、灰度特征和梯度特征；

步骤二、将元件从暗场检测工位移动到显微检测工位，利用显微相机按照粗定位获得的每个缺陷区域位置采集包含单个缺陷区域的图像并处理，实现对元件表面多个缺陷区域的精定位；具体步骤包括：

步骤二一、对于每个缺陷区域，在背照光源、环形光源和同轴光源下分别采集三个图像，并按照红绿蓝三通道顺序进行RGB合成；将每个缺陷区域合成后的图像输入预训练的基于卷积神经网络的缺陷预测模型进行预测，获取预测结果，所述预测结果包括缺陷区域是否为伪缺陷，从而进一步剔除伪缺陷区域；

步骤二二、粗定位时暗场相机采集子图的位置即为每个缺陷区域在机床坐标系下的Z轴初始坐标，采用改变物距的自动聚焦方法对所述Z轴初始坐标进行修正，具体包括：设置搜索步长以改变显微相机和元件之间的物距，按照搜索步长采集缺陷区域在不同焦平面下的图像；对于每个焦平面下的一个图像，计算其水平和垂直方向的梯度平方和；比较不同焦平面对应的多个水平和垂直方向的梯度平方和，当水平和垂直方向的梯度平方和的值减小时，减小搜索步长以提高聚焦精度，否则按照搜索步长沿反方向进行采集；继续采集包含缺陷区域的图像，重复上述过程，直至搜索步长小于预设步长阈值时停止；此时，缺陷区域在机床坐标系下的Z轴修正坐标为：Z轴初始坐标加上多个焦平面所对应的搜索步长的总和；

步骤二三、所述Z轴修正坐标对应的物距确定了聚焦清晰时显微相机和元件的位置，在聚焦清晰后采集包含单个缺陷区域的图像；对所述图像进行二值化处理；对经过二值化处理的图像提取缺陷区域轮廓，计算缺陷区域的X、Y轴当前坐标和初始坐标在图像坐标系下的像素坐标偏差值；根据像素坐标偏差值计算在机床坐标系下的实际坐标偏差值；根据实际坐标偏差值计算获得X、Y轴修正坐标；其中，每个缺陷区域X、Y轴初始坐标是粗定位时已经获得的坐标；X、Y、Z轴修正坐标即为每个缺陷区域的精定位结果；

步骤三、将元件从显微检测工位移动到激光修复工位，利用激光修复装置对多个缺陷区域进行修复；具体步骤包括：

步骤三一、通过修复坑间允许的最小距离来判断各个缺陷区域之间的交联程度以确定修复策略，交联程度小的缺陷区域采用单缺陷修复策略，交联程度大的缺陷区域采用多缺陷修复策略；其中，单缺陷修复策略包括依据缺陷区域尺寸确定修复坑尺寸和激光修复参数；多缺陷修复策略包括计算获取包络相互交联的多个缺陷区域的最小外接圆直径，依据该直径确定修复坑尺寸和激光修复参数；所述激光修复参数包括激光的功率、频率、脉宽和扫描路径；所述缺陷区域尺寸的获取方法为：步骤二三中提取每个缺陷区域轮廓后，求取缺陷区域轮廓的最小外接圆，以最小外接圆半径作为该缺陷区域像素尺寸，并根据已标定的图像单个像素所代表的实际尺寸乘以所述像素尺寸获得缺陷区域尺寸；

步骤三二、依据修复策略，利用激光修复装置按照精定位结果中缺陷区域坐标位置对元件表面多个缺陷区域进行修复；

按照下述方法确定元件表面每个缺陷区域在暗场检测工位、显微检测工位和激光修复工位的机床坐标系下坐标位置：

首先，标定各工位之间的距离，包括显微检测工位与暗场检测工位的工位差、显微检测工位与激光修复工位的工位差；

然后，获取机床坐标系下元件上任意点移动到显微检测工位时，相对于其标定位姿的平移误差和偏转误差，所述平移误差包括X、Y、Z轴平移误差；所述偏转误差包括X、Y轴偏转误差；获取所述平移误差的步骤包括：将元件的多个边缘部位分别移动到相机采集范围内，采集多个边缘部位对应的多个边缘图像；对多个边缘图像分别进行图像处理和坐标转换处理，获取元件多个边缘中点在机床坐标系下的坐标；根据多个边缘中点在机床坐标系下的坐标计算获得元件几何中心点坐标，即为X、Y轴平移误差；通过测距仪对元件几何中心点进行测距，获得Z轴平移误差；获取所述偏转误差的步骤包括：通过测距仪对元件的多个边缘角点进行测距，获得多个边缘角点测距值；根据多个边缘角点测距值，采用最小二乘法拟合获得元件上任意点相对于其标定位姿X轴的偏转误差θ、Y轴的偏转误差

然后，根据所述平移误差和偏转误差计算获得元件上任意点在显微检测工位的标定位姿：

式中，(x_B,y_B,z_B)表示元件上任意点在显微检测工位的机床坐标下标定坐标；(x_p,y_p)表示元件在标准坐标系下的坐标；(x₀,y₀)表示元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿的X、Y轴平移误差；z₀表示元件上任意点相对于机床坐标系下其标定位姿的Z轴平移误差；f(x_p,y_p)表示元件的标准方程；

最后，将元件上任意点在显微检测工位的标定坐标加上显微检测工位与暗场检测工位的工位差得到元件上任意点在暗场检测工位的标定位姿；将元件上任意点在显微检测工位的标定坐标加上显微检测工位与激光修复工位的工位差得到元件上任意点在激光修复工位的标定位姿。