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原文传递一种大曲率半径球面光学元件自动化位姿调整方法与装置

专利名称：	一种大曲率半径球面光学元件自动化位姿调整方法与装置
摘要：	本发明公开了一种大曲率半径球面光学元件自动化位姿调整方法与装置。本发明利用高倍显微镜对大曲率半径球面光学元件表面沿竖直和水平两条正交直径的四个边缘特征点分别进行对焦到离焦的连续多幅暗场灰度图像采集，计算图像Tenengrad算子值，拟合Tenengrad算子值与高倍显微镜轴向移动量曲线，依据图像Tenengrad算子极值判据搜寻正焦位置，获得各特征点空间坐标；通过建立特征点与调整装置空间数学模型，将四特征点空间坐标转换为俯仰和自旋两维调整量，进行位姿调整操作。本发明解决了大曲率半径球面光学元件在显微镜全口径扫描检测过程中出现的因光学元件光轴与显微镜光轴不平行以及球面光学元件矢高变化超出显微镜景深范围而造成的离焦问题。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	浙江;33
申请人：	杭州晶耐科光电技术有限公司
发明人：	杨甬英;曹频
专利状态：	有效
申请日期：	2019-01-25T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-12T00:00:00+0800
申请号：	CN201910074001.3
公开号：	CN110006921A
代理机构：	杭州求是专利事务所有限公司
代理人：	忻明年
分类号：	G01N21/95(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	310027 浙江省杭州市余杭区良渚街道沈港路10号506室
主权项：	1.一种大曲率半径球面光学元件自动化位姿调整方法，其特征在于步骤如下：步骤1、利用高倍显微镜(S15)和CCD相机(S16)成像，移动XY方向二维导轨在大曲率半径球面光学元件(S1)表面寻找到第一表面特征点(A)；所述的表面特征点指大曲率半径球面光学元件(S1)表面边缘的疵病、擦痕具有信息特征的点；步骤2、利用高倍显微镜(S15)对第一表面特征点(A)进行等步长连续多幅暗场灰度图像采集；所述的暗场灰度图像是指用高亮度环形LED冷光源发射的平行光束照射大曲率半径球面光学元件(S1)表面的第一表面特征点(A)产生散射光线，散射光线被高倍显微镜(S15)和CCD相机(S16)收集所形成暗场灰度图像；步骤3、选取暗场灰度图像中合适的区域进行灰度图像边缘算子：Tenengrad算子F值的计算；所述的暗场灰度图像中合适的区域指待测球面元件(S1)被采集的图像视场中，由于球面的弯曲程度超过显微光学系统的景深范围而造成一个图像视场中有清晰和模糊像的不同区域，选取处理效果好的清晰区域进行计算；所述的Tenengrad算子F由下式表示：其中所述的掩模模板Tx和Ty大小为：其中f(x,y)为(x,y)像素位置的灰度等级；步骤4、利用曲线拟合方法拟合图像Tenengrad算子F值与高倍显微镜(S15)移动距离曲线，并通过搜索曲线中Tenengrad算子F值的极值的方法，得到高倍显微镜(S15)的正焦位置，得到第一表面特征点(A)的坐标(xA,yA,zA)；步骤5、利用高倍显微镜(S15)和CCD相机(S16)成像，移动XY方向二维导轨寻找到大曲率半径球面光学元件(S1)第二表面特征点(B)、第三表面特征点(C)、第四表面特征点(D)；所述的第一表面特征点(A)、第二表面特征点(B)，指其两点连线为大曲率半径球面光学元件(S1)竖直方向直径的两边缘点，第三表面特征点(C)、第四表面特征点(D)，指其两点连线为大曲率半径球面光学元件(S1)水平方向直径的两边缘点；步骤6、重复步骤2至步骤4所述过程，得到第二表面特征点(B)的坐标(xB,yB,zB)，第三表面特征点(C)的坐标(xC,yC,zC)，第四表面特征点(D)的坐标(xD,yD,zD)；步骤7、将第一表面特征点(A)的坐标(xA,yA,zA)，第二表面特征点(B)的坐标(xB,yB,zB)换算为俯仰调整电机(S5)的调整量δ1，第三表面特征点(C)的坐标(xC,yC,zC)，第四表面特征点(D)的坐标(xD,yD,zD)换算为自旋调整电机(S11)的调整量δ2；步骤8、按调整量δ1驱动俯仰调整电机(S5)，按调整量δ2驱动自旋调整电机(S11)；所述的驱动俯仰调整电机(S5)指驱动俯仰调整电机(S5)通过同步带(S6)驱动俯仰驱动机构组件(S7)实现沿Z轴的直线运动，从而驱动调整上板(S3)实现绕长转轴(S4)的俯仰动作；所述的驱动自旋调整电机(S11)指驱动自旋调整电机(S11)实现沿Y轴的直线运动顶住调整顶块(S10)，实现了调整中间板(S8)沿圆弧导轨(S9)做的自旋转动。 2.根据权利要求1所述的一种大曲率半径球面光学元件自动化位姿调整方法，其特征在于步骤7具体实现如下： 7-1.对俯仰维自动化位姿调整建模，沿Z方向上选取不同的第一表面特征点(A)、第二表面特征点(B)两位置，即两点的X坐标相同，Z方向坐标zA、zB不同，分别对两位置自动对焦清晰后，得到这两点的Y坐标yA、yB，几何关系可得： δ1＝\|O1M1\|·tanα (5) 公式(5)中α为俯仰维偏角，\|O1M1\|为俯仰调整电机(S5)到俯仰维长转轴(S4)在Y方向上的距离，为已知量，求得的δ1即俯仰调整电机(S5)所要改变的位移调整量； 7-2.对自旋维自动化位姿调整建模，圆弧导轨(S9)绕其等效旋转中心(S13)进行自旋转动；沿X方向上选取不同的第三表面特征点(C)、第四表面特征点(D)两位置，即两点的Z坐标相同，X方向坐标xC、xD不同，分别对两位置自动对焦清晰后(，得到这两点的Y坐标yC、yD，几何关系可得： δ2＝\|O2M2\|·tanθ (7) 公式(7)中θ为自旋维偏角，\|O2M2\|为自旋调整电机(S11)到圆弧导轨(S9)的等效旋转中心(S13)在X方向上的距离，为已知量，求得的δ2即自旋调整电机(S11)要改变的位移调整量。 3.如权利要求1所述方法的一种大曲率半径球面光学元件自动化位姿调整方法的实现装置，其特征在于包括：大曲率半径球面光学元件(S1)、大曲率半径球面光学元件固定架(S2)、调整上板(S3)、长转轴(S4)、俯仰调整电机(S5)、同步带(S6)、俯仰驱动机构组件(S7)、调整中间板(S8)、圆弧导轨(S9)、调整顶块(S10)、自旋调整电机(S11)、底板(S12)、高倍显微镜(S15)和CCD相机(S16)；其中大曲率半径球面光学元件(S1)安装在大曲率半径球面光学元件固定架(S2)上，大曲率半径球面光学元件固定架(S2)固定在调整上板(S3)上，调整上板(S3)通过长转轴(S4)和俯仰驱动机构组件(S7)与调整中间板(S8)连接，俯仰调整电机(S5)固定在调整中间板(S8)上，通过同步带(S6)与俯仰驱动机构组件(S7)连接；调整中间板(S8)底部安装在圆弧导轨(S9)上，圆弧导轨(S9)安装在底板(S12)上；调整中间板(S8)上安装有调整顶块(S10)；底板(S12)上固定有自旋调整电机(S11)；安装高倍显微镜(S15)和CCD相机(S16)作为检测成像系统，使其光轴与大曲率半径球面光学元件(S1)光轴平行。 4.一种显微镜恒工作距离控制的子孔径扫描方法，其特征在于步骤如下： 1)根据大曲率半径球面光学元件(S1)的口径大小2d、扫描子孔径大小dsub、X方向重叠区域dovx和Y方向重叠区域dovy等信息划分扫描采集的子孔径M行N列： 2)根据大曲率半径球面光学元件(S1)的曲率半径R和口径2d，构建Z方向矢高变化量Δh如图6(b)所示，由几何关系可得： 3)利用高倍显微镜(S15)和CCD相机(S16)成像，移动XY方向二维导轨对大曲率半径球面光学元件(S1)进行“回”形扫描路径(S14)扫描，在扫描采集一圈(即一个“口”形)后，移动Z方向导轨进行Δz的补偿： 4)重复步骤3)，直到子孔径扫描采集结束。
所属类别：	发明专利