一种基于机器视觉的数字化刀口仪检验方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于机器视觉的数字化刀口仪检验方法和系统。该方法包括以下步骤：成像系统的设计；运动机构的控制和反馈；阴影图像的采集；阴影图像的处理；测量可视化显示。该系统包括以下模块：刀口测试模块用于完成三维平移台的运动控制、模板调整、采集，径向波差模块用于对图像进行分析计算，得到波像差的最大高低差值和均方根粗糙度值，三维波像差模块用于显示方向角为0度、‑37度和俯仰角为30度、90度的分布图，测试结论模块用于存储系列图像、波像差值并进行必要说明。本发明专利技术为刀口仪的检测提供了技术化和数字化方法，应用在大口径、高精度镜面的加工上，对刀口仪的定量测量，对传统光学测试方法进行了改进与优化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于机器视觉的数字化刀口仪检验方法及系统
本专利技术属于光学零件检验领域，具体地说，是一种基于机器视觉的数字化刀口仪检验方法及系统。
技术介绍
为了提高成像质量，在光学加工和检验中，必须对光学零件表面的面形偏差进行测量，以控制表面的曲率和形状。一百多年前，由于缺乏有效的检验手段，在抛物面镜等天文仪器光学零件的加工过程中，要得到满意的面形需要花费巨大的劳动，光学加工人员必须具有非常丰富的经验和高超的技能。即使如此，要加工出高质量的光学零件要需要运气的帮助，光学零件质量的高低很大程度上是一种偶然性的结果。对设计、加工、装调后的光学系统的像差也缺乏有效的评估方法。如果光学系统不能达到预期的性能，必须从光学设计、零件加工和系统装调等方面进行判断，有时很难找到问题的症结。这些问题归结到一点，就是光学零件和光学系统的检定方法不够完善，大大制约了光学系统的发展。1858年傅科（Foucault）提出了非常巧妙的研究光学表面和系统的方法，为光学零件的加工领域带来了革命性的进步。一直以来，虽然光学零件的检验和测试方式推陈出新，但是刀口仪以灵敏度搞、直观性强、操作方便、简单灵活的特点，一直是光学加工中最为常用的检测仪器之一。从本质上讲，传统的刀口仪是一种定性检测技术，对光学零件、光学系统或光学材料在什么部位上有缺陷，缺陷的方向及其严重程度的判断依赖于检测人员的主观经验，无法满足现代光学加工中定量分析、定量计算的要求。美国柯达公司通过对球面反射镜的波象差进行定量评估。如果待测曲面存在波象差，则各个像素的光强发生转换的位置不同，表示曲面上对应点的会聚位置存在偏差。D.E.Vandenberg等人从集合光学的原理出发，构建出了被测光学元件的波象差函数的数学模型，通过图像处理软件，算出了待测镜面的波象差，并和干涉仪的测量数据进行比较，获得较为满意的结果。另外，法国IGRAP实验室的Frederic等人提出对传统刀口检测技术进行数字化改进，用于微光学元件的面形检测。以及国内南京天文仪器研制中心研制的刀口定量检测系统。综上所述，以上方法基本都是利用CCD采集阴影图像，并从集合学的原理出发，通过图像处理，计算待检测镜面的波像差。随着计算机、图像采集、图像处理等及其视觉技术的发展，利用计算机技术对刀口仪定量分析进行研究逐渐增加。因此，为了进一步提升刀口仪的检测能力和数字化水平。需要提出一种新的数字化刀口检测系统满足刀口检测需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于机器视觉的数字化刀口仪检验方法及系统，以解决传统刀口仪设备采用肉眼进行阴影判断导致的误差问题。实现本专利技术目的的技术解决方案如下：一种基于机器视觉的数字化刀口仪检验方法，包括以下步骤：步骤1：利用照明装置、成像光路和图像采集单元构成数字化刀口仪成像系统；所述照明装置由卤钨灯、聚光镜和小孔光阑组成；所述数字化刀口仪的成像光路由光源系统、供电电源、分光镜、高精密移动平台、刀口、成像镜头、CCD以及图像采集和处理系统组成；所述图像采集单元是使用CCD相机将成像光路所形成的光学图像转变为数字/视频电信号，图像采集单元由光电转换器、外围电路、输出/控制接口组成；步骤2：使用数字化刀口仪的运动控制，实现刀口对光斑的精确切割；步骤3：通过图像采集卡和CCD进行阴影图像的采集；步骤4：对采集到的阴影图像进行数字化图像处理。进一步地，所述步骤1包括以下子步骤：步骤1.1：照明装置卤钨灯光源发出的光经过聚光镜会聚后，将光聚焦在小孔光阑处，构成一个点光源；步骤1.2：光源照射在分光镜的前表面上，分光镜前表面镀半透半反膜，至少有50%的光经反射面的反射后射出，照亮被测件的表面；步骤1.3：调整被测光学元件的位置，使点光源位于被测光学元件的焦点位置，刀口与点光源距离分光镜的位置相等，由被测件自准直返回的光经过分光镜折射后会聚于刀口位置，刀口在会聚点处切割光斑时，形成阴影图，成像透镜将阴影图会聚成像与CCD靶面；步骤1.4：经过图像采集后由计算机对图像进行分析、计算和处理。进一步地，所述步骤1.1包括以下子步骤：步骤1.1.1：光源作为目测使用，光源亮度要求为肉眼可视即可；步骤1.1.2：数字化刀口仪光源用于CCD进行图像采集使用，CCD为积分型器件，输出的电流信号和CCD器件光敏面上的照度相关，即待测镜经照明单元照射后，经光学系统成像的像面照度，以I表示CCD输出的电流信号，E表示CCD光敏面的照度，t表示CCD两次取样的间隔时间，则CCD正常工作的范围计算由公式①所得，I=KEt=KQ①其中，K表示比例常数；Q=Et，为曝光量，Q的最大上限为饱和曝光度Qsat，对于光源的最大照Emax度的参数调节要略低于Qsat/t；步骤1.1.3：数字化刀口仪采用高稳定度卤钨灯，功率为20W，最大工作电流为4A，使用稳定电源供电，使用时，首先打开稳压电源，将供电压调整到卤钨灯工作电压，同时通过选择不同孔径的小孔，控制照明单元照射到待测镜上的照度，满足大口径待测镜面照明要求和CCD响应照度匹配要求。进一步地，所述步骤2包括以下子步骤：步骤2.1：数字化刀口仪从几何光学角度出发，精确得到刀口在切割点时镜面不同局部点在两个正交方向上的聚焦位置，与理想位置比较，计算出聚焦光束偏离焦点位置的偏差值；步骤2.2：由于汇聚光斑的尺寸较小，需要得到刀口切割光斑的过程中光斑从明至暗的逐渐图像及位置，刀口运动需要较高的运动分辨率和定位精度，每一间隔步长，刀口应稳定停止定位，CCD采集刀口在此位置时的阴影图像；步骤2.3：刀口具备三维定量移动能力，采用三维高精度移动平台控制刀口的三维运动，刀口的基本工作台为二维移动平台，即刀口可以在X，Y屏幕精密平移切割光斑，同时刀口可以沿轴向方向前后移动，寻找切割位置；步骤2.4：轴向移动要保证刀口前后移动轴与系统的光轴一致，横向和纵向移动刀口使刀口缘与光轴相切，测量时，通过调整待测镜的位置使光斑汇聚到刀口面，同时也可以前后移动刀口，使刀口与光斑相切；步骤2.5：刀口定位到待测镜的汇聚光斑后通过运动控制装置，沿横向和纵向两个正交方向以一定步长切割光斑，并分别采集两个方向上光斑从全明至全暗的系列图像。进一步地，所述步骤3包括以下子步骤：步骤3.1：刀口在运动控制单元的控制下沿水平或垂直两个方向切割光斑时，可以得到从全明至全暗系列阴影图像，经过成像光路成像后的阴影图像聚焦在图像采集单元的相机靶面上，经过图像采集卡采集，存储在计算机的内存或硬盘中；步骤3.2：数字化刀口仪采用工控机完成图像采集，采用PCI插槽的图像采集卡完成采集任务；步骤3.3：经过相机输出的复合视频信号，为图像信号，要转化为数字信号被计算机识别，通过图像采集卡，对缝合视频进行量化处理，将视频信号数字化。进一步地，所述步骤3.3包括以下子步骤：步骤3.3.1：图像采集卡接收来自数字相机的告诉数据流，并通过计算机总线传输本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于机器视觉的数字化刀口仪检验方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：利用照明装置、成像光路和图像采集单元构成数字化刀口仪成像系统；所述照明装置由卤钨灯、聚光镜和小孔光阑组成；所述数字化刀口仪的成像光路由光源系统、供电电源、分光镜、高精密移动平台、刀口、成像镜头、CCD以及图像采集和处理系统组成；所述图像采集单元是使用CCD相机将成像光路所形成的光学图像转变为数字/视频电信号，图像采集单元由光电转换器、外围电路、输出/控制接口组成；/n步骤2：使用数字化刀口仪的运动控制，实现刀口对光斑的精确切割；/n步骤3：通过图像采集卡和CCD进行阴影图像的采集；/n步骤4：对采集到的阴影图像进行数字化图像处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于机器视觉的数字化刀口仪检验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用照明装置、成像光路和图像采集单元构成数字化刀口仪成像系统；所述照明装置由卤钨灯、聚光镜和小孔光阑组成；所述数字化刀口仪的成像光路由光源系统、供电电源、分光镜、高精密移动平台、刀口、成像镜头、CCD以及图像采集和处理系统组成；所述图像采集单元是使用CCD相机将成像光路所形成的光学图像转变为数字/视频电信号，图像采集单元由光电转换器、外围电路、输出/控制接口组成；
步骤2：使用数字化刀口仪的运动控制，实现刀口对光斑的精确切割；
步骤3：通过图像采集卡和CCD进行阴影图像的采集；
步骤4：对采集到的阴影图像进行数字化图像处理。


2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的数字化刀口仪检验方法，其特征在于，所述步骤1包括以下子步骤：
步骤1.1：照明装置卤钨灯光源发出的光经过聚光镜会聚后，将光聚焦在小孔光阑处，构成一个点光源；
步骤1.2：光源照射在分光镜的前表面上，分光镜前表面镀半透半反膜，至少有50%的光经反射面的反射后射出，照亮被测件的表面；
步骤1.3：调整被测光学元件的位置，使点光源位于被测光学元件的焦点位置，刀口与点光源距离分光镜的位置相等，由被测件自准直返回的光经过分光镜折射后会聚于刀口位置，刀口在会聚点处切割光斑时，形成阴影图，成像透镜将阴影图会聚成像与CCD靶面；
步骤1.4：经过图像采集后由计算机对图像进行分析、计算和处理。


3.根据权利要求2所述的基于机器视觉的数字化刀口仪检验方法，其特征在于，所述步骤1.1包括以下子步骤：
步骤1.1.1：光源作为目测使用，光源亮度要求为肉眼可视即可；
步骤1.1.2：数字化刀口仪光源用于CCD进行图像采集使用，CCD为积分型器件，输出的电流信号和CCD器件光敏面上的照度相关，即待测镜经照明单元照射后，经光学系统成像的像面照度，以I表示CCD输出的电流信号，E表示CCD光敏面的照度，t表示CCD两次取样的间隔时间，则CCD正常工作的范围计算由下面公式所得，
I=KEt=KQ
其中，K表示比例常数；Q=Et，为曝光量，Q的最大上限为饱和曝光度Qsat，对于光源的最大照Emax度的参数调节要略低于Qsat/t；
步骤1.1.3：数字化刀口仪采用高稳定度卤钨灯，功率为20W，最大工作电流为4A，使用稳定电源供电，使用时，首先打开稳压电源，将供电压调整到卤钨灯工作电压，同时通过选择不同孔径的小孔，控制照明单元照射到待测镜上的照度，满足大口径待测镜面照明要求和CCD响应照度匹配要求。


4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的数字化刀口仪检验方法，其特征在于，所述步骤2包括如下子步骤：
步骤2.1：数字化刀口仪从几何光学角度出发，精确得到刀口在切割点时镜面不同局部点在两个正交方向上的聚焦位置，与理想位置比较，计算出聚焦光束偏离焦点位置的偏差值；
步骤2.2：由于汇聚光斑的尺寸较小，需要得到刀口切割光斑的过程中光斑从明至暗的逐渐图像及位置，刀口运动需要较高的运动分辨率和定位精度，每一间隔步长，刀口应稳定停止定位，CCD采集刀口在此位置时的阴影图像；
步骤2.3：刀口具备三维定量移动能力，采用三维高精度移动平台控制刀口的三维运动，刀口的基本工作台为二维移动平台，即刀口可以在X，Y屏幕精密平移切割光斑，同时刀口可以沿轴向方向前后移动，寻找切割位置；
步骤2.4：轴向移动要保证刀口前后移动轴与系统的光轴一致，横向和纵向移动刀口使刀口缘与光轴相切，测量时，通过调整待测镜的位置使光斑汇聚到刀口面，同时也可以前后移动刀口，使刀口与光斑相切；
步骤2.5：刀口定位到待测镜的汇聚光斑后通过运动控制装置，沿横向和纵向两个正交方向以一定步长切割光斑，并分别采集两个方向上光斑从全明至全暗的系列图像。


5.根据权利要求1所述的基于机器视觉的数字化刀口仪检验方法，其特征在于，所述步骤3包括以下子步骤：
步骤3.1：刀口在运动控制单元的控制下沿水平或垂直两个方向切割光斑时，可以得到从全明至全暗系列阴影图像，经过成像光路成像后的阴影图像聚焦在图像采集单元的相机靶面上，经过图像采集卡采集，存储在计算机的内存或硬盘中；
步骤3.2：数字化刀口仪采用工控机完成图像采集，采用PCI插槽的图像采集卡完成采集任务；
步骤3.3：经过相机输出的复合视频信号，为图像信号，要转化为数字信号被计算机识...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖光辉，肖光华，李果，
申请(专利权)人：南京臻恒光学仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32