CN119534339A - 一种用于元件表面液体的光学检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于元件表面液体的光学检测装置及检测方法，光学采集装置包括条纹投射光源、第一远心镜头、中间成像面、检测工位、第二远心镜头、黑白相机，条纹投射光源用于投射高对比度条纹光线，第一远心镜头用于将条纹光线进行聚焦，中间成像面用于将条纹光线经过聚焦后投影出条纹图像；第二远心镜头用于将条纹光线经过待测元件反射后进行聚焦；黑白相机用于将条纹光线经过聚焦后生成条纹图像。本发明通过投射高对比度条纹在中间成像面上，高对比度条纹再经过待测元件反射后经由成像系统成像，然后引入全局光学传递函数实时表征MTF与表面液体的映射关系，可以实现工件表面液体有无及分布区域的非接触式实时监测。

Description

一种用于元件表面液体的光学检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种用于元件表面液体的光学检测装置及检测方法。

背景技术

对元件表面透明液体(例如胶水、水渍、薄膜等)的检测是一项重大挑战，当使用垂直于待测元件表面的光学系统测试时，光线会直接穿过透明液体，极难检测出待测元件表面是否有透明液体及透明液体的分布情况。光作为一种非接触式的传感介质能够反馈其照度信息，且其光路特性具备极佳的精度，因而以光作为传感介质的传感系统在超精密加工领域应用广泛。

公开号为CN 116379974 B的中国专利公开了一种多波长光源检测光学元件表面特性装置及方法，其采用散射探测模块收集各采样点的散射信号，实现散射信号高灵敏度检测；使用特定波长的光源对光学元件进行照射，散射信号反映光学元件表面关于入射波长的特性，包含表面粗糙度和损伤阈值两种信息。多波长光源检测基于散射技术，光学结构复杂，需要高精度运动平台扫描，速度较低且成本较高。

公开号为CN111707221A的中国专利公开了一种多曝光散射信号融合的表面粗糙度测量方法，该系统利用CCD接收激光入射光学元件表面的反射光和散射光，对同一位置采集不同曝光时间的图像，通过融合算法对这些图像进行处理，得到样品的粗糙度值。多曝光散射信号融合的表面粗糙度测量方法检测速度较慢，无法检测出微小缺陷的影响。

同时，目前的检测多为检测粗糙度，暂未有元件表面透明液体的精确检测。因此，一种用于元件表面液体的光学检测装置及检测方法亟待提出。

发明内容

为解决现有技术存在的缺陷，本发明提供一种用于元件表面液体的光学检测装置及检测方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明第一目的提供一种用于元件表面液体的光学检测装置，包括光学采集装置、计算处理模块、对比模块，所述光学采集装置的输出端与计算处理模块的输入端电连接，所述计算处理模块的输出端与对比模块的输入端电连接，所述光学采集装置用于采集投射高对比度条纹光线经过待测元件反射后的条纹图像，所述计算处理模块根据条纹图像计算获得待测元件的系统总体光学传递函数，所述对比模块将待测元件的系统总体光学传递函数与预设系统总体光学传递函数阈值进行对比，判定待测原件表面是否有液体。

优选的，所述光学采集装置包括条纹投射光源、第一远心镜头、中间成像面、检测工位、第二远心镜头、黑白相机，所述条纹投射光源、第一远心镜头、中间成像面由上至下呈45°依次设置于检测工位的左侧，所述第二远心镜头、黑白相机由下至上呈45°依次设置检测工位的右侧，所述条纹投射光源用于投射高对比度条纹光线，所述第一远心镜头用于将条纹光线进行聚焦，所述中间成像面用于将条纹光线经过聚焦后投影出条纹图像；所述第二远心镜头用于将条纹光线经过待测元件反射后进行聚焦；所述黑白相机用于将条纹光线经过聚焦后生成条纹图像。

优选的，所述条纹投射光源包括后焦距调节座、栅格片角度调节座、条纹栅格片、透镜模组、灯板和LED灯珠，所述灯板设置于后焦距调节座上，所述LED灯珠设置于灯板上且LED灯珠的成像点在第一远心镜头的孔径光阑处，所述透镜模组位于LED灯珠的发光一侧，所述条纹栅格片设置于栅格片角度调节座上且位于透镜模组的出光一侧。

优选的，所述条纹栅格片的线宽为0.05mm，线间距为0.45mm。

优选的，所述第一远心镜头的倍率为0.2-1.5倍，标称工作距离为L₁，实际工作距离为S₁，放大倍率为β₁，与垂直方向夹角为θ₁，前端直径为像面端的接口与条纹投射光源1的接口匹配，且工作距匹配，组合成科勒照明光路；

所述第二远心镜头的倍率为0.2-1.5倍，标称工作距离为L₂，实际工作距离为S₂，放大倍率为β₂，与垂直方向夹角为θ₂，前端直径为像面端的接口与黑白相机匹配，靶面与分辨率互相匹配；

为清晰成像，满足S₁+S₂＝L₁+L₂，

为形成虚像，满足S₁<L₁，S₂<L₂，

根据反射定律θ₁＝θ₂，为避免机械冲突，满足

本发明第二目的提供一种用于元件表面液体的光学检测方法，包括以下步骤：

S1、将反射镜放置于如权利要求1-5任一所述光学检测装置的检测工位上，条纹投射光线经过反射镜投影后获得第一系统条纹图像，反射镜表面的光学传递函数定义为1，根据系统总体光学传递函数计算公式即可测得MTF_a和MTF_b的乘积，完成标定；

S2、将待测元件放置于如权利要求1-5任一所述光学检测装置的检测工位上，条纹投射光线经过待测元件投影后获得第二系统条纹图像，首先将条纹图像分割成预设的数个小区域，每个小区域包含一黑一白两个条纹，MTF计算算法根据条纹图像的灰度值计算出第二系统条纹图像中各个小区域范围内的MTF的数值，然后根据系统总体光学传递函数公式可计算出各个小区域范围内的表面光学传递函数，最后得到图像整个区域范围内的表面光学传递函数数值；

S3、将各个小区域范围内的表面光学传递函数与预设表面光学传递函数阈值进行对比，若其中小区域范围内的表面光学传递函数小于预设表面光学传递函数阈值的区域，则标记待测元件表面的这些小区域没有液体；若其中小区域范围内的表面光学传递函数大于预设表面光学传递函数阈值的区域，则标记待测元件表面的这些小区域带有液体；然后用映射标记算法将有无液体的各个小区域分别标记，可得到待测元件表面有无液体及液体的分布区域；

MTF是指调制度随空间频率变化的函数，MTF是通过找线对中最大亮度点和最小亮度点的对比度来计算的，MTF计算算法如下：

MTF＝(最大亮度-最小亮度)/(最大亮度+最小亮度)

系统总体光学传递函数计算公式如下：

MTF_总＝MTF_a.×STF×MTF_b

其中，MTF_总为系统总体光学传递函数，MTF_a为条纹投射光源与第一远心镜头组成系统的光学传递函数，MTF_b为第二远心镜头与黑白相机组成系统的光学传递函数，STF为被测原件表面光学传递函数。

本发明相较于现有技术，具有以下有益效果：

本发明通过投射高对比度条纹在中间成像面上，高对比度条纹再经过待测元件反射后经由成像系统成像，然后引入全局光学传递函数实时表征MTF与表面液体的映射关系，可以实现工件表面液体有无及分布区域的非接触式实时监测。

本发明使用的照明结构为科勒照明结构，光源为高亮白光，光照均匀，不会在成像系统像面处产生光源的灯珠倒影，因此投影条纹的对比度高

附图说明

图1是本发明一种的结构示意图；

图2是本发明条纹投射光源的结构示意图；

图3是本发明条纹投射光源与第一远心镜头组合成科勒照明光路示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”“右”等指示的方位或位置关系均是基于说明书附图图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例提供一种用于元件表面液体的光学检测装置，包括光学采集装置、计算处理模块、对比模块，所述光学采集装置的输出端与计算处理模块的输入端电连接，所述计算处理模块的输出端与对比模块的输入端电连接，所述光学采集装置用于采集投射高对比度条纹光线经过待测元件反射后的条纹图像，所述计算处理模块根据条纹图像计算获得待测元件的系统总体光学传递函数，所述对比模块将待测元件的系统总体光学传递函数与预设系统总体光学传递函数阈值进行对比，判定待测原件表面是否有液体。

如图1所示，所述光学采集装置包括条纹投射光源1、第一远心镜头2、中间成像面3、检测工位、第二远心镜头5、黑白相机6，所述条纹投射光源1、第一远心镜头2、中间成像3面由上至下呈45°依次设置于检测工位的左侧，所述第二远心镜头5、黑白相机6由下至上呈45°依次设置检测工位的右侧，所述条纹投射光源1用于投射高对比度条纹光线，所述第一远心镜头2用于将条纹光线进行聚焦，所述中间成像面3用于将条纹光线经过聚焦后投影出条纹图像；所述第二远心镜头5用于将条纹光线经过待测元件4反射后进行聚焦；所述黑白相机6用于将条纹光线经过聚焦后生成条纹图像。

如图2所示，所述条纹投射光源1包括后焦距调节座、栅格片角度调节座、条纹栅格片13、透镜模组12、灯板和LED灯珠11，所述灯板设置于后焦距调节座上，所述LED灯珠11设置于灯板上且LED灯珠的成像点在第一远心镜头2的孔径光阑处，所述透镜模组12位于LED灯珠11的发光一侧，所述条纹栅格片13设置于栅格片角度调节座上且位于透镜模组12的出光一侧。所述条纹栅格片13的线宽为0.05mm，线间距为0.45mm。

如图3所示，条纹投射光源1与第一远心镜头2组合成科勒照明光路，LED灯珠11的成像点在第一远心镜头2的孔径光阑处，成像点再经由第一远心镜头后组透镜成像后光线均匀散布在中间成像面3处，因此，无论LED灯珠中心点光源还是边缘点光源，经科勒照明系统后输出的都是均匀的光束，即整个科勒照明系统是将光源成像到了无穷远处，不会在成像系统像面处产生光源的灯珠倒影；而条纹栅格片13经由第一远心镜头2成像后成像点直接为中间成像面3处。通过调节条纹栅格片13角度后，整个条纹栅格片特征都能够准确聚焦，条纹栅格片调整幅度在45度以内。

在本实施例中，所述第一远心镜头的倍率为0.2-1.5倍，标称工作距离为L₁，实际工作距离为S₁，放大倍率为β₁，与垂直方向夹角为θ₁，前端直径为像面端的接口与条纹投射光源1的接口匹配，且工作距匹配，组合成科勒照明光路。

在本实施例中，所述第二远心镜头的倍率为0.2-1.5倍，标称工作距离为L₂，实际工作距离为S₂，放大倍率为β₂，与垂直方向夹角为θ₂，前端直径为像面端的接口与黑白相机匹配，靶面与分辨率互相匹配。

为清晰成像，满足S₁+S₂＝L₁+L₂，

为形成虚像，满足S₁<L₁，S₂<L₂，

根据反射定律θ₁＝θ₂，为避免机械冲突，满足

本实施例还提供一种用于元件表面液体的光学检测方法，包括以下步骤：

S1、将反射镜放置于如权利要求1-5任一所述光学检测装置的检测工位上，条纹投射光线经过反射镜投影后获得第一系统条纹图像，反射镜表面的光学传递函数定义为1，根据系统总体光学传递函数计算公式即可测得MTF_a和MTF_b的乘积，完成标定；

S2、将待测元件放置于如权利要求1-5任一所述光学检测装置的检测工位上，条纹投射光线经过待测元件投影后获得第二系统条纹图像，首先将条纹图像分割成预设的数个小区域，每个小区域包含一黑一白两个条纹，MTF计算算法根据条纹图像的灰度值计算出第二系统条纹图像中各个小区域范围内的MTF的数值，然后根据系统总体光学传递函数公式可计算出各个小区域范围内的表面光学传递函数，最后得到图像整个区域范围内的表面光学传递函数数值；

S3、将各个小区域范围内的表面光学传递函数与预设表面光学传递函数阈值进行对比，若其中小区域范围内的表面光学传递函数小于预设表面光学传递函数阈值的区域，则标记待测元件表面的这些小区域没有液体；若其中小区域范围内的表面光学传递函数大于预设表面光学传递函数阈值的区域，则标记待测元件表面的这些小区域带有液体；然后用映射标记算法将有无液体的各个小区域分别标记，可得到待测元件表面有无液体及液体的分布区域。

在本实施例中，当待测元件表面无液体时，表面的光学传递函数数值约为0-0.4，当待测元件表面有液体时，表面的光学传递函数数值约为0.6-1。

MTF是Modulation Transfer Function的英文简称，中文为调制传递函数，指调制度随空间频率变化的函数。空间频率的表述用“每毫米线对”，(LP/mm)，即每毫米的宽度内有多少线对，MTF是通过找线对中最大亮度点和最小亮度点的对比度来计算的。MTF计算算法如下：

MTF＝(最大亮度-最小亮度)/(最大亮度+最小亮度)。

调制度介于0和1之间，调制度越大，意味着黑白对比度越大，成像效果越好。

系统总体光学传递函数计算公式如下：

MTF_总＝MTF_a.×STF×MTF_b

其中，MTF_总为系统总体光学传递函数，MTF_a为条纹投射光源与第一远心镜头组成系统的光学传递函数，MTF_b为第二远心镜头与黑白相机组成系统的光学传递函数，STF为被测原件表面光学传递函数。

在本实施例中，对于任一反射镜，其表面传递函数STF可表示为：

其中，^表示将该物理量对工作波长λ归一化，θ为光线在表面的入射角，σ_S为表面不规则度，为表面自相关函数，A为镜面反射系数，B为表面散射系数，分别表示为

A＝1-B

其中，σ_M、σ_H分别为表面中、高频误差的RMS值，l_M、l_H分别为表面中、高频误差的相关长度，对于单点金刚石车削表面，可取l_M＝1mm、l_H＝0.01mm。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于元件表面液体的光学检测装置，其特征在于，包括光学采集装置、计算处理模块、对比模块，所述光学采集装置的输出端与计算处理模块的输入端电连接，所述计算处理模块的输出端与对比模块的输入端电连接，所述光学采集装置用于采集投射高对比度条纹光线经过待测元件反射后的条纹图像，所述计算处理模块根据条纹图像计算获得待测元件的系统总体光学传递函数，所述对比模块将待测元件的系统总体光学传递函数与预设系统总体光学传递函数阈值进行对比，判定待测原件表面是否有液体。

2.根据权利要求1所述的用于元件表面液体的光学检测装置，其特征在于，所述光学采集装置包括条纹投射光源(1)、第一远心镜头(2)、中间成像面(3)、检测工位、第二远心镜头(5)、黑白相机(6)，所述条纹投射光源(1)、第一远心镜头(2)、中间成像面(3)由上至下呈45°依次设置于检测工位的左侧，所述第二远心镜头(5)、黑白相机(6)由下至上呈45°依次设置检测工位的右侧，所述条纹投射光源(1)用于投射高对比度条纹光线，所述第一远心镜头(2)用于将条纹光线进行聚焦，所述中间成像面(3)用于将条纹光线经过聚焦后投影出条纹图像；所述第二远心镜头(5)用于将条纹光线经过待测元件(4)反射后进行聚焦；所述黑白相机(6)用于将条纹光线经过聚焦后生成条纹图像。

3.根据权利要求2所述的用于元件表面液体的光学检测装置，其特征在于，所述条纹投射光源(1)包括后焦距调节座、栅格片角度调节座、条纹栅格片(13)、透镜模组(12)、灯板和LED灯珠(11)，所述灯板设置于后焦距调节座上，所述LED灯珠(11)设置于灯板上且LED灯珠(11)的成像点在第一远心镜头(2)的孔径光阑处，所述透镜模组(12)位于LED灯珠(11)的发光一侧，所述条纹栅格片(13)设置于栅格片角度调节座上且位于透镜模组(12)的出光一侧。

4.根据权利要求3所述的用于元件表面液体的光学检测装置，其特征在于，所述条纹栅格片的线宽为0.05mm，线间距为0.45mm。

5.根据权利要求2所述的用于元件表面液体的光学检测装置，其特征在于，所述第一远心镜头的倍率为0.2-1.5倍，标称工作距离为L₁，实际工作距离为S₁，放大倍率为β₁，与垂直方向夹角为θ₁，前端直径为像面端的接口与条纹投射光源1的接口匹配，且工作距匹配，组合成科勒照明光路；

所述第二远心镜头的倍率为0.2-1.5倍，标称工作距离为L₂，实际工作距离为S₂，放大倍率为β₂，与垂直方向夹角为θ₂，前端直径为像面端的接口与黑白相机匹配，靶面与分辨率互相匹配；

为清晰成像，满足S₁+S₂＝L₁+L₂，

为形成虚像，满足S₁<L₁，S₂<L₂，

根据反射定律θ₁＝θ₂，为避免机械冲突，满足

6.一种用于元件表面液体的光学检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将反射镜放置于如权利要求1-5任一所述光学检测装置的检测工位上，条纹投射光线经过反射镜投影后获得第一系统条纹图像，反射镜表面的光学传递函数定义为1，根据系统总体光学传递函数计算公式即可测得MTF_a和MTF_b的乘积，完成标定；

S2、将待测元件放置于如权利要求1-5任一所述光学检测装置的检测工位上，条纹投射光线经过待测元件投影后获得第二系统条纹图像，首先将条纹图像分割成预设的数个小区域，每个小区域包含一黑一白两个条纹，MTF计算算法根据条纹图像的灰度值计算出第二系统条纹图像中各个小区域范围内的MTF的数值，然后根据系统总体光学传递函数公式可计算出各个小区域范围内的表面光学传递函数，最后得到图像整个区域范围内的表面光学传递函数数值；

S3、将各个小区域范围内的表面光学传递函数与预设表面光学传递函数阈值进行对比，若其中小区域范围内的表面光学传递函数小于预设表面光学传递函数阈值的区域，则标记待测元件表面的这些小区域没有液体；若其中小区域范围内的表面光学传递函数大于预设表面光学传递函数阈值的区域，则标记待测元件表面的这些小区域带有液体；然后用映射标记算法将有无液体的各个小区域分别标记，可得到待测元件表面有无液体及液体的分布区域；

MTF是指调制度随空间频率变化的函数，MTF是通过找线对中最大亮度点和最小亮度点的对比度来计算的，MTF计算算法如下：

MTF＝(最大亮度-最小亮度)/(最大亮度+最小亮度)

系统总体光学传递函数计算公式如下：

MTF_总＝MTF_a.×STF×MTF_b

其中，MTF_总为系统总体光学传递函数，MTF_a为条纹投射光源与第一远心镜头组成系统的光学传递函数，MTF_b为第二远心镜头与黑白相机组成系统的光学传递函数，STF为被测原件表面光学传递函数。