一种非球面熔石英元件表面微缺陷快速定位方法，它属于工程光学技术领域。本发明解决了现有光学元件表面微缺陷检测效率以及定位准确率低的问题。本发明建立机床坐标系，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的几何中心在机床坐标系下的坐标；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，根据非球面表面的特征点坐标来拟合出待测熔石英元件的非球面在元件坐标系下方程；采用CMOS面阵相机采集图像后，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。本发明可以应用于光学元件表面微缺陷检测技术领域。
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；
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yT和yD，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xL和xR；
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；
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；
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；
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+zc-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，zc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；
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(xpixel,ypixel)，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：kx、ky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)；
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；
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：σx、σy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。
2.根据权利要求1所述的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，所述步骤二中采用的面阵CCD相机的分辨率为2456×2058，像元大小为3.45μm×3.45μm。
3.根据权利要求2所述的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，所述步骤三中采用的光谱共焦位移测距仪的工作距离为222.3mm，有效量程为24mm，轴向测量精度为3μm。
4.根据权利要求3所述的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，所述步骤四中采用的CMOS面阵相机的分辨率为10000×7096像素。
一种非球面熔石英元件表面微缺陷快速定位方法
技术领域
[0001] 本发明属于工程光学技术领域，具体涉及一种非球面熔石英元件表面微缺陷快速定位方法。
背景技术
[0002] 大口径非球面熔石英元件是高功率固体激光系统终端光学组件的关键元件，能够将平行射入的三倍频激光聚焦于真空靶室靶点，从而获得很高的聚焦功率密度。图1为大口径非球面光学元件的三维结构示意图，其入光面为非球面，材料为熔石英。熔石英作为一种典型的硬脆材料，在加工过程中极易产生微裂纹、凹坑等表层微缺陷，强激光辐照更加剧了缺陷的产生和增长。研究表明，如果不及时对熔石英表面微缺陷进行修复或抑制，在激光辐照下缺陷尺寸将呈指数性增长。这将导致透过熔石英的光束质量下降，使光学元件无法满足生产需要而报废。因此，必须设计一种高精度、高效率的方法实现非球面光学元件表面微缺陷的快速定位，以便于后续对缺陷进行激光修复。
[0003] 光学元件表面微缺陷检测定位的常用方法有目测法和机器视觉检测法。目测法是用光束以一定角度照射元件表面，检测人员在光束反射或透射方向观察呈现亮斑的缺陷，该方法由于操作简便被广泛应用于早期检测中。但单纯通过肉眼识别无法得到缺陷准确的位置、尺寸信息，且效率低下出错率高。
[0004] 随着技术的发展，机器视觉被引入光学元件表面缺陷的检测中。该检测方法借助高分辨率相机采集光学元件表面图像，经过图像处理得到表面微缺陷的具体位置和尺寸，通过和电控平台的结合可对微缺陷进行定位，易于实现修复的精密化和自动化。但目前对大口径光学元件多采用线阵相机扫描检测，需对光学元件进行逐行扫描拍照并且需要对图像进行拼接，导致检测效率较低。且现阶段检测元件多为平面元件，而非球面元件被检测表面为曲面，根据映射关系在相机成像时曲面信息会转化为平面信息，在此过程中沿光轴方向的深度信息将被压缩，导致定位的准确率低。
发明内容
[0005] 本发明的目的是为解决现有光学元件表面微缺陷检测效率以及定位准确率低的问题，而提出了一种非球面熔石英元件表面微缺陷快速定位方法。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种非球面熔石英元件表面微缺陷快速定位方法，该方法包括以下步骤：
[0007] 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；
[0008] 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；
[0009] 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；
[0010] 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；
[0011] 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。
[0012] 本发明的有益效果是：本发明提出了一种非球面熔石英元件表面微缺陷快速定位方法，本发明提出采用高分辨率面阵相机对待测元件进行全口径单幅拍照的检测方法，将待测元件移至拍照工位后，单次拍照即可完成全口径图像的采集，通过畸变校正和三维曲面还原方法，提高了检测的效率和定位的准确度。而且，
[0013] (1)本发明采用高分辨率面阵相机实现了暗场成像和全口径单幅拍照，检测速度相较于线阵扫描方式大幅提高；
[0014] (2)本发明利用明场显微系统实现了待测元件的快速定位和对缺陷的可视化在线监测；
[0015] (3)本发明采用光谱共焦位移测距仪对待测元件安装过程中的旋转误差进行校正，得到了元件曲面在元件坐标系中的准确方程；
[0016] (4)本发明对高分辨面阵相机采集的二维图像进行了三维曲面还原，提高了缺陷的定位精度；
[0017] (5)本发明的工艺方法实现了对非球面待测元件表面缺陷的检测和定位，满足了后续激光修复的使用要求。
附图说明
[0018] 图1是大口径非球面光学元件的三维结构示意图；
[0019] 图2是本发明的非球面元件表面微缺陷检测定位装置示意图；
[0020] 图3是本发明的待测元件三维模型及标准坐标系的示意图；
[0021] 图4是待测元件旋转误差示意图；
[0022] 图5是待测元件非球面表面特征点的测距拟合图；
[0023] 图中1、2、3、4、5分别代表五个特征点的位置；
[0024] 图6是待测元件非球面表面缺陷点的检测原理图；
[0025] 图7是非球面在CMOS面阵相机中成像的示意图；
[0026] 图8是成像平面还原为曲面的示意图；
[0027] 图9为缺陷点定位到明场工位时相机采集图像的示意图。
具体实施方式
[0028] 具体实施方式一：本实施方式所述的一种非球面熔石英元件表面微缺陷快速定位方法，该方法包括以下步骤：
[0029] 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；
[0030] 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；
[0031] 由于待测熔石英元件尺寸不同，且在安装过程中存在定位误差，元件每次安装后都需要重新确定其在机床坐标系中的坐标。
[0032] 元件的几何中心在机床坐标系中的坐标利用明场面阵显微系统获得，明场面阵显微系统是由面阵CCD相机、可变焦显微镜头和环形光源组成。面阵CCD相机的分辨率为2456×2058，像元大小为3.45μm×3.45μm，可变焦光学显微镜头的变焦范围是0.87×～10.5×，其工作距离为105mm，明场显微系统CCD采用反射光成像，因此视野中黑色区域表示微缺陷所在位置或无反射位置，白色区域为待测熔石英光学元件无缺陷位置，据此可在明场CCD相机视野中观察到光学元件的边界。
[0033] 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；
[0034] 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；
[0035] 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。
[0036] 本发明采用的非球面元件表面微缺陷检测定位装置的示意图如图2所示，该装置分为明场监测工位、光谱共焦测距工位、高分辨率面阵相机暗场拍照工位、CO2红外激光修复工位。首先通过明场监测工位确定非球面光学元件在机床坐标系中的位置，再采用光谱共焦测距仪对光学元件表面特征点进行测距并拟合出曲面方程，移至拍照工位对元件表面进行拍照，通过图像处理和三维曲面还原可以得到缺陷准确的位置和尺寸信息，修复平台根据这些信息将光学元件移至修复工位完成缺陷的激光修复。
[0037] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤二的具体过程为：
[0038] 通过X和Y二维高精度运动平台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yT和yD，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xL和xR；
[0039] 在图3中，上边界线是指位于Y″轴正向、与X″轴平行的边界，下边界线是指位于Y″轴负向、与X″轴平行的边界，左边界线是指位于X″轴负向、与Y″轴平行的边界，右边界线是指位于X″轴正向、与Y″轴平行的的边界；
[0040] 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：
[0041]
[0042] 非球面熔石英元件加工精度很高，具有准确的曲面方程，但由于安装时装配调整精度有限，元件坐标系与机床坐标系之间存在旋转误差，因此必须建立元件非球面在机床坐标系下的曲面方程。
[0043] 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述步骤三的具体过程为：
[0044] 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′，如图4所示，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；
[0045] 则待测熔石英元件在标准坐标系下的非球面方程为：
[0046]
[0047] 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；
[0048] 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，如图4所示，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；
[0049] 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：
[0050]
[0051] 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；
[0052] 其中：旋转矩阵 的表达式为：
[0053]
[0054] 由于Z轴旋转方向由平面进行定位，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)：
[0055]
[0056] 旋转矩阵R中只剩下 θ两个未知数，因此只需要3个测量点就可以求解出旋转矩阵R。这里用到了非球面在空间中旋转不改变形状的原理，由于暗场相机景深较小，着重关注z′值的大小，通过上述旋转矩阵可知，只有最后一行对z′值有影响，由旋转矩阵得到：
[0057] 待测熔石英元件在元件坐标系下的z′值的计算公式为：
[0058]
[0059] 在实际使用中，可以近似 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：
[0060]
[0061] 方程(7)中只有θ、 两个未知量，本发明采用光谱共焦测距仪对非球面表面的五个特征点进行测距的方法，对未知参数进行拟合，五个特征点在非球面上的分布如图5所示。
[0062] 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；
[0063] 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：
[0064] z0＝l1+zc-σ1 (8)
[0065] 其中：l1为光谱共焦位移测距仪在特征点1处的测量结果，zc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；
[0066] 移动三维运动平台，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；
[0067] 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。
[0068] 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述步骤四的具体过程为：
[0069] 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；
[0070] 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；
[0071] 步骤四二、若缺陷点A的像素坐标为(xpixel，ypixel)，根据相机成像原理，则缺陷点A对应的成像面坐标(x1,y1)为：
[0072]
[0073] 其中：kx、ky为缺陷点A的像素坐标到成像面坐标的转换系数；该转换系数可由标准刻度板进行标定得到；
[0074] 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，如图7所示，CMOS面阵相机采集图像时，曲面abcd的实际成像面为平面a1b1c1d1，在此过程中，沿光轴方向的深度信息被压缩，因此需要一种方法将二维图像进行还原；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)；结合图8成像平面还原为曲面原理图；
[0075] 由几何光学得，y′与y1存在如下对应关系：
[0076]
[0077] 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；
[0078] 近似认为z′＝z1，则
[0079]
[0080] 同理得到：
[0081]
[0082] 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：
[0083]
[0084] 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；
[0085]
[0086] 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；
[0087]
[0088] 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；
[0089]
[0090] 其中：σx、σy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。
[0091] 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。
[0092] 图6为本发明采用的暗场检测原理图。当元件表面存在缺陷时，根据几何光学可知入射光A0的散射光为A1，假设该处没有缺陷则其反射光为A2，只有散射光A1才能进入成像系统，这样即可测到暗背景下的亮缺陷。通过对采集得到的图像进行处理可以获得缺陷的像素坐标和尺寸，采用一定的方法将缺陷的像素坐标转化为机床坐标系下的坐标，通过检测平台的运动系统即可实现缺陷的定位。
[0093] 使用的高分辨率相机为CMOS面阵相机，该相机传感器尺寸31mm×22mm，分辨率10000×7096像素，通光域尺寸636×450mm，则放大倍数为0.0487。工作距离1730mm，对应镜头焦距镜头f1＝1730×0.0487/1.0487＝80.34mm，选用Canon公司EF 70-200mm f/2.8LII USM变焦镜头。光源选用高亮线阵光源，光源发光尺寸600×20mm，功率0～48W，可通过控制器调节。在黑白成像过程中相机量子效应曲线在500nm～580nm之间达到峰值，相机对该波长敏感性最好，因而光源颜色选择为绿光。
[0094] 本发明中使用的修复平台定位精度为±10μm，包含X/Y/Z三个运动轴，可以搭载光学元件实现X/Y二维高精度移动。将修复平台移至安装工位可完成非球面元件的安装，安装时使用的夹具为大口径曲面光学元件表面微缺陷修复用快速装夹随行夹具，可实现对曲面类和平面类且口径不大于500mm×500mm的熔石英光学元件进行装夹。
[0095] 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述步骤二中采用的面阵CCD相机的分辨率为2456×2058，像元大小为3.45μm×3.45μm。
[0096] 具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述步骤三中采用的光谱共焦测距仪的工作距离为222.3mm，有效量程为24mm，轴向测量精度为3μm。
[0097] 具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：所述步骤四中采用的CMOS面阵相机的分辨率为10000×7096像素。
[0098] 实施例
[0099] 非球面元件表面微缺陷检测及定位方法实例分析，利用上述方法对某批次非球面元件进行检测，该元件口径为430mm×430mm，检测面为非球面(入光面)，该面方程如下：
[0100]
[0101] 式中：
[0102] 入光面几何中心处曲率半径：1/c＝1899.75mm；
[0103] 圆锥系数：k＝-2.180721；
[0104] 二次项系数：a＝4.34336×10-10；
[0105] 在对元件进行检测前，需要对如下参数进行标定：
[0106] 像素坐标到成像平面坐标的转化系数kx、ky，kx＝0.06360，ky＝0.06365；
[0107] 光心到成像面的距离L，L＝1730mm；
[0108] 激光头到明场视野中心X、Y方向的距离σx、σy，明场相机清晰成像时的物距和激光修复时激光头在机床坐标系中的坐标σ1、σ2，σx＝371.46mm、σy＝47.96mm、σ1＝17.205mm、σ2＝58.8mm
[0109] 对机床进行自动初始化操作使机床回零，并将机床移至安装工位完成光学元件的安装。安装完毕后，将光学元件移至明场视野中，分别将光学元件上下左右边界移至明场视野中心，记录下相应的坐标值分别为：yT＝-213.75990、yD＝216.24011、xL＝375.16701、xR＝-54.83382，则当元件几何中心移动到明场视野中心位置时的机床坐标为：
[0110]
[0111] 将光学元件移至光谱共焦测距工位，通过修复平台软件可实现对五个点的自动测量和对参数的自动拟合，测量和拟合结果为：
[0112]
[0113] 将光学元件移至暗场拍照工位进行图像采集，对采集的图像进行处理得到了所有缺陷的像素坐标和像素尺寸，以图像处理得到的312号缺陷为例进行分析，其像素坐标为(-3262,2275)。将其转化为成像平面坐标为：
[0114]
[0115] 根据式(13)将缺陷点成像平面坐标转化为工件坐标系下坐标：
[0116]
[0117] 由式(15)可知，将该缺陷移至明场视野中央时，机床坐标应为：
[0118]
[0119] 由式(16)可知，将该缺陷移至修复工位时，机床坐标应为：
[0120]
[0121] 将机床移至(-49.25,142.41,6.44)即可将缺陷定位到明场工位，将机床移至(-420.71,94.45,58.50)即可将缺陷定位到修复工位。图9为缺陷定位到明场工位时明场相机采集的图像，由图像可以看出缺陷成功定位到明场视野中央。
[0122] 上述步骤使用本发明提供的定位方法，实现了非球面熔石英元件表面微缺陷的快速定位。
[0123] 本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
