大口径曲面光学元件检测系统及表面疵病图像处理研究

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1、硕士学位论文大口径曲面光学元件检测系统及表面疵病图像处理研究RESEARCHONTHEDETECTIONSYSTEMOFLARGEAPERTUECURVEDOPTICALELEMENTANDIMAGEPROCESSINGOFSURFACEDEFECTS卢国平哈尔滨工业大学2018年06月国内图书分类号：TL68学校代码：10213国际图书分类号:621密级：公开工程硕士学位论文大口径曲面光学元件检测系统及表面疵病图像处理研究硕士研究生：卢国平导师：陈明君教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单

2、位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TL68U.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONTHEDETECTIONSYSTEMOFLARGEAPERTUECURVEDOPTICALELEMENTANDIMAGEPROCESSINGOFSURFACEDEFECTSCandidate：LuGuopingSupervisor：Prof.ChenMingjunAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciali

3、ty：MechanicalEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要在激光辐照下熔石英曲面光学元件的表面极易产生疵病，如不及时进行修复，表面疵病尺寸将呈指数倍增长。因此，需对熔石英曲面光学元件进行离线检测修复。由于熔石英表面疵病数量多、尺寸小，需采用高分辨率相机对其进行快速扫描，并对获取的

4、疵病图像进行处理以获得疵病信息。本课题将基于已搭建的多自由度熔石英光学元件定位平台，开发曲面光学元件暗场检测系统及表面疵病识别算法，使其能够实现对曲面元件表面疵病的准确、有效检测。首先从检测原理、扫描路径和图像处理三个方面分析并设计了曲面光学元件表面疵病检测系统的总体方案，设计了线阵光源最佳入射角，线阵CCD的有效作用长度和改进的LASNR阈值分割算法等方法来解决系统开发中的关键问题。对图像疵病定位误差进行了分析，通过实验计算出全口径拼接中像素错位个数，提出单应性变换矩阵解决线阵CCD与机床Y轴夹角误差引入的像素错位问题，从而实现图像全口径无错

5、位拼接，提升了疵病的定位精度。为解决曲面光学元件表面疵病暗场扫描中由于线阵相机景深较小和曲面表面坡度较大使相机不能实时聚焦元件表面的问题。首先通过明场相机识别标定点，得到光学元件表面理想方程，采用最小二乘法计算出误差旋转矩阵，对光学元件理想曲面方程进行误差补偿得到曲面元件表面实际几何方程。结合曲面实际方程对Z轴进行随动控制，保障线阵相机在全口径扫描过程中实时对焦。为使系统对曲面光学元件表面暗场扫描更加高效设计了明场视野疵病定位、全口径图片拼接等功能。实现了大口径曲面光学元件表面疵病的全口径高效采集。为解决熔石英曲面光学元件表面疵病暗场采集图像由

6、于表面曲率变化导致的图像背景波动大、背景与目标混叠的特征。提出了高斯滤波、顶帽变换对图像进行预处理，采用改进的LASNR算法对图像进行二值化处理，实现了图像疵病信息快速、有效提取；并对采集到的暗场疵病图像进行三维重构，获得疵病在曲面元件表面上的实际位置、全口径分布和形状大小。本文所设计的曲面元件暗场检测系统包含暗场采集图片，疵病信息准确、有效提取，元件表面疵病信息三维重构等关键功能，可检测尺寸为10μm以上的疵病信息，为表面疵病修复提供技术支持。关键词：熔石英；曲面光学元件；暗场扫描；LASNR阈值分割；三维重构-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位

7、论文AbstractThesurfaceoffusedsilicasurfaceopticalelementsunderlaserirradiationispronetodefects.Ifnotrepairedintime,thesizeofsurfacedefectswillincreaseexponentially.Therefore,itisnecessarytodetectandrepairfusedsilicasurfaceopticalelementsoff-line.Duetothelargenumberandsmallsize

8、ofsurfacedefectsinfusedsilicaopticalelements,ahighresolutioncameraisrequire