一种基于光斑空间矩的离焦检测装置及方法与流程

本发明涉及一种基于光斑空间矩的离焦检测装置及方法，属于光学检测与自动聚焦。

背景技术：

1、在表面形貌测量、显微自动聚焦、精密加工在线检测及光学轮廓测量过程中，通常需要使测量物镜的焦面与被测表面保持预定的轴向位置关系。当被测表面产生高度变化、装夹误差或者扫描位置变化时，测量焦点会相对于被测表面产生轴向离焦，因此需要实时确定离焦方向和离焦量。

2、例如，公开号为cn118961154a的技术方案采用物理针孔阵列和多像元探测器形成多个离散探测通道，并通过相邻通道差动及多条局部线性曲线拼接扩展离焦检测范围。公开号为cn122611816a的技术方案则在相近的离焦检测结构基础上增加法向探测、姿态调整和轴向调焦功能，实现法向跟踪与离焦量程维持，但其离焦检测仍依赖物理针孔分割、相邻通道差动和多条局部线性响应曲线的拼接。

3、当采用相邻探测区域之间的光强差作为离焦信号时，不同区域的光学透过率、探测增益和像元响应差异会直接进入差动结果。采用多条局部线性响应曲线拼接时，还需要分别标定各线性区间及其切换位置，区间交界处可能产生响应偏置、斜率不一致或者切换误差。

4、cmos或者ccd面阵图像传感器能够获取检测面上的完整二维光强分布，为通过软件感兴趣区域和光斑空间矩进行离焦检测提供了硬件基础。但是，在理想轴对称光路且通光区域关于检测光轴对称的情况下，正、负离焦通常主要表现为近似对称的光斑形态或者尺寸变化，光斑质心沿预定方向难以产生能够稳定区分离焦符号的相反位移。因此，仅根据完整对称光斑的一阶空间矩通常难以可靠判定正、负离焦。

5、如果仅在面阵图像传感器所在的检测面上对光斑进行单侧裁切，裁切后的光斑质心通常持续偏向保留侧，其偏移量还容易受到光斑尺寸、背景光和裁切边界的影响，正、负离焦可能产生相同符号的偏移，因而难以保证形成关于参考焦面异号且单值的离焦响应。因此，如何使正、负离焦在面阵图像传感器上产生方向相反且能够稳定标定的整体光斑位置变化，并据此构造带符号的离焦特征，仍是需要解决的问题；为此，提出一种基于光斑空间矩的离焦检测装置及方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种基于光斑空间矩的离焦检测装置及方法，以解决或缓解现有技术中离焦检测中实体针孔阵列装调复杂、通道一致性差，且在对称光瞳条件下软件算法无法可靠判定正负离焦方向的技术问题，至少提供一种有益的选择。

2、本发明的技术方案是这样实现的：一种基于光斑空间矩的离焦检测装置，包括测量物镜及离焦检测光路；所述离焦检测光路依次设有会聚透镜、半遮挡光阑、中继透镜、第二面阵图像传感器和图像处理及控制单元；所述测量物镜用于聚焦照明光束并收集返回光；所述半遮挡光阑设于所述会聚透镜与所述中继透镜之间，沿固定方向遮挡离焦检测光束以形成不对称光强分布；所述第二面阵图像传感器位于所述中继透镜后方的检测焦面，采集透过所述中继透镜后的整体二维离焦光斑图像；所述图像处理及控制单元在所述整体二维离焦光斑图像中设置固定的软件感兴趣区域，计算归一化空间矩参数，并依据连续、单值且可逆的全局标定关系进行逆映射，以获得残余离焦量及方向。

3、进一步优选的，还包括沿照明光路依次设置的光源单元、扩束准直单元、偏振分光单元、四分之一波片和轴向调焦单元；所述光源单元发出的照明光束依次经所述扩束准直单元、偏振分光单元、四分之一波片和测量物镜后聚焦于被测表面；所述轴向调焦单元与所述测量物镜或用于承载被测表面的载物机构传动连接，用于改变所述测量物镜的焦面与被测表面之间的轴向相对位置。

4、进一步优选的，还包括分光单元、第一面阵图像传感器和法向跟踪执行机构；所述分光单元用于将返回光束分为法向跟踪光束和离焦检测光束，所述法向跟踪光束入射至所述第一面阵图像传感器；所述图像处理及控制单元分别与所述第一面阵图像传感器和法向跟踪执行机构连接，配置为根据所述第一面阵图像传感器所采集光斑的质心偏移确定法向误差信号，驱动所述法向跟踪执行机构减小法向误差。

5、此外，本发明还提供了一种基于光斑空间矩的离焦检测方法，包括以下步骤：

6、将照明光束经测量物镜聚焦于被测表面，并收集返回光束以形成离焦检测光束；

7、使所述离焦检测光束依次经过会聚透镜、半遮挡光阑和中继透镜，所述半遮挡光阑遮挡所述离焦检测光束横截面的固定一侧，以形成不对称光强分布；

8、由第二面阵图像传感器采集透过所述中继透镜后的整体二维离焦光斑图像；

9、在所述整体二维离焦光斑图像中设置固定的软件感兴趣区域，并在所述软件感兴趣区域内计算归一化空间矩参数；

10、依据预先建立的全局标定关系，对所述归一化空间矩参数进行逆映射，获得残余离焦量及方向。

11、进一步优选的，计算所述归一化空间矩参数包括：

12、对所述软件感兴趣区域内各有效像素的校正光强求和，得到零阶空间矩；

13、按照各有效像素相对于参考焦面光斑质心在离焦敏感方向上的带符号投影，对所述校正光强进行加权求和，得到方向一阶空间矩；

14、以固定特征长度和所述零阶空间矩对所述方向一阶空间矩进行归一化，得到所述归一化空间矩参数。

15、进一步优选的，获得校正光强包括对所述整体二维离焦光斑图像进行暗场校正、像素响应非均匀性校正、残余背景校正和坏点处理；

16、当检测光斑核心区域存在饱和像素、零阶空间矩低于预设能量阈值、有效像素比例低于预设比例或者所述软件感兴趣区域边界能量超过预设阈值时，将当前图像判定为无效。

17、进一步优选的，所述软件感兴趣区域为圆形区域，其中心与参考焦面光斑质心重合，或者关于参考焦面光斑质心沿离焦敏感方向近似对称；

18、在同一组全局标定和对应检测过程中，所述圆形区域的中心和半径相对于所述第二面阵图像传感器的靶面保持固定，不随当前帧检测光斑质心移动。

19、进一步优选的，建立所述全局标定关系包括：

20、控制被测表面或轴向调焦单元依次处于多个已知残余离焦位置，获得各已知残余离焦位置对应的归一化空间矩参数；

21、根据标定数据选择所述归一化空间矩参数与残余离焦量保持连续、单值且可逆的区间作为有效残余离焦范围，并建立单一连续标定函数、单调样条关系或连续插值查找表。

22、进一步优选的，在所述离焦检测光束进入所述会聚透镜之前，通过分光单元将返回光束分为法向跟踪光束和所述离焦检测光束；

23、所述法向跟踪光束直接入射至设置于预定跟踪检测面的第一面阵图像传感器，根据跟踪光斑相对于参考跟踪光斑的二维质心偏移，并通过预先标定的二维映射关系，确定两个姿态方向的法向误差信号；图像处理及控制单元根据所述两个姿态方向的法向误差信号，以负反馈方式驱动法向跟踪执行机构进行俯仰和/或偏航增量调整；

24、当所述两个姿态方向的法向误差信号连续预设帧数满足预设跟踪容差时，由所述第二面阵图像传感器重新采集整体二维离焦光斑图像，并根据重新采集的图像确定残余离焦量估计值和残余离焦方向。

25、进一步优选的，在有效残余离焦范围内设置负向回中触发阈值、正向回中触发阈值和回中目标；当残余离焦量估计值位于所述负向回中触发阈值与所述正向回中触发阈值之间时，使轴向调焦单元保持静止；当残余离焦量估计值达到所述负向回中触发阈值或所述正向回中触发阈值时，驱动所述轴向调焦单元执行量程回中，待稳定后重新采集图像并确定残余离焦量估计值。

26、本发明实施例由于采用以上技术方案，其具有以下优点：

27、本发明通过半遮挡光阑对返回光束进行固定单侧选择，将正、负离焦转换为方向相反的检测光斑质心位移，在单一固定软件感兴趣区域内基于全部有效像素计算归一化空间矩参数，避免了微孔加工装调复杂、通道一致性劣化及多条局部线性曲线拼接切换误差的问题；同时采用连续全局标定关系实现残余离焦量的直接逆映射，结合可选的主动法向跟踪闭环降低曲面测量中的姿态耦合误差，并通过轴向量程回中机制使轴向调焦单元在高精度工作窗口内保持静止，仅在接近边界时触发回中，从而兼顾离焦检测精度与连续曲面测量效率。

28、上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。