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1、第24卷第4期2016年4月光Optics and学精密工程Precision EngineeringV0124 No4Apr2016文章编号1004924X(2016)04081907基于图像清晰度检测的光栅刻划平台调平装置丁健生，史国权。，石广丰(长春理工大学机电工程学院，吉林长春130022)摘要：针对制备衍射光栅时刻划平台倾斜导致的光栅槽型误差，提出了一种基于图像清晰度检测与电动倾斜台调节的光栅刻划平台在线调平装置。建立了图像清晰度与光栅刻划平台倾角间关系的模型，应用该模型，控制光栅刻划平台在一定范围内实现了闭环动态调平。对上述理论研究进行了试验验证。试验结果表明，该调平装置简单可行；
2、对于50 mm50 mm的光栅毛胚，调平装置可控制刻划平台的水平倾角在4”以内，满足光栅刻划对平台定位精度的要求。该装置既可用于刻划前的调平准备，也可推广应用于光栅刻划过程中的实时检测。关 键词：光栅刻划；光栅刻划平台；调平装置；图像清晰度测量；评价函数中图分类号：TN3057 文献标识码：A doi：103788OPE201624040819Grating ruling platform leveling device based on l J image clarity measurementDING Jiansheng，SHI Guoquan+，SHI Guangfeng(College
3、 of Mechanical and Electric Engineering，Changchun UniversityScience and Technology，Changchun 130022，China)*Corresponding author，E-mail：sgqcusteduenofAbstract：To reduce the grating groove errors caused by the inclination of a grating ruling platform inthe fabrication of diffractive gratings this pape
4、r proposes a realtime leveling device for the grating ruling platform based on image clarity measurement and electrically adj usting a tilting tableA physicalmodel was built based on the inclination relations between the image clarity measuring and the inclination angle of grating ruling platformBas
5、ed on the model，the leveling device could control the gratingruling platform to implement the closed loop dynamic leveling within a certain rangeThe above theory was verified by testsThe results show that the leveling device is simple and feasibleFor a gratingblank with a size of 50 mm50 mm，it contr
6、ols the inclination of the grating ruling platform to bewithin 4”，meeting the requirements of the grating ruling for platform positioning accuracyMoreover，the leveling device can be used in leveling before ruling and also in ruling processing in real timeKey words：grating ruling；grating ruling platf
7、orm；leveling device；image clarity measurement；，evaluation function收稿日期：20151201；修订日期：20160120基金项目：国家自然科学基金资助项目(No51405031，No51575057)万方数据820 光学精密工程 第24卷引 言衍射光栅是航空、军工等领域光谱仪器的核心元件1。机械刻划作为低刻线密度原刻衍射光栅制造的重要手段，在制作光栅母板方面具有重要作用2。其过程是利用金刚石刻划刀在光栅毛胚上进行挤压、抛光，形成光栅槽形口。该工艺要求光栅毛胚表面与刻划刀运动平面具有较高的平行度，在加工前需通过调平装置对光栅毛胚进
8、行调平。随着科技的发展以及高精设备对调平精度需求的不断提高，调平技术已逐步由传统的手动调平向自动调平方式过渡。中科院长春光机所姜伟伟等人利用斜角传感器和电动机械支腿研制了大型光电设备的基准平面调平系统4，精度达到0003。天津大学陈永亮等人设计了在大负载、大偏载条件下基于液压支架的试验台动态调平算法，算法具有较强的通用性和鲁棒性5。由于光栅刻划过程具有小尺寸、低负载、高精度等特点，同时因光栅毛胚表面的镀膜层强度极为脆弱，不适合采用接触式测量仪器(如数显千分表)测量倾斜量，故此本文设计了一种利用CCD相机进行水平检测及电动倾斜台进行倾角调节的光栅刻划平台在线调平装置。试验证明该装置能够有效的进行
9、水平调节，调节精度达到4”，效果理想。2 系统分析与设计21问题分析光栅毛坯是一种在玻璃基底上镀上铝膜的光学原件，为提高吸附强度，通常中间会增加一层镀铬层作为连接层，其主要结构如图1所示。光栅机械刻划过程如图2所示，光栅毛胚相对于刻划刀分别在刻划方向和分度方向进行水平运动，形成光栅槽形。假设光栅槽长为L，光栅毛胚与机床X轴夹角为a，则每道槽的首尾深度相差约为Lsin口。同理若光栅毛胚与机床y轴夹角为口，槽间距为W，则相邻两道槽的深度相差为Wsin口。显然，在光栅尺寸规格不变的情况下，为减少光栅槽形误差，应尽量使a及口的值趋近于零，既光栅毛胚表面应相对于刻划机床的X、y图1 光栅毛胚构成示意图F
10、ig1 Diagram 0f grating structure璃基底图2光栅刻划示意图Fig2 Diagram of grating ruling运动平面水平。22系统构成该系统由高精密刻划机床、电动倾斜台、CCD摄像机及控制计算机等组成，如图3所示。光栅毛胚通过夹具固定在电动倾斜台上，电动倾斜台通过连接板固定在机床运动平台上。显微镜通过支架独立固定，位于光栅毛胚上方，与机床运动平台间无连接。图3系统构成示意图Fig3 Diagram of system components刻划机床为超精密纳米数控机床，采用气浮万方数据第4期 丁健生，等：基于图像清晰度检测的光栅刻划平台调平装置821导轨及
11、直线电机驱动机床运动平台做直线运动，定位精度为50 nlTI。电动倾斜台由2路伺服电机及精密倾斜台组成，可通过编程控制倾斜台在光栅刻划方向及分度方向进行倾角调节，重复定位精度2”。为简化起见，仅对光栅沿刻划方向的调平进行论述，对于分度方向的调平可采用相同的方法实现。显微镜及CCD摄像机负责系统的倾角测量，其光学放大为50500倍，配合高分辨率CCD摄像机，可清晰分辨1“m的物体。受显微镜景深限制，系统工作之前必须先对倾斜台进行粗调，使A、B两点的高度差小于10m。23系统工作原理在光学系统中，显微镜头对特定距离的物体成像最清晰，这个位置称为镜头的焦面6。偏离焦面(离焦)的物体在显微镜中成像模糊
12、，模糊程度与离焦量在一定范围内具有对应关系。据此原理，可利用图像的清晰度来间接获得光栅表面与镜头之间的距离。实际调节过程，首先通过机床将光栅毛胚的一端A移动至镜头下，调节镜头对焦，使光栅毛胚的A端在显微镜下呈现最清晰图像(清晰度通过程序实时计算)。然后控制机床使光栅毛胚的另一端B移动至显微镜头下，若A、B等高，则此时B端同样能够在显微镜下呈现清晰图像(不考虑机床直线度误差及光栅毛胚自身平面度误差)，两幅图像的清晰度相近。反之，若A、B不等高，则此时B端的图像清晰度低于A端。通过建立清晰度与物距之间的对应关系，便可根据B端图像的清晰度值判定出A、B两点的高度差值，再控制电动倾斜台进行定量调节，可
13、构成闭环控制系统，从而实现自动调平功能。受机械结构误差因素影响，在对B点进行调节的同时，可能会对A点的清晰度产生少量影响。因此调平装置往往需要往复调节几次才可形成比较理想的调节效果。为此在正式加工前可通过数控机床编程设定自动进行若干次往复运动，以配合调平装置工作。3关键技术分析31 图像清晰度评价函数的选取计算光栅图像的清晰程度是自动调平系统的重要环节。它通过清晰度评价函数对不同位置所拍摄的光栅图像进行评分，从而定量的得出图像清晰度，进而间接计算出光栅表面距镜头的距离。为此理想的清晰度评价函数应具备单峰性在极值点两端单调；灵敏性能准确反映离焦位置的变化；低复杂性易于实时在线计算等特点。图像清晰
14、度评价函数已有很多经典算法，整体上可分为基于灰度梯度检测、基于频率函数、基于信息学原理、基于统计学原理等口。11|。其中基于边缘梯度检测算法由于计算量小，适合用在线检测，故采用此种算法实现图像清晰度评价。基于边缘梯度检测的清晰度评价算法，按照算子的不同，有Laplace算子、Roberts算子、Sobel算子等形式12。1“。为测试各种算子的分辨能力，控制显微镜依次在不同物距下采集光栅毛胚图像，相邻两幅图像对应的物距相差1tm，形成的图像序列如图4所示。表1所示为上述3种算子应用于该图像序列时的清晰度曲线数据，图5所示为对应的清晰度曲线对比图。其中X坐标为光栅表面距镜头的相对距离(取能够开始成
15、像的距离作为零点)，单位为“m，纵坐标为清晰度值，没有单位。从图中可以看出，3种算子均可以在018肚m内得到单峰、局部单调的评价曲线，且峰值相同(13zm处)。超出20“m以后，3种算子的清晰度均不再随物距的增大而显著变化。在近焦阶段，Laplace与Roberts算子曲线变化不灵敏，分辨能力较差，相比之下Sobel算子则具有更好的线性递增趋势。在远焦阶段，Sobel算子也具有更宽的分辨区间及灵敏度。 C ；二：甚图4测试图像序列Fig4 Image sequence to testf一，卜=_冬凡，=_，卜万方数据822 光学精密工程 第24卷表1 3种算子清晰度数据Tab1 Clearne
16、ss of three operators(ttm)3025熹20璎1 5的 lOO3 5 7 9 ll 3 lj 7 19 21 23HItm图5 3种算子清晰度曲线对比图Fig5 Clearness curve comparison chart of three operators综上分析，采用Sobel算子作为图像清晰度评价函数。其具体形式基于两个33矩阵：Sx-0，02 0，l szI二；。0；1图像上任一点(X，y)，基于Sobel算子的清晰度计算公式为：V(x，y)一(G(z，了)*S1)2+(G(z，y)*S2)2，(1)式中：G(x，y)代表图像在(z，y)点的灰度值，*为卷积
17、运算，S，与S。代表水平与垂直2个方向上的模板。对于尺寸为m咒的图像A，其整体清晰度为：F(A)一2。：，V(x，y)(m*咒)(2)32平台倾角与图像清晰度的关系模型对表1中Sobel算子的数据进行二次有理拟合，得清晰度曲线函数：scH，一笔墨意裂蔫半，式中：H代表光栅表面距镜头的相对距离，S(H)代表该距离对应的清晰度值。给定一清晰度值，通过上式反求H，可得该清晰度对应的距离值(通常有2个解)。由于光栅及倾斜台的尺寸均已知且固定，因此很容易将A、B端点距镜头的的距离之差换算成倾斜台的角度增量。最终平台倾角与图像清晰度的关系模型为： 鲈arcsinf型盟譬掣)(4)式中：Aa为倾斜台的角度调
18、整增量，L为光栅毛胚的长度，此处为50 mm，函数F为图像清晰度评价函数，S_1为清晰度曲线函数的反函数。由于S为非常规函数，难以得到其反函数的解析解，故求解S_1时采用数值方法。33离焦极性的判定在上述模型中，函数S大体呈抛物线形状。给定一个清晰度，除非该清晰度是曲线上的极大值，否则会有2个距离值满足此清晰度，一个值靠近镜头焦面，另一个值远离镜头焦面。由此产生一个问题：当发现所摄图像不清晰时，如何判断物体究竟是离焦面过近还是过远，即离焦极性的判定问题。首先在设计夹具时，可保证A、B两点位于倾斜台旋转轴同侧，这样可保证A、B两点具有相同万方数据第4期 丁健生，等：基于图像清晰度检测的光栅刻划平
19、台调平装置823极性，接下来只需要判定B点的极性既可。此外为缩短A点在调平过程中的调节量，应使A点尽量靠近倾斜台的旋转轴，这样当改变倾斜台的倾斜角度时，A点距镜头的距离变化最小。对于B点，采用试错法进行极性判定。先控制倾斜台向一个方向(如靠近焦点方向)移动一个小量(此处为4”)，如此时的图像清晰度变得更高，则表明光栅处于离镜头焦面过远位置；反之则表明光栅离焦面过近，B点极性得以判定。4试验测试及误差分析41试验测试为了验证本装置的调平效果，通过试验进行测试。试验预制1组光栅毛胚，尺寸为60 mm60 mm，4个边各保留5 mm宽的空白区域，中间镀铝膜面积为50 mmX 50 mm。试验采用Ol
20、ympus显微镜观测，其数值孔径为08，光学放大倍数调至500。同时为测试系统精度，采用KEYENCE GT2数显千分尺对光栅表面未镀膜区域进行接触式同步测量，其分辨率为01zm。采用自编程实现的控制软件进行图像处理及倾斜台控制。测试过程如下：(1)通过数控机床移动光栅毛胚镀膜区一端A至显微镜下，手动调节显微镜进行初始对焦，直至图像清晰度达到最大值。将千分尺读数置零，同时在软件中将此时测得的A点距离值置零。(2)移动光栅毛胚镀膜区另一端B至显微镜下，记下此时千分尺及测量软件测得的B点高度数据。(3)控制电机按照A、B高度差调节B点高度。(4)将A点移回至显微镜下，记录A点高度。(5)重复步骤(
21、2)(3)(4)，直至软件判定A、B点的高度之差小于等于05 tim。各轮测试数据如表1所示。表中真值表示千分尺测得的读数，测量值表示基于图像法测得的值。表2试验数据Tab2 Result of test序号A点真值A点测量值B点真值B点测量值1 O2 063 074 一O65 一O66 一O7OO43一O31一O38一O30O25从表中数据可以看出，经过五5次调节，A、B两点测量值已趋于相同。此时A、B两点的真值仍然存在09 ttm误差，换算成角度为37”。42误差分析作为闭环控制系统，该系统的误差主要来源于执行机构及测量机构。执行机构方面，尽管A点在设计时已尽量靠近倾斜台的旋转轴，理论上调
22、整B点高度时A点高度不应发生变化，但由于机械结构误差的影响，调节B点时仍对A点的高度带来一些影响。为此需要往复调整多次才能使A、B两点的清晰度逐渐趋于相近，得到较为理想的调平效果。测量机构方面，由于系统是基于图像来间接判定物距，受光线环境及CCD传感器稳定性影响，对同一位置多次测量所得到的清晰度并不完全相同，而是在一定范围内随机波动。对此系统已经通过多次测量取平均值来减小误差，但该误差不可消除。5 结 论本文针对光栅机械刻划的调平问题，根据工程实际情况，设计了一套自动调平装置，建立了图像清晰度与调平台倾角间关系的理论模型，通过试验对该装置进行了验证。试验结果表明，该调平装置简单可行，调节精度达
23、到4”，满足工程需要。该装置既可用于刻划前的准备阶段，也可推广应用于光栅刻划过程中的实时检测。蚯铊，0均0豇L邝J仉一一OOO9522o1仉n吼m万方数据824 光学精密工程 第24卷参考文献：Eli 刘洪兴，张巍，巩岩光栅参数测量技术研究进展EJ中国光学，2011，4(2)：103110LIU H X。ZHANG W，GONG YProgress in grating parameter measurement technologyJChineseOptics，2011，4(2)：103110(in Chinese)23 李晓天，于海利，齐向东，等光栅刻划机300 mm行程工作台研制及其自适
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32、H，WANG C YComparisonand Analysis of Algorithms for Digital Image Processing in Autofocusing Criterion-J-Acta OpticaSinica，2007，27(1)：3539(in Chinese)作者简介丁健生(1983一)，男，吉林长春人，博士研究生，讲师，2005年于吉林大学获得学士学位，2008年于长春理工大学获得硕士学位，主要从事超精密加工方面的研究。E-mail：dingjsCCUteducnE14郭惠楠，曹剑中，周祚峰，等基于色彩相关性的彩色图像清晰度评价算法J红外与激光工程，2013，42(11)：3132-3136GU0 H N，CA0 J ZH，ZHOU Z F，et a1Imagedefinition evaluation algorithm based on color relativityJInfrared and Laser Engineering，2013，42(11)：31323136(in Chinese)导师简介史国权(1965一)，男，吉林舒兰人，博士，教授，博士生导师，1989年、1992年、1996年于吉林大学获得学士、硕士、博士学位。研究方向为精密、超精密加工技术。Email：sgqcusteduen万方数据