平面光带检测仪

1、背景介绍 近年来，随着工业4.0及人工智能的发展，越来越多的自动化设备被广泛应用于生产过程中。工业4.0离不开智能制造，我国在2015年提出的“中国制造2025”宏伟计划中，第一项战略对策就是“推行数字化网络化智能化制造”，而智能制造中，最核心的一环就是机器视觉。机器视觉是指通过机器来模拟人眼的功能，对客观事物进行信息提取，处理和分析，最终实现检测和判断，最终交给计算机进行控制。中国是机器视觉产业发展最为迅速的国家，目前已经在工业，航天，医疗，交通，科研等诸多行业进行了广泛的应用。图1 机器视觉代替人眼二、目前机器视觉存在问题 典型的工业机器视觉系统包括：光源，镜头，相机，图像采集卡，软件，监视器，输入/输出等。对于光学检测来说，机器视觉系统的性能主要取决于系统中光学相关部件，比如光源，镜头，相机等的性能。此外，光学检测要求的精度一般都较高，但是大多数相机在出厂时，并没有专门针对光学检测应用进行专门校准，往往会导致机器视觉系统的精度达不到要求，结果会出现误差。 比方说，如果将刚出厂的工业相机对着一个均匀照明的发光面进行拍照，拍摄出的图像四个角往往会出现暗区，这主要是由于相机镜头的余弦响应造成的。此外，由于相机传感器（CCD/CMOS）的非均匀性，也会导致对均匀光场成像的时候，图像的亮暗，颜色不均匀，如下图所示。以上这些因素，都会导致在一些精密的光学检测（比如平板显示检测）时，检测结果和真实情况出现较大偏差。图2 校准前相机平场响应 除此之外，相机对于不同亮度的线性响应也不同。由于相机输出的信号是灰度值，并不具有真实的物理意义。因此，在做光学检测（比如说亮度检测时），需要对相机进行线性度和亮度标定，建立起相机灰度信号和真实亮度的关系曲线。三、工业相机校准解决方案 为了解决以上机器视觉系统中存在的问题，提高机器视觉系统，尤其是AOI等光学检测系统的精度，欧洲机器视觉协会EMVA提出了《EMVA1288：成像传感器和相机性能表征标准》，其中介绍了如何对成像传感器及相机的空间不均匀度，灵敏度，线性度和噪声等一些列指标进行表征和校准的办法。其中明确写到：“最好的均匀光源是积分球均匀光源”，且推荐“光源的均匀性要大于97%”。图3 蓝菲光学相机平场校正方法 用户在使用时，只需要相机对准均匀光源的开口，拍摄一张图像，再经过算法进行计算，就可以对相机的均匀性进行校正，这一过程称为平场校正。经过均匀光源校准后，相机的均匀性可以显著提高。如下图所示，为一个工业相机经过积分球均匀光源校正前后相机的均匀性测试结果。从图中可以很明显看出，校正前相机的均匀性较差，中心场的响应优于周边的响应。校正后相机平面内的响应一致。相机校正前 相机校正后图4 工业相机经过蓝菲光学LED 积分球均匀光源系统平场校正前后对比 四、完美的积分球面光源 工业相机的精度决定了机器视觉系统的检测精度，校准光源的均匀性决定了工业相机的精度。越是均匀的积分球光源，经过其校准后得到的相机均匀性越高。根据积分球的原理，入射到积分球的光在积分球内部进行多次反射，最终在输出端口得到亮度，色度都完全均匀的面光源。积分球的出光口均匀性主要取决于以下几个方面：1.积分球内壁材料的反射特性。材料的反射特性可以分为朗伯反射，镜面反射和混合反射。由积分球原理可知，积分球内壁材料反射特性越接近朗伯特性，其开口处均匀性越高。此外，当入射光是宽谱光时（比如白光），材料的光谱反射一致性决定了开口处的色度均匀性，材料的光谱反射率越一致，也就是对各个波长的反射率越一致，开口处的色度越均匀。2.积分球的设计。如何设计积分球的尺寸，入射光的位置，挡板的位置和方向，都会影响积分球开口的均匀性。 蓝菲光学积分球均匀光源Spectra-CT提供了一种超均匀，高动态范围，亮度/色温均可精细调节的面光源。该积分球光源采用蓝菲光学独有的高反射率完美朗伯反射材料Spectraflect，基于蓝菲光学40余年的光学系统开发经验，精细的积分球结构设计，是机器视觉相机校准的完美解决方案。其主要具有以下特点：出光面超级均匀，均匀性大于99.5%系统输出稳定性高，稳定性达0.1%亮度线性可调节，可实现从微弱光0.1cd/m2至25000cd/m2的亮度输出色温动态可调节，可实现从低色温2700K到高色温7500K的输出自带亮度监控，实时观测亮度输出情况软件实现光源和探测器的全部控制，界面简单易用，可提供控制指令供二次开发。系统还可定制各类色温，亮度，单色光，大视场角等不同参数的光源图5 蓝菲光学LED 均匀光源系统（Spectra-CT）及开口处光斑亮度分布 Spectra-CT LED积分球均匀光源是均匀性较高的面光源，其卓越的性能可以满足EMVA1288要求的相机均匀度，线性度，信噪比，动态范围等诸多参数测试。是从研发到生产，各类工业相机的理想校准光源。

p style="text-align: justify "span style="font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai "　　作为光谱仪器的核心部件,光栅的地位举足轻重。近年来，针对我国机械刻划光栅的刻划面积及精度不足等问题，中科院长春光学精密机械与物理研究所(以下简称：长春光机所)开展了一系列的技术攻关，不仅成功研制出大型高精度光栅刻划机，而且该刻划机已成功制作出刻划面积为400mm× 500mm的世界最大面积中阶梯光栅。/span/pp style="text-align: justify "span style="font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai "　　为了更深入的了解我国光栅及光谱仪器的研究现状及未来发展态势，仪器信息网编辑特别邀请到中科院长春光学精密机械与物理研究所李晓天副研究员给大家分享其在光栅及光谱仪器研发过程中的经验。/span/pp style="text-align: justify "span style="font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai "/span/pp style="text-align: center "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 356px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/6a4b4291-b891-4b13-b4aa-d667cb197457.jpg" title="微信图片_20200710094424.png" alt="微信图片_20200710094424.png" width="450" height="356" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "strong中科院长春光学精密机械与物理研究所 李晓天副研究员/strong/pp style="text-align: justify "span style="font-size: 14px "span style="font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai "　　李晓天，博士生导师，九三社员，Opt. Express等10余个权威SCI期刊审稿专家。自2006年参加工作，主要从事光电检测、衍射光栅及其在光谱技术领域应用研究等科研工作，作为项目负责人获批空间外差拉曼方面的国内第一个自然科学基金青年基金和第一个面上项目，以及吉林省技术攻关项目等 作为分系统或子课题负责人承担国家973课题、国家重大科研装备研制项目等，曾获“航天科技四院杰出青年”、“吉林省科技进步一等奖”、“吉林省青年文明号”等荣誉。获授权发明专利28项，其中第一发明人12项 在Opt.Express等权威SCI/EI期刊发表论文40余篇，其中第一/通讯作者16篇。培养的博士和硕士研究生获得国家奖学金、中科院院长奖、中科院新生奖等10余种奖励,其中一名学生连续两年获国家奖学金后公派留学于美国哈佛大学/span。/span/pp style="text-align: justify "　　span style="color: rgb(255, 0, 0) "strong我国高精度平面刻划光栅已处于国际领先水平/strong/span/pp style="text-align: justify "　　衍射光栅是最重要的一类光学色散元件，它是绝大多数光谱仪器的核心器件，其精度高低直接决定光谱仪器性能的优劣。按制作方法, 衍射光栅可分为机械刻划光栅、离子束刻蚀-全息光栅、体全息光栅等。随着国家支持力度的加大，我国各类光栅制作技术均有显著提升，与国外最高水平的差距也越来越小，特别值得一提的是，我国的机械刻划光栅制作技术已达到国际领先水平。/pp style="text-align: justify "　　机械刻划光栅的性能主要由光栅刻划机的运行精度决定。据李晓天介绍，光栅刻划机是制作光栅的母机，机械刻划光栅主要是通过光栅刻划机的金刚石刻刀在光栅基底的膜层上挤压成形出一系列具有一定规则形状和间距的刻槽，在此期间，刻划机的基底工作台要不断进行精密进给运动，而金刚石刻划刀要不断进行往复运动，光栅刻划的定位精度要达到纳米量级。因此部件的加工装调精度要求极高，运行保障环境要求也极为苛刻，光栅刻划机也被誉为“精密机械之王”。/pp style="text-align: justify "　　李晓天开展的光栅研究主要是针对机械刻划光栅，采访中他给大家详细介绍了自己在这方面的工作。据介绍，李晓天通过仿真分析和科研经验等，指出国产光栅刻划机刻划系统结构不够稳定是导致刻划出的光栅杂散光较大的主要原因之一，最终通过大量的实验验证了这一结论 据此，他在导师唐玉国研究员等前辈的悉心指导下，在国内率先开展了光栅刻划系统误差修正技术研究，最终使得刻划出的光栅杂散光从10sup-3/sup量级降低至可达10sup-5/sup量级，此外他还开展了衍射波前主动补偿、光栅性能实时检测技术等研究工作，有效提高了光栅刻划机及刻划光栅的性能。目前，李晓天及其所在的大光栅团队已研制出高精度大光栅刻划机1台，主要性能指标为：最大刻划面积：400mm× 500mm；最高刻槽密度：6000线/mm；仪器运行的短期定位误差：≤3.0nm(1σ)，并已成功制作出刻划面积为400mm× 500mm的世界最大面积中阶梯光栅,获得“吉林省科技进步一等奖”、“吉林省青年文明号”等荣誉。相关成果被中央电视台新闻联播、人民日报、科技日报、经济日报、光明日报等多家媒体进行报道。/pp style="text-align: justify "　　谈到其开展的光栅相关工作，李晓天自豪的说，“就光栅定制而言，我们光栅产品价格要比国外产品低的多，国内的一些企业获得信息后，原本计划在国外采购的光栅也改为从我们单位定制采购了。”据悉，长春光机所的刻划光栅产品已在北京博晖创新光电公司、浙江大学、加拿大多伦多大学、中科院西安光机所、中科院上海技物所等单位研制的光谱仪器中得到了成功应用。其中，加拿大多伦多大学将他们研制的红外中阶梯光栅与美国Bach公司制作的194线/mm中阶梯光栅进行了对比，结果发现该光栅性能优于美国Bach公司产品，其中TM波的光栅衍射效率高出约20%左右；北京博晖创新光电公司将长春光机所的光栅产品与其购买的一块国外产品进行了对比，发现长春光机所的光栅产品性能更优。/pp style="text-align: justify "　　span style="color: rgb(255, 0, 0) "strong以光栅自主创新促进光谱仪器进步 核心部件国产化率亟待提升/strong/span/pp style="text-align: justify "　　作为光谱仪器的核心部件，光栅技术的深入对光谱仪器的开发具有重要的指导意义。在完成了光栅刻划机研制之后，李晓天的研究重心转向光栅应用技术，其曾参与了中阶梯光栅光谱仪、光栅杂散光测量仪、傅立叶变换型光栅衍射效率测量仪和成像光谱仪等研究工作。特别是近几年，他开始了拉曼光谱技术的研究工作。对此，李晓天表示说，由于拉曼光谱不怕水，可以在水溶液或者水环境中实现物质的检测，做完拉曼光谱仪技术的基础研究工作以后，下一步的工作重点是要将其应用到生物医学、星际探测等与国计民生息息相关的重要领域中。/pp style="text-align: justify "　　现有的拉曼光谱技术，如色散型拉曼光谱仪因存在入射狭缝，导致其在高光通量、高分辨率、宽波段、无运动部件等性能方面难以兼顾。为解决以上影响拉曼光谱技术发展的关键问题，李晓天从2015年开始研发可兼具高光通量、高分辨率等以上性能的新型空间外差拉曼光谱仪，并作为项目负责人成功获批了空间外差拉曼光谱方面的国内第一个自然科学基金青年基金项目和第一个面上项目。/pp style="text-align: center "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 312px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/0dc5b33a-9e92-4c9a-8052-ddb610c8743b.jpg" title="微信图片_20200710094022.png" alt="微信图片_20200710094022.png" width="600" height="312" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "strong拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪原理样机(左)及硫磺样品的外差拉曼干涉图(右)/strong/pp style="text-align: justify "　　据介绍，空间外差拉曼光谱仪无入射狭缝，且整个仪器没有运动部件。通过探测器单次测量及分析，即可获得全波段的待测物拉曼光谱信息。而且仪器结构紧凑，其除探测器以外的核心光学模块的尺寸可以做到15cm× 15cm以内，因此仪器可兼具高光通量、高分辨率、宽波段、无运动部件等性能。空间外差拉曼光谱仪将在待测物拉曼信号较弱、有限载荷使用条件以及待测环境条件恶劣等方面具有较好的应用前景，此外在透射拉曼光谱领域也可以发挥其优势。/pp style="text-align: justify "　　在拉曼光谱仪研究过程中，李晓天提出光栅拼接型空间外差拉曼及LIPS光谱仪、中阶梯光栅型空间外差拉曼光谱仪和空间外差型太赫兹拉曼光谱仪等新型仪器结构，并带领团队突破关键理论与技术，设计出具有棱镜视场展宽能力的高光通量空间外差拉曼仪器原理样机，其测得的硫磺等样品信号强度可达同等分辨率和测量波段范围的传统色散型仪器的100倍；给出基于三阶极小值和多子区间分割的光谱背景扣除算法，可有效解决背景光干扰等对拉曼光谱测量的影响 提出通过光阑和光学陷阱等抑制仪器杂散光的方法；提出基于中阶梯光栅多级次锥面衍射的空间外差拉曼光谱仪结构等等。/pp style="text-align: justify "　　近几年，国内的一些知名企业和院校纷纷开展了拉曼光谱仪器研发工作，使得我国拉曼光谱仪研发力量得到了较大的提高，但整体来说与国际最高水平仍存在一定差距，在全球市场中所占份额较低。对此，李晓天分析到，光栅等拉曼光谱仪的核心光学元件在国产拉曼光谱仪中的国产化率并不高，主要原因是我国光栅技术水平的提升是在近几年发生的，目前国内的科研院所和企业大多还不清楚国内的机械刻划光栅水平已得到显著改善且定制价格远低于国外产品这一事实。相信随着时间的推移，我国拉曼光谱仪产品中的光栅国产化率会得到大幅度提升。此外，李晓天也提到，除了光栅以外，拉曼滤光片也是仪器的核心元件，特别是低波数拉曼滤光片尚未实现高性能产品国产化，制约着相应仪器的发展。/pp style="text-align: justify "　　span style="color: rgb(255, 0, 0) "strong国产光栅及光谱仪发展展望: 一代光栅对应着一代光谱仪/strong/span/pp style="text-align: justify "　　从核心部件到仪器整机，李晓天在光学仪器研发领域已经工作了10余年。据悉，未来他还将继续开展新型高端光栅光谱仪研究工作，在高分辨率、高通量、高灵敏度光谱仪器研制方面继续开展深入的研究。不仅如此，他还计划尝试开展拉曼光谱技术在生物医学等领域的应用研究。/pp style="text-align: justify "　　采访中，李晓天指出，目前国内的光栅刻划机只能刻划平面光栅，但是国内外市场对凹面光栅和凸面光栅等非平面光栅的需求也日益迫切，若能采用光栅刻划机进行非平面光栅研制，将能够有效解决现有的非平面光栅的衍射效率等性能难以满足诸多领域使用需求的难题，所以希望国家或地方政府可以对非平面光栅刻划机的研制进行专项资金投入。再者，国内外天文望远等领域对更大面积光栅仍有使用需求，不过如果直接研制可以刻划更大面积光栅的刻划机，对机械和精密控制等技术具有更高需求，需要的资金投入也较多，因此发展投入相对较低的大光栅拼接复制技术也是未来光栅技术的重要方向。此外，超环面光栅、大面积体全息光栅等其它光栅技术也应该开展深入研究。/pp style="text-align: justify "　　对于我国光谱仪器研发的现状,李晓天分析到，衍射光栅是光栅光谱仪器的核心元件，在仪器研发中意义重大。但是现在国内大多数仪器厂家和单位在进行光谱仪器设计时，往往先在现有产品中选择一个测量波段等指标相对适合的光栅产品，然后根据该光栅参数进行仪器设计，这将导致仪器设计存在一定局限性。李晓天指出，大家应充分发挥光栅在光谱仪器研制中的重要作用，如根据仪器光路结构，去优化光栅参数再去定制该光栅，将大大提高仪器性能。一代光栅对应着一代光谱仪，若能进一步提出新的光栅设计参数或者新的光栅类型，则有望产生新一代光谱仪器!以新型的中阶梯光栅、离子束-刻蚀全息光栅、体全息光栅、超环面光栅、各类其它非球面光栅以及特殊类型光栅为核心元件的光谱仪器将逐步登上我国的历史舞台。/pp style="text-align: justify "　　此外，对于大家关注的科研成果转化问题，李晓天也谈到，我国在光谱仪器研发方面已具有多年的经验积累，也取得了较好成绩，但是，企业与科研院所之间存在一定的技术脱节，也就是说科研院所把光谱仪器研发后，并没有与企业形成较好的对接。不过，他也提到，目前国家已经形成一些激励政策，相信未来科研院所和企业会形成的良好合作模式。/pp style="text-align: justify "span style="font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai "　　附注：李晓天副研究员课题组隶属于国家光栅制造与应用工程技术研究中心(简称为国家光栅工程中心)，该中心拥有60年以上的光栅研制及光谱仪器研发经验，具有完善的光栅制造设备、丰富的光学设计及精密装调技术、光谱仪标定设备、精密微动工作台、精密光学检测仪器、光学系统计算辅助装调设备等，具有自主研制高刻线密度光栅、中阶梯光栅和多种全息光栅等能力。先后研制出中型和大型摄谱仪、红外分光光度计、紫外分光光度计、大型真空紫外单色器、空间太阳紫外光谱辐照监视器、可见和红外高分辨率成像光谱仪、中阶梯光栅光谱仪、凸面光栅光谱仪、微型生化分析仪、近红外水分分析仪、近红外粮食成分分析仪、荧光在线水中油测试仪等仪器。/span/p

近日由我所空间室承担的某离轴三反相机桌面样机顺利通过模拟实验，其中采用的光学非球面为我所先进光学加工与检测中心研制，该项工作从非球面光学系统的设计、光学冷加工到光学系统的计算机辅助装调技术都由我所独立完成。实现了我所离轴非球面光学系统制造的完整链条。　　该相机的主镜、三镜反射面均为二次曲面且离轴量大，面形误差要求高，加工技术难度较大，尤其是第三镜为一个相对孔径较大的扁球面。光学加工过程中项目组每一位同志充分发挥勇于挑战，不畏艰难的精神，展开非球面加工的技术攻关。项目组以传统的经典加工工艺为基础，在探索中前进，一步步由传统方法迈向先进的技术方法。经多次方案论证，确定了加工工艺，并严格按照工艺要求进行加工，同时针对加工过程中出现的问题及时完善工艺。项目组历经数月加班加点的艰苦奋斗，最终圆满完成了该系统的加工任务。产品面形精度达到了1/50λ，超出了设计要求，同时也填补了我所扁球面光学加工技术的空白。另外在装调中应用了计算机辅助装调技术，相机在模拟成像实验中，鉴别率板经相机成像，在可见光波段实现了高分辨率成像，同时利用光电子室提供的紫外MCP器件在紫外波段也获得了优异的成像结果。　　该项目的圆满完成，标志着我所在离轴三反光学系统先进制造技术上取得了突破，集空间室与光电子室的研制成果为一体，提升了我所在紫外探测方面的整体实力。