平晶等厚干涉条纹一体化检测方法研究

闫雪锋，赵楠，张国亮

(天津职业技术师范大学机械工程学院，天津300222)

基金项目：天津市教委科研计划资助项目（2017KJ105，JWK1718）；天津职业技术师范大学科研启动资助项目（KYQD1623，KJY12-13，KYQD1908）

作者简介：闫雪锋（1980—），男，讲师，博士，主要研究方向为数字孪生、故障诊断和智能计算，yxf_journal@tute.edu.cn.

通讯作者：赵楠，男，讲师，nanzhao1982@163.com.

摘要：为了测量平晶表面误差，提高检测效率和精度，定义了平晶等厚干涉条纹信息提取、分析以及计算的一体化求解机制，提出了基于最小二乘法的条纹边缘拟合方法。以某型号等厚干涉仪对条纹一体化检测为例，说明了该方法搭建条纹一体化检测平台求解条纹误差的正确性、有效性与实用性。

关键词：曲线拟合；等厚干涉条纹；图像处理；一体化检测

中图分类号：TP391.9   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)01-0075-06

平晶是表面粗糙度量值和表面形状误差均极小的光学玻璃或石英玻璃平面，已成为各级计量单位平面度检测的关键基准元件。现有平晶检测设备陈旧、检测质量不高、操作繁琐，因此对其表面产生的光波干涉条纹进行快速有效检测成为迫切需求。目前，对平晶平面度的检测主要由实验人员凭经验操作并评测，主观局限性较大，测量精度及其一致性难以保证，检测效率低，而且误操作率较高，无法满足工程要求。

为此，国内外研究人员利用高分辨率图像采集元件、图像处理技术以及卷积神经网络（CNN）等方法对条纹检测的过程和方法进行深入研究，以弥补上述传统方法的不足。谭林秋等［1］对比常用图像边缘检测算法存在抑制原始图像噪声差的问题，提出Sobel算子与LOG算子融合的边缘检测算法，抑制了图像中的大部分噪声，保证了较高的边缘定位精度；韩峰等［2］针对动态图像检测存在灰度失真和目标物体模糊的缺陷，设计了针对电荷耦合器件（charge coupled device, CCD）的运动图像清晰度改进方案，但难以有效降低原始噪声；杨利利［3］针对等厚干涉条纹的参数计算，通过理论计算得到条纹尺寸参数与干涉级次变化规律，为后续条纹边缘拟合提供参考；王海燕等［4］针对干涉条纹处理的最大二值化与条纹细化问题，提出将矩不变算法与SPTA算法相结合以提高图像处理的速度和精度；鄢静舟等［5］采用数字图像处理技术采集干涉条纹特征信息，介绍了一种基于BP神经网络方法以替代最小二乘法，为干涉条纹的特征提取提供参考。在此基础上，王霞等［6］针对干涉条纹的精度计算提出次曲线拟合法，使得干涉条纹曲线拟合精度明显提高。赵艳等［7］提出CCD融合计算机图像处理技术检测干涉条纹的方法，但检测过程没有一体化，检测效率难以保证。

尽管上述方法为平晶的条纹检测做了有益探索，但条纹的图像处理及其参数的求解算法以及一体化工程仍存在以下不足：1）平晶等厚干涉条纹的图像处理仍然是以已有的求解算法单向求解，不具有迭代求解信息回馈的闭环求解能力；2）条纹参数求解中基础特征点确定主要依靠人工经验，同一条纹多次测量的结果不同；3）干涉条纹人工离散检测，效率和精度不高。本文主要针对平晶等厚干涉条纹的图像处理、条纹参数计算及分析搭建一体化信息融合平台，一方面通过各过程算法，求解平晶检测分步目标参数；另一方面搭建各分步一体化关联设计平台。

本文利用CCD获取干涉图像并进行灰度值处理、中值滤波、二值化以及边缘特征提取等处理，在此基础上，提取条纹的像素点最小二乘法拟合曲线，求解条纹及其边缘曲线的中心线，以便得到条纹的弯曲度，进而评测平晶质量。另外，基于上述研究，利用Pycharm软件PyQt5模块的Designer工具，搭建内嵌MATLAB软件、CCD数据输入接口以及打印输出接口的一体化平台，以便更好更快地支持条纹的一体化检测。