一种基于合成孔径聚焦技术的镜头检验方法和系统

技术领域

本发明涉及镜头在线检验领域，尤其涉及一种基于合成孔径聚焦技术的镜头检验方法和系统。

背景技术

近年来，随着各类光学镜头越来越广泛的普及，除了相机、显微镜等传统行业以外，其还被应用于虚拟现实设备、智能家居安防、物联网、无人机、车载ADAS系统、扫描识别支付等新兴行业。这些新的需求，使得各类光学视觉镜头的需求量大幅增加，成像质量响应的要求也越来越高。

目前，镜头中的镜片组在精密装配封装完好之后，部分镜头的成像质量差，甚至无法有效成像，现有技术通过光学测试系统对每个镜头进行光学成像检测，但是这种探测方法是无法一次性探测镜头内各镜面的所有区域的缺陷的，同时还具有检验速度慢、无法进行在线检测等缺点。

发明内容

本发明提供了一种基于合成孔径聚焦技术的镜头检验方法和系统，以解决如何提高检验速度的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于合成孔径聚焦技术的镜头检验方法，包括：

通过超声阵列换能器的各阵元，依次向待测镜头的检测区域发送超声脉冲；

通过所述超声阵列换能器的每个所述阵元，分别获取所有所述超声脉冲对应的回波信号；

采用自适应信号叠加算法对所述回波信号进行处理，获得所述检测区域对应的超声波形；

将所述检测区域对应的超声波形与无损镜片的超声波形进行对比，当所述检测区域对应的超声波形相对于无损镜片的超声波形出现波形延时或波形反相时，则判定所述检测区域存在缺陷；反之，判定所述检测区域不存在缺陷。

作为优选方案，所述采用自适应信号叠加算法对所述回波信号进行处理，获得所述检测区域对应的超声波形，具体为：

对所有所述回波信号进行检波、A/D转换；

对各所述回波信号的幅值分别乘以一加权因子，对乘以了加权因子的所有回波信号进行叠加平均，获得所述检测区域对应的超声波形。

作为优选方案，所述加权因子根据超声波衰减因子和回波信号的声程确定。

作为优选方案，在所述对各所述回波信号的幅值分别乘以一加权因子之前，还包括：

获取预设声程范围内对应的检测点处经过补偿的超声波波形幅度，将所述超声波波形幅度与噪声信号进行比较，当比较结果不符合预设条件时调整所述加权因子，直至所述比较结果符合所述预设条件，获得调整好的所述加权因子。

作为优选方案，所述镜头检验方法还包括：通过C扫描技术，对回波声程周围预设范围内的检测点进行着色成像。

相应的，本发明实施例还提供了一种基于合成孔径聚焦技术的镜头检验系统，包括脉冲发送模块、回波获取模块、信号处理模块和缺陷判别模块；其中，

所述脉冲发送模块，用于通过超声阵列换能器的各阵元，依次向待测镜头的检测区域发送超声脉冲；

所述回波获取模块，用于通过所述超声阵列换能器的每个所述阵元，分别获取所有所述超声脉冲对应的回波信号；

所述信号处理模块，用于采用自适应信号叠加算法对所述回波信号进行处理，获得所述检测区域对应的超声波形；

所述缺陷判别模块，用于将所述检测区域对应的超声波形与无损镜片的超声波形进行对比，当所述检测区域对应的超声波形相对于无损镜片的超声波形出现波形延时或波形反相时，则判定所述检测区域存在缺陷；反之，判定所述检测区域不存在缺陷。

作为优选方案，所述信号处理模块采用自适应信号叠加算法对所述回波信号进行处理，获得所述检测区域对应的超声波形，具体为：

所述信号处理模块对所有所述回波信号进行检波、A/D转换；

对各所述回波信号的幅值分别乘以一加权因子，对乘以了加权因子的所有回波信号进行叠加平均，获得所述检测区域对应的超声波形。

作为优选方案，所述加权因子根据超声波衰减因子和回波信号的声程确定。

作为优选方案，所述镜头检验系统还包括加权因子修正模块，所述加权因子修正模块用于在所述对各所述回波信号的幅值分别乘以一加权因子之前，获取预设声程范围内对应的检测点处经过补偿的超声波波形幅度，将所述超声波波形幅度与噪声信号进行比较，当比较结果不符合预设条件时调整所述加权因子，直至所述比较结果符合所述预设条件，获得调整好的所述加权因子。

作为优选方案，所述镜头检验系统还包括着色模块，所述着色模块用于通过C扫描技术，对回波声程周围预设范围内的检测点进行着色成像。

相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：

本发明实施例提供了一种基于合成孔径聚焦技术的镜头检验方法和系统，所述镜头检验方法包括：通过超声阵列换能器的各阵元，依次向待测镜头的检测区域发送超声脉冲；通过所述超声阵列换能器的每个所述阵元，分别获取所有所述超声脉冲对应的回波信号；采用自适应信号叠加算法对所述回波信号进行处理，获得所述检测区域对应的超声波形；将所述检测区域对应的超声波形与无损镜片的超声波形进行对比，当所述检测区域对应的超声波形相对于无损镜片的超声波形出现波形延时或波形反相时，则判定所述检测区域存在缺陷；反之，判定所述检测区域不存在缺陷。相比于现有技术，基于超声阵列换能器进行超声波的发射和接收，在镜片的厚薄、或者间隙存在差异(即增加了空气的介质)的情况下，超声波的回波波形将会发生明显的变化，并且，相比现有技术的光学测试系统，可以更全面地探测镜头所有区域的缺陷，有效提高检验速度，实现在线检测。

附图说明

图1：为本发明基于合成孔径聚焦技术提供的镜头检验方法的一种实施例的流程示意图。

图2：为本发明提供的理想镜片组的装配的一种实施例的结构示意图。

图3：为本发明提供的理想镜片组的装配的一种实施例的截面示意图。

图4：为本发明提供的镜片径向偏移d的一种实施例的截面示意图。

图5：为本发明提供的镜片轴向偏移d的一种实施例的截面示意图。

图6：为本发明提供的镜片偏转θ的一种实施例的截面示意图。

图7：为本发明提供的超声波在理想镜片组内部传播的一种实施例的截面示意图。

图8：为本发明提供的超声波在镜片组发生了径向偏移d内部传播的一种实施例的截面示意图。

图9：为本发明提供的超声波在镜片组发生了轴向偏移d内部传播的一种实施例的截面示意图。

图10：为本发明提供的超声波在镜片组发生了偏转θ内部传播的一种实施例的截面示意图。

图11：为本发明提供的超声合成孔径法检测镜头的一种实施例的原理示意图。

图12：为本发明提供的超声波脉冲自适应叠加算法的一种实施例的原理示意图。

图13：为本发明提供的装配缺陷产生的波形声程差的一种实施例的正检波对比示意图。

图14：为本发明提供的装配缺陷产生的波形反相的一种实施例的正负检波对比示意图。

图15：为本发明基于合成孔径聚焦技术提供的镜头检验系统的一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种基于合成孔径聚焦技术的镜头检验方法，包括步骤S1至步骤S4，其中，

步骤S1，通过超声阵列换能器的各阵元，依次向待测镜头的检测区域发送超声脉冲。

步骤S2，通过所述超声阵列换能器的每个所述阵元，分别获取所有所述超声脉冲对应的回波信号。

步骤S3，采用自适应信号叠加算法对所述回波信号进行处理，获得所述检测区域对应的超声波形。

步骤S4，将所述检测区域对应的超声波形与无损镜片的超声波形进行对比，当所述检测区域对应的超声波形相对于无损镜片的超声波形出现波形延时或波形反相时，则判定所述检测区域存在缺陷；反之，判定所述检测区域不存在缺陷。

在本实施例中，超声波是一种机械波，其余被检测物间的相互作用反映的情形不同于光、电子束及X射线等等基于反射或折射特征的电磁波。因此，基于超声波的检测方法和检测原理也与上述电磁波存在差异。

超声波的传播是以介质材料内分子的振动而产生的，一个分子的振动传递到相邻的分子上，通过同样的方式不断向周围传播。而超声波在不同的介质中传播时，由于介质的物理参数如密度、弹性模量等的不同，以及介质的声阻抗也不同，从而导致了超声波遇到不同的介质，例如镜片之间的间隙(增加了空气介质)不同时，超声波的回波波形也会发生明显的变化。

四片镜片组成的镜片组可以参照图2。其内部截面图如图3所示。在图3中，从左到右因此为镜片①、镜片②、镜片③和镜片④。

由于装配不理想造成的镜片位置偏差大体上可以划分为三种类型，包括径向偏移d、轴向偏移d以及偏转θ。分别如图4、5、6所示。

超声波在理想镜片组(无任何装配偏差)内部传播的示意图如图7所示，而其在镜片发生了径向偏移d内部传播的示意图如图8所示。由图7和图8对比可知，由于径向偏移d的存在，超声波在传播过程中，镜片②与镜片③之间的一侧空气介质缩短，玻璃介质变长；另一侧空气介质变长，玻璃介质缩短，且随着径向偏移d的增大，变化越明显。

超声波在镜片发生了轴向偏移d内部传播的示意图如图9所示。由图9与图7的对比可知，由于径向偏移d的存在，超声波在传播过程中镜片②与镜片③之间的空气介质变长，玻璃介质不变，整体传播路径变长，且随着轴向偏移d的增大，变化越明显。

超声波在镜片发生了偏转角度θ内部传播的示意图如图10所示。由图10与图7的对比可见，由于偏转角度θ的存在，超声波在传播过程中镜片①与镜片②之间的一侧空气介质缩短，玻璃介质变长；另一侧空气介质变长，玻璃介质缩短，且随着偏转角度θ的增大，变化越明显。

超声波镜头中各镜片的超声声波在传播的过程中，一旦遇到声阻抗不同的交界面，超声波会很敏感地变化，这种变化会在波形上进行体现。因此，利用超声波的这一特性可以检测出镜片组内部由于装配产生的微小误差导致的界面的声阻抗变化，从而通过波形反映出来。

由于镜头的安装缺陷导致的是面内的缺陷，现有的普通探头或光学检测系统无法一次性探测面内各个部分的缺陷，为了便于分析镜头各个方位的超声传播特性，即一次即可扫查整个镜头以便快速进行检验，提高检验速度，并提高检测图像的分辨力，本方案采用合成孔径聚焦技术(SAFT技术)。

合成孔径聚焦技术是一种对时域信号进行处理的技术。本实施例采用超声阵列换能器的各阵元，通过“多发多收”的方式，依次向待测镜头的检测区域发送超声脉冲，并接收、存储回波脉冲(信号)，每个超声阵元同时接收检测区域所有的回波信号，通过对回波信号做若干处理，重建回波信号发射图，可得到高分辨率和信噪比的图像。

合成孔径聚焦技术应用于镜头的检测原理如图11所示，由于超声波在多层玻璃镜片之间发射以及反射的声程中发生衰减和散射，尤其是经过多层玻璃镜片的传播衰减后，接收反射回的超声脉冲信号较弱。而对大声程处的信号，信噪比低，为了增强脉冲回波，提高信噪比，本实施例可以优选地对大声程处的回波信号采用自适应信号叠加算法。自适应信号叠加算法的原理如图12所示。

在本实施例中，所示待测镜头包含若干的镜片，通过所述超声阵列换能器的各阵元，依次向待测镜头的检测区域发送超声脉冲，并接收对应的回波信号。然后，采用自适应信号叠加算法对所述回波信号进行处理(上述步骤S3)，获得所述检测区域对应的超声波形，具体地：

对所有所述回波信号进行检波(通过检波器)、A/D转换(ADC)；对各所述回波信号的幅值分别乘以一加权因子，对乘以了加权因子wi(i指对应第i个阵元，阵元的数量或者加权因子的数量均为n个，阵元与加权因子一一对应)的所有回波信号进行叠加平均，获得所述检测区域对应的超声波形。优选地所述加权因子根据自适应算法动态DAC进行调整，即自适应地进行“距离－幅度曲线”调整。本实施例的“动态DAC”与传统DAC不同的是，由于本实施例采用了超声相控阵技术，小声程的信号信噪比高，不容易收到噪声干扰的影响，因此可以对小声程的信号模式进行识别，以获得超声波传播衰减规律，从而根据所述超声波传播衰减规律对加权因子wi进行调整。

作为本实施例的一种举例，所述信号模式为Mi(A1T1、A2T2，…，AnTn)，其中，Ai代表第i个峰值信号幅度，Ti代表第i个峰值信号对应的时间，峰值信号共n个(也即包含了n个峰值信号幅度和对应的时间)，每个阵元点出对应的检测点均可以得到一组模式Mi，根据模式的大小，获得超声波传播衰减规律例如衰减因子为2dB/mm，则对该检测点加加权因子wi为[(－2)×声程]。

进而，获取预设声程范围内对应的检测点处经过补偿的超声波波形幅度，将所述超声波波形幅度与噪声信号进行比较，当比较结果不符合预设条件时调整所述加权因子，直至所述比较结果符合所述预设条件，获得调整好的所述加权因子。

具体地，调整的方式为：通过合成孔径聚焦技术对各阵元反射回波进行叠加平均后，得到对应大声程(预设声程范围)的检测点处的经过补偿的波形幅度Sa，将该幅度与未施加波形的情况下对应大声程的检测点处的本底噪声信号幅度Na进行比较，从而可以得到信噪比SNR＝Sa－Na，当SNR＜50dB时，调整加权因子，直到SNR≥50dB(预设条件)，这种自适应调节算法补偿了由于材料耦合差异或声束传播距离引起的衰减，有利于多层镜片的高分辨率检测。

对于上述步骤S3，请参照图13和图14。将所述检测区域对应的超声波形与无损镜片的超声波形进行对比，如果所述检测区域存在缺陷，会出现图13类似的波形延迟，或者出现图14所示的波形反相的情形。而当所述检测区域对应的超声波形相对于无损镜片的超声波形出现波形延时或波形反相时，则判定所述检测区域存在缺陷；反之，判定所述检测区域不存在缺陷。

同时，为了便于在线检验过程中对缺陷进行快速的判别，提高检测的效率，可以通过C扫描技术，对回波声程周围预设范围内的检测点进行着色成像。也即，将缺陷特征以更明显的方式显示出来。

相应的，参照图15，本发明实施例还提供了一种基于合成孔径聚焦技术的镜头检验系统，包括脉冲发送模块101、回波获取模块102、信号处理模块103和缺陷判别模块104；其中，

所述脉冲发送模块101，用于通过超声阵列换能器的各阵元，依次向待测镜头的检测区域发送超声脉冲；

所述回波获取模块102，用于通过所述超声阵列换能器的每个所述阵元，分别获取所有所述超声脉冲对应的回波信号；

所述信号处理模块103，用于采用自适应信号叠加算法对所述回波信号进行处理，获得所述检测区域对应的超声波形；

所述缺陷判别模块104，用于将所述检测区域对应的超声波形与无损镜片的超声波形进行对比，当所述检测区域对应的超声波形相对于无损镜片的超声波形出现波形延时或波形反相时，则判定所述检测区域存在缺陷；反之，判定所述检测区域不存在缺陷。

作为一种优选实施方式，所述信号处理模块103采用自适应信号叠加算法对所述回波信号进行处理，获得所述检测区域对应的超声波形，具体为：

所述信号处理模块103对所有所述回波信号进行检波、A/D转换；

对各所述回波信号的幅值分别乘以一加权因子，对乘以了加权因子的所有回波信号进行叠加平均，获得所述检测区域对应的超声波形。

作为一种优选实施方式，所述加权因子根据超声波衰减因子和回波信号的声程确定。

作为一种优选实施方式，所述镜头检验系统还包括加权因子修正模块，所述加权因子修正模块用于在所述对各所述回波信号的幅值分别乘以一加权因子之前，获取预设声程范围内对应的检测点处经过补偿的超声波波形幅度，将所述超声波波形幅度与噪声信号进行比较，当比较结果不符合预设条件时调整所述加权因子，直至所述比较结果符合所述预设条件，获得调整好的所述加权因子。

作为一种优选实施方式，所述镜头检验系统还包括着色模块，所述着色模块用于通过C扫描技术，对回波声程周围预设范围内的检测点进行着色成像。

相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：

本发明实施例提供了一种基于合成孔径聚焦技术的镜头检验方法和系统，所述镜头检验方法包括：通过超声阵列换能器的各阵元，依次向待测镜头的检测区域发送超声脉冲；通过所述超声阵列换能器的每个所述阵元，分别获取所有所述超声脉冲对应的回波信号；采用自适应信号叠加算法对所述回波信号进行处理，获得所述检测区域对应的超声波形；将所述检测区域对应的超声波形与无损镜片的超声波形进行对比，当所述检测区域对应的超声波形相对于无损镜片的超声波形出现波形延时或波形反相时，则判定所述检测区域存在缺陷；反之，判定所述检测区域不存在缺陷。相比于现有技术，基于超声阵列换能器进行超声波的发射和接收，在镜片的厚薄、或者间隙存在差异(即增加了空气的介质)的情况下，超声波的回波波形将会发生明显的变化，并且，相比现有技术的光学测试系统，可以更全面地探测镜头所有区域的缺陷，有效提高检验速度，实现在线检测。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。