CN103837545B - 一种镜片成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镜片成像装置及方法，包括光学照明模块、PLC控制器、摆动气爪、两轴运动平台、第一驱动器、第一伺服电机、第一编码器、第二驱动器、第二编码器、第二伺服电机和面阵CCD相机；两轴运动平台包括相互垂直的X轴和Y轴；摆动气爪安装在Y轴上，面阵CCD相机固定安装在与摆动气爪垂直方向的正上方；PLC控制器的第一输出控制端与第一驱动器的输入端连接，第一驱动器的输出端与第一伺服电机的输入端连接，第一伺服电机用于驱动Y轴运动；第一编码器用于将Y轴运动的脉冲个数反馈给PLC控制器；第二编码器用于将X轴运动的脉冲个数反馈给PLC控制器。本发明在平台的高速运动下用图像分割的方法能快速有效地采集目标图像，在保证分辨率的前提下降低了对硬件的要求。

Description

一种镜片成像装置及方法

技术领域

本发明属于检测领域，更具体地，涉及一种镜片成像装置及方法。

背景技术

近年来，随着通讯产业的迅速发展，镜片作为LCD、LED等显示屏的保护装置，被大规模使用在手机、平板电脑等电子装置上。镜片在保护显示屏的同时，还要保证不影响到屏幕的透光性，这对镜片表面的清洁度就提出了要求。如何检测清洗后的镜片是否干净，一开始是工作人员用肉眼检查，这对工作人员的素质提出了要求，同时也造成了判断标准的主观性。传统的人眼检测方法对微小缺陷和色差不明显缺陷以及复杂图案的检测并不敏感，难以实现对产品缺陷或瑕疵的完全检测。人工鉴别不仅效率低，而且精度也不够高，并且对人体有一定的伤害。随着科技的进步，慢慢的机器视觉取代了人工肉眼检查，将被检查物体转换成图像数据，再通过控制系统对其进行分析与处理。

成像是捕获、存储、显示和打印图像信息的过程。分辨率和对比度是成像质量的重要组成部分，分辨率指成像系统所能重现的被测物体细节的数量。传统上对图像的捕捉采取整体获取的方式，如果要获得被成像物体非常细微的特征，就将对成像系统的分辨率有非常大的要求。如何使用适度的分辨率的成像装备捕获到被成像物体细微的特征成为待解决的问题。

如果采用直接拍摄的方式，对相机的视野、镜头的分辨率要求就会很高，因为镜片上的刮痕与瑕疵都是比较微小的，只有分辨率够高才能清晰辨认；再者各类镜片的尺寸又不统一，同样的分辨率可能不具有普适性；而且，无论选用何种相机，都不能保证在其分辨率满足要求的同时其视野能够恰好调整到与镜片尺寸相符合的理想情况。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种镜片成像装置及方法，其目的是能够在保持成像精度的同时，降低对相机性能的要求。

本发明提供了一种镜片成像装置，包括光学照明模块、PLC控制器、摆动气爪、两轴运动平台、第一驱动器、第一伺服电机、第一编码器、第二驱动器、第二编码器、第二伺服电机和面阵CCD相机；两轴运动平台包括相互垂直的X轴和Y轴；所述摆动气爪安装在所述Y轴上，用于夹取待测镜片；所述面阵CCD相机固定安装在与所述摆动气爪垂直方向的正上方；所述光学照明模块用于为所述面阵CCD相机提供可以使成像均匀且无反光亮点的同轴平行光；所述PLC控制器的第一输出控制端与所述第一驱动器的输入端连接，所述第一驱动器的输出端与所述第一伺服电机的输入端连接，所述第一伺服电机的输出端与所述Y轴连接，用于驱动Y轴运动；所述第一编码器的输入端连接至所述第一伺服电机的反馈端，所述第一编码器的输出端连接至所述PLC控制器的第一输入端，用于将Y轴运动的脉冲个数反馈给PLC控制器；所述PLC控制器的第二输出控制端与所述第二驱动器的输入端连接，所述第二驱动器的输出端与所述第二伺服电机的输入端连接，所述第二伺服电机的输出端与X轴连接，用于驱动X轴运动；所述第二编码器的输入端连接至所述第二伺服电机的反馈端，所述第二编码器的输出端连接至所述PLC控制器的第二输入端，用于将X轴运动的脉冲个数反馈给PLC控制器；所述PLC控制器的第三输出控制端与所述面阵CCD相机连接，用于将所述第一编码器反馈的脉冲个数与驱动脉冲个数比较，并当两者相等时由所述第三输出控制端输出触发信号控制所述面阵CCD相机捕获待测区域的图像；将所述第二编码器反馈的脉冲个数与驱动脉冲个数的比较，并当两者相等时由所述第三输出控制端输出成像终止控制信号控制所述面阵CCD相机终止成像。

其中，所述光学照明模块包括LED点光源和半透镜；所述半透镜位于所述面阵CCD相机的正下方且与水平面成45°角设置；所述LED点光源位于在所述面阵CCD相机的斜下方并与所述半透镜平行设置。

本发明还提供了一种镜片成像方法，包括下述步骤：

S1：获取待测镜片尺寸和面阵CCD相机的视野范围；

S2：根据所述面阵CCD相机的视野范围和所述镜片尺寸之间的大小关系，将待测镜片表面划分为个待测区域；并根据待测镜片尺寸和面阵CCD相机的视野范围确定所述待测镜片的初始位置，所述待测镜片的初始位置为：待测镜片与面阵CCD相机的视野边缘之间的距离x小于w是指面阵CCD相机的视野范围宽度，h是指面阵CCD相机的视野范围高度，W是待测镜片的宽度，H是待测镜片的高度；

S3：PLC控制器根据待测镜片从初始位置移动到所有待测区域所需要的驱动脉冲个数控制两轴运动平台运动，并带动待测镜片在视野范围内运动，使得面阵CCD相机能够捕获待测镜片表面所有待测区域的图像；

S4：当第一编码器实时反馈的脉冲个数与所述驱动脉冲个数P_n相等时，PLC控制器输出触发信号并控制面阵CCD相机捕获个待测区域的图像。当第二编码器实时反馈的脉冲个数与所述驱动脉冲个数P_m相等时，成像终止。

其中，所述待测区域的大小等于所述面阵CCD相机的视野范围的大小。

其中，所述待测镜片从初始位置移动到所有待测区域所需要的驱动脉冲个数成像终止所需要的驱动脉冲个数P为两轴运动平台上伺服电机旋转一周所需脉冲数，S为伺服电机旋转一周所述待测镜片的实际行程；N为1至的整数。

本发明在平台的高速运动下用图像分割的方法能快速有效地采集目标图像，在保证分辨率的前提下降低了对硬件的要求。同时，本发明提供的镜片成像装置对被检测物体的尺寸没有限制，可以灵活地适应目标物体的变化。

附图说明

图1是本发明实施例提供的镜片成像装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的同轴光照明模块的示意图；

图3是本发明实施例提供的区域分割方法示意图；

图4是本发明实例提供的夹取镜片的摆动气爪示意图；

图5是本发明实施例提供的系统总体框架图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的镜片成像装置能够在保持成像精度的同时，降低对相机性能的要求。同时，能够保证所有图像尽可能在运动中拍摄，以满足成像的速度要求。

如图1所示，本发明实施例提供的镜片成像装置包括：光学照明模块、面阵CCD相机、PLC控制器、伺服电机M、伺服电机驱动器SD、伺服电机编码器PG、摆动气爪、两轴运动平台；两轴运动平台包括两个相互垂直的轴，为了便于说明，令一个轴为X轴，另一个轴为Y轴；摆动气爪安装在两轴运动平台的Y轴上，用于夹取待测镜片9；摆动气爪随着Y轴运动并带动待测镜片9移动。PLC控制器1的第一输出控制端与第一驱动器2的输入端连接，第一驱动器2的输出端与第一伺服电机3的输入端连接，第一伺服电机3的输出端与Y轴连接，用于驱动Y轴运动；第一编码器4的输入端连接至第一伺服电机3的反馈端，第一编码器4的输出端连接至PLC控制器1的第一输入端；PLC控制器1的第二输出控制端与第二驱动器5的输入端连接，第二驱动器5的输出端与第二伺服电机7的输入端连接，第二伺服电机7的输出端与X轴连接，用于驱动X轴运动；第二编码器6的输入端连接至第二伺服电机7的反馈端，第二编码器6的输出端连接至PLC控制器1的第二输入端；PLC控制器1的第三输出控制端与面阵CCD相机8连接，面阵CCD相机8固定安装在与摆动气爪垂直方向的正上方；光学照明模块为面阵CCD相机8提供可以使成像均匀且无反光亮点的同轴平行光。摆动气爪安装在两轴运动平台的Y轴上，用于夹取镜片，如图4所示。

PLC给伺服电机驱动器发送脉冲，并接收伺服电机编码器的实时脉冲反馈，并发送触发信号给面阵CCD相机；伺服电机驱动器驱动伺服电机；伺服电机控制两轴运动平台及摆动气爪。其中光学照明模块为面阵CCD相机提供同轴平行光，使成像均匀且无反光亮点，为镜片成像装置采集到高质量的清晰图像提供良好的前置条件；面阵CCD相机是将图像光信号变为电信号的器件，实现图像的捕获；PLC控制器驱动伺服驱动器并中断触发面阵CCD相机进行图像的拍摄；伺服电机驱动器与伺服电机以及两轴运动平台是整个装置的动力系统，伺服电机控制镜片在两轴运动平台上移动以完成基于本成像方法的图像获取。

通过面阵CCD相机拍摄成像，能够很好地提高精度。使用适当的光源照明设计，可以让图像中的目标信息和背景信息得到最佳分离，从而大大降低一些图像处理的复杂度，同时提高了系统定位、测量的精度，使系统的可靠性和综合性能得到提高。照明模块必须保证对透明物体的清晰成像，本发明使用一种点光源配合半透镜产生同轴平行光的照明模块，包括LED点光源和半透镜；其中LED点光源固定在面阵CCD相机的下方并与半透镜平行设置，半透镜设置在面阵CCD相机与待测镜片之间，并在面阵CCD相机的正下方，与水平面成45°。其发出的光线经过一层漫反射材料照射到半透镜。

本发明提供的镜片成像方法包括下述步骤：

S1：获取待测镜片尺寸和面阵CCD相机的视野范围；

S2：根据所述面阵CCD相机的视野范围和所述镜片尺寸之间的大小关系，将待测镜片表面划分为个待测区域；并根据待测镜片尺寸和面阵CCD相机的视野范围确定所述待测镜片的初始位置，所述待测镜片的初始位置为：待测镜片与面阵CCD相机的视野边缘之间的距离X小于

S3：PLC控制器根据待测镜片从初始位置移动到所有待测区域所需要的驱动脉冲个数控制两轴运动平台运动，并带动待测镜片在视野范围内运动，使得面阵CCD相机能够捕获待测镜片表面所有待测区域的图像；

S4：当第一编码器4实时反馈的脉冲个数与所述驱动脉冲个数P_n相等时，PLC控制器输出触发信号并控制面阵CCD相机捕获个待测区域的图像。当第二编码器6实时反馈的脉冲个数与所述驱动脉冲个数P_m相等时，成像终止。

其中，待测镜片从初始位置移动到所有待测区域所需要的驱动脉冲个数成像终止所需要的驱动脉冲个数其中，待测区域大小等于相机视野大小；w是指面阵CCD相机的视野范围宽度，h是指面阵CCD相机的视野范围高度，W是指镜片的宽度，H是指镜片的高度；P为两轴运动平台上伺服电机旋转一周所需脉冲数，S为伺服电机旋转一周所述镜片的实际行程；N为的整数。当镜片向Y轴正方向移动时，P_n中的N从1到递增；当镜片向Y轴反方向移动时，P_n中的N从到1递减。

本发明搭建可以保证成像清晰的光学照明模块，安装面阵CCD相机，调整工作距离和镜头焦距，使面阵CCD相机可以正常获得满足分辨率要求的图像。获取面阵CCD相机的视野范围w×h(宽度×高度)，测量目标镜片的尺度W×H(宽度×高度)，将以上参数存入控制器中；根据相机视野与镜片表面积的大小关系将镜片表面划分为个等于相机视野大小的待测区域，然后根据两轴运动平台上伺服电机旋转一周所需脉冲数P和电机旋转一周目标镜片实际行程S之间的比例关系，计算出到达所有待测区域时伺服电机所需要的脉冲数成像终止所需要的驱动脉冲个数其中假定镜片从Y轴方向进入，N为1到的整数。将这些脉冲数据存放在控制器的寄存器中。

如图3所示，在本发明实施例中，通过控制器控制两轴同步运动，使目标镜片从Y轴方向进入相机视野，并保证目标镜片X轴边缘与相机的该方向的视野边缘重合；控制器通过脉冲给定控制目标镜片在Y轴正方向移动一段距离，此距离等于镜片Y方向的长度；控制器通过脉冲给定控制目标镜片在X轴正方向移动一段距离，此距离等于相机X方向视野的长度；控制器通过脉冲给定控制目标镜片在Y轴负方向移动一段距离，此距离等于镜片Y方向的长度；重复上述步骤直至整张镜片所有待测区域的图像采集完毕，平台回退到原点。

作为本发明的一个实施例，镜片尺寸和所选择相机的视野参数可以自由定制，而并非固化在系统中。所有区域的图像采集均在保持镜片高速移动中进行。能够快速可靠地对镜片进行成像，因为在整个成像过程中摆动气爪夹取的镜片是在两轴运动平台上快速的移动，对一个整体的镜片进行多次多区域成像，每次拍摄的触发都是通过脉冲的比较从而精确的控制的。通过区域分割的方法，在一个区域中镜片所体现出来的细节特征就非常的明显，从而从整体来看对整个镜片的细节特征提取就变得精度高，并且对成像装置的分辨率要求不是很高。可以自定义镜片和相机的具体参数的特性更是大大提高了系统的灵活性和适用性。

本发明实施例提供的镜片成像方法采用了对目标物体区域分割成像的方法，特别适用于对一类成像分辨率要求较高，且自身尺寸大小不一的目标物体进行成像。该方法包括下述步骤：

(1)平台回归原点(初始位置)，将目标镜片固定在摆动气爪上，尽量加紧并无明显的倾斜，保证目标物体在高速运动的过程中尽量不发生抖动；

(2)使用点光源配合半透镜产生同轴平行光搭建照明模块(见图2)。在镜头与目标镜片之间有一块45°的半透镜，LED点光源发出的光线经过一层漫反射材料后照射到这块半透镜上，从而使光路分散，在物体表面的亮度更均匀，从而不会有反光亮点使成像均匀。光线先经过全反射垂直入射到目标物体上，目标物体上反射的光线再垂直向上穿过这层半透镜，进入镜头。这样既可以消除反光，又可以避免所成图像中有镜头的倒影，为系统采集到高质量的图像提供了良好的前置条件。

(3)在两轴运动平台的上方安装并固定好面阵CCD相机，调整其与目标镜片的垂直距离，并调整面阵CCD相机镜头焦距，使相机可以正常获得满足分辨率要求的图像。计算出相机的视野范围w×h(宽度×高度)，测量目标镜片的尺度W×H(宽度×高度)，将以上参数通过人机界面或其它交互设备存入PLC的寄存器中；

(4)PLC根据相机视野与镜片尺寸的大小关系将镜片表面划分为个等于相机视野大小的待测区域，并计算出镜片移动到所有待测区域所需要的驱动脉冲数成像终止所需要的驱动脉冲个数其中假定镜片从Y轴方向进入，N为1到的整数，P为伺服电机旋转一周脉冲数，S电机旋转一周目标镜片实际行程。将将这些数据存放在PLC的寄存器中；

(5)设置PLC在第一编码器4反馈脉冲数与步骤4中寄存器所存脉冲数P_n相等时产生中断PLC发出外触发信号控制面阵CCD相机采集图像；其中当镜片向Y轴正方向移动时，P_n中的N从1到递增；当镜片向Y轴反方向移动时，P_n中的N从到1递减。

(6)PLC控制两轴运动平台同步运动，使镜片从Y轴方向进入相机视野，并通过控制摆动气爪的初始位置保证X轴镜片边缘与相机的视野边缘的距离小于

(7)PLC控制镜片在Y轴正方向移动一段距离，此距离等于镜片Y方向的长度；

(8)PLC控制镜片在X轴正方向移动一段距离，此距离等于相机X方向视野的长度；

(9)PLC控制镜片在Y轴负方向移动一段距离，此距离等于镜片Y方向的长度；

(10)重复步骤(7)～(9)，当第二编码器6反馈脉冲数等于时，图像采集完毕，平台回退到原点。

在本发明实施例中，CCD面阵相机可以选用千兆以太网为传输介质的微视工业黑白面阵相机MVC-610DAM-GE110、光源采用平行光光学单元CCS光源MSU-10。调整好光源的位置、设置好相机参数和检测参数，保证系统在运行中采集到的图像能够满足机器视觉检测需要的分辨率和清晰度。

本发明提供的镜片成像方法在平台的高速运动下用图像分割的方法能快速有效地采集目标图像，在保证分辨率的前提下降低了对硬件的要求。同时，本发明提供的镜片成像装置对被检测物体的尺寸没有限制，可以灵活地适应目标物体的变化，同样被检测物体并不仅仅局限于屏保玻璃，可扩展到需要细节特征提取的其他镜片。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种镜片成像装置，其特征在于，包括光学照明模块、PLC控制器(1)、摆动气爪、两轴运动平台、第一驱动器(2)、第一伺服电机(3)、第一编码器(4)、第二驱动器(5)、第二编码器(6)、第二伺服电机(7)和面阵CCD相机(8)；

两轴运动平台包括相互垂直的X轴和Y轴；所述摆动气爪安装在所述Y轴上，用于夹取待测镜片(9)；

所述面阵CCD相机(8)固定安装在与所述摆动气爪垂直方向的正上方；

所述光学照明模块用于为所述面阵CCD相机(8)提供可以使成像均匀且无反光亮点的同轴平行光；

所述PLC控制器(1)的第一输出控制端与所述第一驱动器(2)的输入端连接，所述第一驱动器(2)的输出端与所述第一伺服电机(3)的输入端连接，所述第一伺服电机(3)的输出端与所述Y轴连接，用于驱动Y轴运动；所述第一编码器(4)的输入端连接至所述第一伺服电机(3)的反馈端，所述第一编码器(4)的输出端连接至所述PLC控制器(1)的第一输入端，用于将Y轴运动的脉冲个数反馈给PLC控制器(1)；

所述PLC控制器(1)的第二输出控制端与所述第二驱动器(5)的输入端连接，所述第二驱动器(5)的输出端与所述第二伺服电机(7)的输入端连接，所述第二伺服电机(7)的输出端与X轴连接，用于驱动X轴运动；所述第二编码器(6)的输入端连接至所述第二伺服电机(7)的反馈端，所述第二编码器(6)的输出端连接至所述PLC控制器(1)的第二输入端，用于将X轴运动的脉冲个数反馈给PLC控制器(1)；

所述PLC控制器(1)的第三输出控制端与所述面阵CCD相机(8)连接，用于将所述第一编码器(4)反馈的脉冲个数与驱动脉冲个数比较，并当两者相等时由所述第三输出控制端输出触发信号控制所述面阵CCD相机捕获待测区域的图像；将所述第二编码器(6)反馈的脉冲个数与驱动脉冲个数的比较，并当两者相等时由所述第三输出控制端输出成像终止控制信号控制所述面阵CCD相机终止成像；

待测镜片从初始位置移动到所有待测区域所需要的驱动脉冲个数成像终止所需要的驱动脉冲个数P为两轴运动平台上伺服电机旋转一周所需脉冲数，S为伺服电机旋转一周所述待测镜片的实际行程，H是待测镜片的高度，w是指面阵CCD相机的视野范围宽度，h是指面阵CCD相机的视野范围高度，N为1至的整数。

2.如权利要求1所述的镜片成像装置，其特征在于，所述光学照明模块包括LED点光源和半透镜；所述半透镜位于所述面阵CCD相机的正下方且与水平面成45°角设置；所述LED点光源位于在所述面阵CCD相机的斜下方并与所述半透镜平行设置。

3.一种基于权利要求1所述的镜片成像装置的镜片成像方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：获取待测镜片尺寸和面阵CCD相机的视野范围；

S2：根据所述面阵CCD相机的视野范围和所述镜片尺寸之间的大小关系，将待测镜片表面划分为个待测区域；并根据待测镜片尺寸和面阵CCD相机的视野范围确定所述待测镜片的初始位置，所述待测镜片的初始位置为：待测镜片与面阵CCD相机的视野边缘之间的距离x小于w是指面阵CCD相机的视野范围宽度，h是指面阵CCD相机的视野范围高度，W是待测镜片的宽度，H是待测镜片的高度；

S3：PLC控制器根据待测镜片从初始位置移动到所有待测区域所需要的驱动脉冲个数控制两轴运动平台运动，并带动待测镜片在视野范围内运动，使得面阵CCD相机能够捕获待测镜片表面所有待测区域的图像；

S4：当第一编码器(4)实时反馈的脉冲个数与所述驱动脉冲个数P_n相等时，PLC控制器输出触发信号并控制面阵CCD相机捕获个待测区域的图像，当第二编码器(6)实时反馈的脉冲个数与所述驱动脉冲个数P_m相等时，成像终止。

4.如权利要求3所述的镜片成像方法，其特征在于，所述待测区域的大小等于所述面阵CCD相机的视野范围的大小。

5.如权利要求3或4所述的镜片成像方法，其特征在于，所述待测镜片从初始位置移动到所有待测区域所需要的驱动脉冲个数成像终止所需要的驱动脉冲个数P为两轴运动平台上伺服电机旋转一周所需脉冲数，S为伺服电机旋转一周所述待测镜片的实际行程；N为1至的整数。