CN105181713A - 一种用于光纤倒像器表面缺陷的检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光纤倒像器表面缺陷的检测装置，包括本体、光源、相机、镜头、计算机；本体用于上下安置光源和相机，形成合适成像环境，光源用于提供成像时稳定照明，镜头用于将视场范围内被检测的物体光纤倒像器精确投影到相机感光芯片靶面上，相机用于将光学图像转变为电信号，用的计算机于接收相机电信号、并将采集到的图像数据进行处理以及后续缺陷标注和数据保存。本发明能够实现直径在35毫米以下的光纤倒像器表面一次成像，有效避免了现有显微镜成像多次放大的不足，同时满足缺陷检测的精度要求。

Description

一种用于光纤倒像器表面缺陷的检测装置

技术领域

本发明属于机器视觉领域中的物体表面缺陷自动检测技术，涉及一种用于光纤倒像器表面缺陷的检测装置。

背景技术

光纤倒像器也叫光纤传像器，是一种由数以万计、直径几微米的光学纤维经过规则排列、加热、加压融合而成的圆柱形光学器件。常见的光纤倒像器直径约30毫米左右，高度约20厘米左右，上下表面光滑，光线在两个表面之间通过其包含的每一根光学纤维来传递。由于光线在光纤中传播时发生的是全反射，中途能量损失极小，光纤倒像器被广泛应用于精密光学、微光夜视等领域。光纤倒像器在制造过程中，工艺参数稍有波动或受其他外界因素干扰时，规则排列的细小光学纤维彼此挤压，造成某些局部区域的光纤无法传送光线或者透光率大大下降，产生次品和废品。

目前光纤倒像器的质量检测都是由人工来完成的。检测时，受限于人眼的分辨能力，工作人员需要借助于投影仪、显微镜等光学设备，放大光纤倒像器的表面，才能看清楚是否有缺陷，缺陷的类型以及数目。众所周知，光学放大仪器的放大能力与放大范围成反比，放大倍数越高，单次能观测到的图像范围就越小；对于目前直径30毫米左右的光纤倒像器，使用显微镜检测缺陷时，其表面需要划分为多个不同区域，经过多次观测才能完成检测。检测过程中不同成像区域的划分完全由工作人员手工在显微镜下移动来实现，各个区域之间很容易出现相互重叠或者留有间隙的情况，进而造成缺陷的错记或者漏记，引发质检错误。同时，人工检测记录的数据主观性强，一批产品的检测结果随检测人员和检测环境的变化而波动，厂方的检测结果和客户的检测结果经常不一致，引起商业纠纷。光纤倒像器做为精密光学仪器，出厂时必须百分之百质量合格，现有的人工检测技术效率低下，很难满足生产需求。

机器视觉以图像处理、模式识别等技术为中心，通过工业相机获取被检物体的图像，由开发人员设计专用的数据处理算法，用计算机来代替人脑实现对客观世界物体的描述和认识。机器视觉技术是一门综合性很强的高新技术，具有速度快、稳定性强、结果客观可靠等特点，广泛应用于现代工业的自动化生产和检测过程中。

基于机器视觉技术，本发明提出了一种用于光纤倒像器表面缺陷的检测装置，检测过程实现了数字化和自动化，产品的检测数据存档可查，检测结果客观可靠，能有效避免人工检测的不足，实现光纤倒像器表面缺陷检测的智能化，提高检测效率。

发明内容

本发明提供了一种用于光纤倒像器表面缺陷的检测装置，实现光纤倒像器表面缺陷检测的智能化，提高检测效率。

本发明采用如下技术方案：

一种用于光纤倒像器表面缺陷的检测装置，包括本体、光源、相机、镜头、计算机；本体用于上下安置光源和相机，形成合适成像环境，光源用于提供成像时稳定照明，镜头用于将视场范围内被检测的物体光纤倒像器精确投影到相机感光芯片靶面上，相机用于将光学图像转变为电信号，用的计算机于接收相机电信号、并将采集到的图像数据进行处理以及后续缺陷标注和数据保存。

所述本体由底座和垂直于底座的安装杆构成，光源固定在底座的中心，相机直接相连固定在安装杆上，光源、镜头和相机的几何中心位于同一轴线上，垂直于底座。

所述的计算机与本体分离，通过电缆连接到相机上。

所述被检测的物体光纤倒像器置于光源的中心位置，光源的光线穿过光纤倒像器，由镜头将光纤倒像器表面的光学图像投影到工业相机上，通过电缆传输到计算机上，实现检测对象表面图像数据的采集。

所述计算机采集到的图像数据进行处理以及后续缺陷标注和数据保存，具体包括：从原始图像中分离出光纤倒像器的成像区域；在分离出的图像范围内，求所有像素的灰度平均值；用得到的灰度平均值去减分离出图像范围内每个像素的灰度值，得到其差值图像；用设定的阈值对分离出范围内的差值图像进行二值化处理，得到的白色区域即为分割出来的缺陷；对白色区域进行几何分析和统计分析，得出缺陷大小、缺陷个数等检测数据；根据设定的质量检测标准，判断产品是否合格，同时保存检测数据，完成一次检测。

所述的从原始图像中分离出光纤倒像器的成像区域，具体包括：先将光源、相机和镜头的几何位置固定，相机的成像范围也随之固定，此时打开光源提前采集一张没有检测物体的模板图像M(x，y)，存入计算机中备用，在光源同样的照明条件下，每次检测时放入被检物体光纤倒像器，采集得到的图像记为F(x，y)，调用计算机中储存的模板图像M(x，y)与F(x，y)相减，二者差值不为0的地方构成的区域即为检测物体区域，也即光纤倒像器的表面图像区域。

所述的在分离出的图像范围内，求所有像素的灰度平均值，具体为：分离出检测区域后，计算图像F(x，y)在检测区域范围内所有像素的灰度平均值，记为V，然后用V去代替范围内每一个像素的原始灰度值，由此得到新图像G(x，y)，可知，在检测区域范围外，G(x，y)与F(x，y)完全一致，在检测范围内，G(x，y)中的灰度值均为V，F(x，y)为光纤倒像器的表面所成图像的原始灰度值。

所述的用得到的灰度平均值去减分离出图像范围内每个像素的灰度值，得到其差值图像，具体为：图像G(x，y)减去图像F(x，y)，得到的差图像记为H(x，y)，由以上分析可知，检测范围外H(x，y)的灰度值全为0，检测范围内H(x，y)的灰度值为F(x，y)的平均灰度V和对应位置灰度值的差值，根据光纤倒像器的构成原理，其缺陷是由完全不透光或者透光率大大下降的受损光纤形成的，反映在图像上就是正常区域像素的灰度值高，缺陷区域的灰度值低，同时正常区域的像素个数远大于缺陷区域的像素个数，基于这个特点可知，H(x，y)中灰度值不为0的区域一定是光纤倒像器的表面区域，而且灰度值越大，说明该位置的原始亮度越低于周围区域的平均亮度，越有可能是缺陷位置。

所述的用设定的阈值对分离出范围内的差值图像进行二值化处理，得到的白色区域即为分割出来的缺陷，具体为：结合工程实际设定一个固定阈值T，对图像H(x，y)进行二值化，大于等于T的灰度值取1，小于T的灰度值取0，正常区域灰度值与平均亮度接近，H(x，y)中对应的值小，灰度值取0，缺陷区域灰度值与平均亮度相差大，H(x，y)中对应的值也大，灰度值取1，此时得到的二值图像即为分割出来的缺陷图像，白色区域对应于缺陷部分。

所述的对白色区域进行几何分析和统计分析，得出缺陷大小、缺陷个数等检测数据，具体为：对分割出来的白色区域进行统计分析和几何分析，得到缺陷的个数、缺陷的面积、缺陷的等效直径等参数，按照设定的质量检测标准判断产品是否合格。

与现有技术相比，本发明的检测过程中只需要检测人员将检测对象放入检测区域，其余工作由计算机完成，检测效率高，检测结果客观稳定可靠，可用来取代现有的检测技术和手段。另外，本发明能够实现直径在35毫米以下的光纤倒像器表面一次成像，有效避免了现有显微镜成像多次放大的不足，同时满足缺陷检测的精度要求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的缺陷检测方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明提供的一种用于光纤倒像器表面缺陷的检测装置9，包括本体1、光源2、相机3、镜头6、计算机4；本体1用于提供合适成像环境，包括底座11、安装杆12、支杆13，安装杆12垂直于底座11，并固定在底座11上，光源2为工业光源，用于提供成像时稳定照明，固定在本体1的底座11内，与底座11的上表面14相平；相机3为工业相机，用于将光学图像转变为电信号，按照设定的高度通过支杆13固定在安装杆12上；镜头6为工业镜头，用于将视场范围内的物体精确投影到相机感光芯片靶面上，与相机3对接在一起；计算机4用于接收相机电信号以及后续缺陷标注和数据保存，计算机4相连通过线缆相机3相连；光源2、镜头6和相机3的几何中心位于同一轴线上，垂直于底座11。检测实施时，圆形的光纤倒像器5置于光源2的中心最大程度地避免成像过程的几何形变，光线从光纤倒像器5的下表面透过上表面成像，通过镜头6将被检物体上表面的光学图像投影到相机3上，通过电缆传输到计算机4上，实现检测物体光纤倒像器5上表面图像数据的采集，光纤倒像器5实际是一个圆柱体，上表面和下表面是对称面，所以将被检物体光纤倒像器5上下倒置后，同理可采集下表面的图像数据，实现被检物体的两面检测。

本发明的光源2和镜头6采用工业光源和工业镜头，优先选用远心工业光源和远心工业镜头。远心工业光源发出的平行光可以消除普通光源漫反射造成的边缘模糊现象，配合经过特殊设计具有高分辨率、宽景深、低畸变等优点的远心工业镜头，可以获得边缘清晰、高对比度的图像，尤其适合于本方案大范围、高精度的检测。

本发明的相机3采用的工业相机，为1000万像素以上的高分辨率工业相机。

本发明的有益效果之一是可以实现直径35毫米以下光纤倒像器5的一次成像，同时保证足够的分辨率。本发明的镜头6选用远心光学镜头在170毫米的成像物距条件下，配合35毫米全画幅靶面的千万像素工业相机，视野范围长度为64.3毫米，宽度为42.9毫米，即使考虑到操作的误差，也完全能满足直径35mm范围的一次成像。千万级像素工业相机选用分辨率为4896*3264的1600万像素相机，35mm全画幅靶面的实际长度为36毫米，宽度为24毫米，每个像素实际代表的大小为36/4896毫米或24/3264毫米，即7.35微米。考虑到目前的生成工艺，单根光纤的直径为5到6微米，光纤倒像器5的上、下表面或内部的缺陷一般至少由3到4根光纤组成，即缺陷的最小尺寸在15微米以上，本发明单个像素7.35微米的分辨率完全可以满足需求。

如图2所示，获取光纤倒像器5的表面的图像后，下一步要进行缺陷的自动识别和产品的质量判定。

首先，获取原始图像，需要把光纤倒像器5的成像区域从原始图像中分离出来，便于下一步的缺陷提取。检测装置9安装完成后，光源2、相机3和镜头6的几何位置固定，相机3的成像范围也随之固定，此时打开光源2提前采集一张没有检测物体的模板图像M(x，y)，存入计算机4中备用。在光源2同样的照明条件下，每次检测时放入被检物体光纤倒像器5，采集得到的图像记为F(x，y)，调用计算机4中储存的模板图像M(x，y)与F(x，y)相减，二者差值不为0的地方构成的区域即为检测物体区域，也即光纤倒像器5的表面图像区域。

其次，得到平均亮度图像，分离出检测区域后，计算图像F(x，y)在检测区域范围内所有像素的灰度平均值，记为V，然后用V去代替范围内每一个像素的原始灰度值，由此得到新图像G(x，y)。可知，在检测区域范围外，G(x，y)与F(x，y)完全一致；在检测范围内，G(x，y)中的灰度值均为V，F(x，y)为光纤倒像器5的表面所成图像的原始灰度值。

再次，图像之间求差，图像G(x，y)减去图像F(x，y)，得到的差图像记为H(x，y)。由以上分析可知，检测范围外H(x，y)的灰度值全为0，检测范围内H(x，y)的灰度值为F(x，y)的平均灰度V和对应位置灰度值的差值。根据光纤倒像器5的构成原理，其缺陷是由完全不透光或者透光率大大下降的受损光纤形成的，反映在图像上就是正常区域像素的灰度值高，缺陷区域的灰度值低，同时正常区域的像素个数远大于缺陷区域的像素个数。基于这个特点可知，H(x，y)中灰度值不为0的区域一定是光纤倒像器5的表面区域，而且灰度值越大，说明该位置的原始亮度越低于周围区域的平均亮度，越有可能是缺陷位置。

然后，差图二值化，结合工程实际设定一个固定阈值T，对图像H(x，y)进行二值化；大于等于T的灰度值取1，小于T的灰度值取0。正常区域灰度值与平均亮度接近，H(x，y)中对应的值小，灰度值取0；缺陷区域灰度值与平均亮度相差大，H(x，y)中对应的值也大，灰度值取1。此时得到的二值图像即为分割出来的缺陷图像，白色区域对应于缺陷部分。

最后，缺陷分析与标注，数据存储，对分割出来的白色区域进行统计分析和几何分析，得到缺陷的个数、缺陷的面积、缺陷的等效直径等参数，按照设定的质量检测标准判断产品是否合格。同时，检测数据能对应于检测对象存入数据库，供日后查证，完成光纤倒像器5的一次完整检测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于光纤倒像器表面缺陷的检测装置，其特征在于：包括本体、光源、相机、镜头、计算机；本体用于上下安置光源和相机，形成合适成像环境，光源用于提供成像时稳定照明，镜头用于将视场范围内被检测的物体光纤倒像器精确投影到相机感光芯片靶面上，相机用于将光学图像转变为电信号，用的计算机于接收相机电信号、并将采集到的图像数据进行处理以及后续缺陷标注和数据保存。

2.如权利要求1所述的一种用于光纤倒像器表面缺陷的检测装置，其特征在于：所述本体由底座和垂直于底座的安装杆构成，光源固定在底座的中心，相机直接相连固定在安装杆上，光源、镜头和相机的几何中心位于同一轴线上，垂直于底座。

3.如权利要求1所述的一种用于光纤倒像器表面缺陷的检测装置，其特征在于：所述的计算机与本体分离，通过电缆连接到相机上。

4.如权利要求1所述的一种用于光纤倒像器表面缺陷的检测装置，其特征在于：所述被检测的物体光纤倒像器置于光源的中心位置，光源的光线穿过光纤倒像器，由镜头将光纤倒像器表面的光学图像投影到工业相机上，通过电缆传输到计算机上，实现检测对象表面图像数据的采集。

5.如权利要求1所述的一种用于光纤倒像器表面缺陷的检测装置，其特征在于：所述计算机采集到的图像数据进行处理以及后续缺陷标注和数据保存，具体包括：从原始图像中分离出光纤倒像器的成像区域；在分离出的图像范围内，求所有像素的灰度平均值；用得到的灰度平均值去减分离出图像范围内每个像素的灰度值，得到其差值图像；用设定的阈值对分离出范围内的差值图像进行二值化处理，得到的白色区域即为分割出来的缺陷；对白色区域进行几何分析和统计分析，得出缺陷大小、缺陷个数等检测数据；根据设定的质量检测标准，判断产品是否合格，同时保存检测数据，完成一次检测。

6.如权利要求5所述的一种用于光纤倒像器表面缺陷的检测装置，其特征在于：所述的从原始图像中分离出光纤倒像器的成像区域，具体包括：先将光源、相机和镜头的几何位置固定，相机的成像范围也随之固定，此时打开光源提前采集一张没有检测物体的模板图像M(x，y)，存入计算机中备用，在光源同样的照明条件下，每次检测时放入被检物体光纤倒像器，采集得到的图像记为F(x，y)，调用计算机中储存的模板图像M(x，y)与F(x，y)相减，二者差值不为0的地方构成的区域即为检测物体区域，也即光纤倒像器的表面图像区域。

7.如权利要求5所述的一种用于光纤倒像器表面缺陷的检测装置，其特征在于：所述的在分离出的图像范围内，求所有像素的灰度平均值，具体为：分离出检测区域后，计算图像F(x，y)在检测区域范围内所有像素的灰度平均值，记为V，然后用V去代替范围内每一个像素的原始灰度值，由此得到新图像G(x，y)，可知，在检测区域范围外，G(x，y)与F(x，y)完全一致，在检测范围内，G(x，y)中的灰度值均为V，F(x，y)为光纤倒像器的表面所成图像的原始灰度值。

8.如权利要求5所述的一种用于光纤倒像器表面缺陷的检测装置，其特征在于：所述的用得到的灰度平均值去减分离出图像范围内每个像素的灰度值，得到其差值图像，具体为：图像G(x，y)减去图像F(x，y)，得到的差图像记为H(x，y)，由以上分析可知，检测范围外H(x，y)的灰度值全为0，检测范围内H(x，y)的灰度值为F(x，y)的平均灰度V和对应位置灰度值的差值，根据光纤倒像器的构成原理，其缺陷是由完全不透光或者透光率大大下降的受损光纤形成的，反映在图像上就是正常区域像素的灰度值高，缺陷区域的灰度值低，同时正常区域的像素个数远大于缺陷区域的像素个数，基于这个特点可知，H(x，y)中灰度值不为0的区域一定是光纤倒像器的表面区域，而且灰度值越大，说明该位置的原始亮度越低于周围区域的平均亮度，越有可能是缺陷位置。

9.如权利要求5所述的一种用于光纤倒像器表面缺陷的检测装置，其特征在于：所述的用设定的阈值对分离出范围内的差值图像进行二值化处理，得到的白色区域即为分割出来的缺陷，具体为：结合工程实际设定一个固定阈值T，对图像H(x，y)进行二值化，大于等于T的灰度值取1，小于T的灰度值取0，正常区域灰度值与平均亮度接近，H(x，y)中对应的值小，灰度值取0，缺陷区域灰度值与平均亮度相差大，H(x，y)中对应的值也大，灰度值取1，此时得到的二值图像即为分割出来的缺陷图像，白色区域对应于缺陷部分。

10.如权利要求5所述的一种用于光纤倒像器表面缺陷的检测装置，其特征在于：所述的对白色区域进行几何分析和统计分析，得出缺陷大小、缺陷个数等检测数据，具体为：对分割出来的白色区域进行统计分析和几何分析，得到缺陷的个数、缺陷的面积、缺陷的等效直径等参数，按照设定的质量检测标准判断产品是否合格。