CN105651189B - 用于手机盖板中油墨层厚度测量的无损在线检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于手机盖板中油墨层厚度测量的无损在线检测设备。本发明包括点光源、柱面透镜、狭缝、显微物镜、双胶合透镜、CCD相机和图像处理模块；点光源投射的准直光线通过柱面透镜形成发散的线光源，线光源经过狭缝以及显微物镜后，在待测手机盖板表面汇聚成亮度很高并且宽度很细的直线光；并且该细长的直线光穿过油墨层和非油墨层相交的区域，将显微物镜对焦在相交的区域，从而观察直线光穿过该区域后的弯曲变化程度。本发明油墨层与非油墨层之间存在高度差，入射光在两个表面分别形成反射光并进入显微物镜中，通过在CCD相机的成像表面形成不同的亮线，间接地计算出当前样品表面待检测位置的油墨高度变化，真正地实现无损检测。

Description

用于手机盖板中油墨层厚度测量的无损在线检测设备

技术领域

本发明属于手机盖板中油墨层厚度非接触式在线检测技术领域，具体的涉及一种用于手机盖板中油墨层厚度测量的无损在线检测设备。

背景技术

在手机盖板生产过程中，油墨印刷是其中的一个关键环节，油墨层厚度的均匀性直接对手机盖板的外观产生一定的影响。因此在手机盖板出厂之前需要对油墨层的厚度进行测量。但是由于技术的局限性，在当前的生产车间中，依然采用普通的接触式测量方法，即通过数字式千分表夹紧盖板玻璃两面，实现对油墨层的厚度测量。另外试讲油墨面贴在平面上，用标准插片插入式检测。在此过程中会对油墨层表面产生一定程度的损伤，并且每次测量都需要人工将手机盖板从生产线上取下来，使得检测速度很难得到提升。因此，目前急需要一种在线式的无损测量设备，实现对油墨层厚度的快速无损检测。

目前非接触式的厚度测量方法如涡流测厚法，可无损地测量非磁性金属基体(如：铝、铜、不锈钢)上非导电覆层的厚度(如油漆、粉末、塑料、橡胶、珐琅、搪瓷、电泳、防腐层等)，但是导电的油墨层吸附于非金属的盖板玻璃之上，因此不能够使用该方法对其厚度测量。由于油墨层具有一定的反光性，因此可以通过光学干涉的方法实现对其厚度的精密测量，但是由于其测量视场范围很小，很难对所测区域实现快速定位，因此不适合流水线式的在线检测，并且其成本也非常昂贵。

因此，为了克服上述现有技术的不足，急需发明一种用于手机盖板中油墨层厚度测量的无损在线检测设备，提高工作效率和成品率。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于手机盖板中油墨层厚度测量的无损在线检测设备,该设备能够对手机盖板玻璃表面的油墨厚度实现非接触式的高精度在线测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

用于手机盖板中油墨层厚度测量的无损在线检测设备，包括点光源、柱面透镜、狭缝、显微物镜、显微镜系统和图像处理模块；显微镜系统包括显微物镜、双胶合透镜、CCD相机；点光源投射的准直光线通过柱面透镜形成发散的线光源，线光源依次经过狭缝以及显微物镜后，在待测手机盖板表面汇聚成亮度很高并且宽度很细的直线光；并且该细长的直线光穿过油墨层和非油墨层相交的区域，将显微镜系统对焦在相交的区域，从而观察直线光穿过该区域后的弯曲变化程度；油墨层与非油墨层之间存在高度差，入射光在两个表面分别形成反射光并进入显微镜系统中，经过显微物镜和双胶合透镜后，在CCD相机的成像表面形成不同的亮线。

当玻璃盖板表面的入射光进行反射时，其反射光线经过显微镜系统后在CCD相机的成像表面形成的图像O′₂；当入射光线经过油墨层发生反射时，其反射光线经过显微镜系统在CCD相机的成像表面形成的图像为O′₁；当沿着样品表面的入射光线只经过盖板玻璃表面时，其反射光线在CCD相机成像表面的图像是沿着O′₂的一条直线；当沿着样品表面的入射光线经过油墨层时，其反射光线在CCD相机成像表面的图像是沿着O′₁的一条直线。

油墨层高度h与CCD相机中图像的偏移距离d的关系计算如下：

设相同入射光线，在盖板玻璃表面与油墨层的交点分别为O₁和O₂，则O₁和O₂之间的距离O₁O₂：

其中，h为待测油墨层的高度，θ为入射光线与样品之间的夹角；

根据显微镜的放大倍率β计算出O₁O₂在成像面上的距离O′₁O′₂，即油墨层与盖板玻璃表面反射光在成像面上的偏移距离d：

进一步根据图像中两条光线的偏移距离求得油墨层的高度h：

另外，当前CCD相机中一个像素的大小为：

1pixel＝4.65um (4)

通过图像处理模块计算出当前图像中两条直线的偏移像素为P，建立偏移像素与当前待检测油墨层厚度的数学模型，间接求解出油墨层的高度，数学模型公式如下：

其中，P为图像中两条直线的偏移像素，θ为入射光线与待测平面的夹角，β为显微镜的放大倍率，K为系统误差比例系数。

所述图像处理模块用于计算当前图像中两条直线偏移像素；具体包括如下步骤：

步骤1、从CCD相机中读取油墨层与非油墨层相交区域的图像，并通过高斯滤波去除图像中存在的噪声；

步骤2、通过选择合适的灰度分割阈值进行灰度二值化操作，将图像中弯曲的亮线与黑色背景分割开来；

步骤3、在二值化操作以后，图像中会存在各种各样的毛刺等不光滑的信息点，进一步通过开、闭运算等形态学操作可以得到边缘平滑的弯曲直线图像；

步骤4、直线的弯曲会使得直线中上下直线段产生像素的偏移，并且两者都可以近似为矩形，因此通过寻找上下直线段所在外接矩形的中心位置，并计算两者中心线的偏移像素，即可计算出当前图像中光线的偏移像素。

所述的点光源和柱面透镜包括能够产生一字型光束的激光器或者光源。

所述的物镜能够根据检测样品的不同选择不同的放大倍率。

本发明设备能够直接安装在流水线上方。

本发明有益效果如下：

与现有技术相比，本发明通过在待检测表面投射高亮度的入射亮线，通过后续的显微系统观察被测油墨表面反射亮线的弯曲变化，从而间接地计算出当前样品表面待检测位置的油墨高度变化。通过该设备可以对非导电玻璃材料表面涂层厚度进行非接触式的测量，真正地实现无损检测。除此之外，该设备可以直接搭建在盖板玻璃生产线上，无需额外的机器手等辅助设备，并且节约人工测量中取片的时间，实现在线快速检测。

附图说明

图1为油墨层厚度测量的无损在线检测设备原理图；

图2为投射光线与观察方向局部示意图；

图3为剖视图以及测量原理示意图；

图4为实验采集图像以及图像处理结果。

其中，点光源2、柱面透镜3、线光源4、狭缝5、显微物镜6、待检测样品7、显微物镜8、双胶合透镜9、CCD相机10、图像处理模块11、生产流水线12、线状细光线13、直线光14、油墨层15、盖板玻璃表面16、显微镜系统17、油墨层的反射光图像18、盖板玻璃表面反射光图像19、油墨层的反射光图像经过处理后的结构20、盖板玻璃表面反射光图像经过处理后的结构21。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，用于手机盖板中油墨层厚度测量的无损在线检测设备，包括点光源2、柱面透镜3、狭缝5、显微物镜6、显微镜系统17、图像处理模块11，显微镜系统17包括显微物镜8、双胶合透镜9、CCD相机10。点光源2投射的准直光线通过柱面透镜3形成发散的线光源4，线光源4依次经过狭缝5以及显微物镜6后，出射的线状细光线13在待测手机盖板7表面汇聚成亮度很高并且宽度很细的直线光14。并且该细长的直线光13穿过油墨层15和盖板玻璃表面16相交的区域，将显微镜系统对焦在相交的区域，从而观察直线光穿过该区域后的弯曲变化程度。油墨层15和盖板玻璃表面16之间存在高度差，入射光在两个表面分别形成反射光并进入显微镜系统中，经过显微物镜8和双胶合透镜9后，在CCD相机10的成像表面形成不同的亮线。

如图2所示为经过狭缝和显微物镜的细长直线光投射到待检测样品表面。待检测样品7放置在生产流水线12上；该细长直线光穿过油墨层和非油墨层，并且直线光在两个表面都产生反射光，将显微镜沿着反射光的方向并对焦在两个表面相交的区域，观察直线光的变化即可。

如图3所示为从正面观察整个系统中入射光的变化以及有关计算。当玻璃盖板表面的入射光进行反射时，其反射光线经过显微镜系统的传播路径如图中的O₂O′₂所示，并且在CCD相机10的成像表面形成的图像为O′₂，参看标记18。当投射光线经过油墨层发生反射时，其反射光线经过显微镜系统的传播路径如图中实线O₁O″₁O′₁所示，并且在CCD相机10的成像表面形成的图像为O′₁，参看标记19。从图中可以看出，当沿着待检测样品7表面的投射光线只经过盖板玻璃表面时，其反射光线在CCD相机10成像表面的图像是沿着O′₂的一条直线如图3(b)中的B区域所示。当投射光线经过油墨层时，其图像是沿着O′₁的一条直线如图3(b)的A区域所示。由于反射面的高度发生变化，在显微镜系统中成像图像也会随着反射面的高度变化而发生不同层次的弯曲。

根据如图3(a)中的光路图，计算出油墨层高度h与CCD相机中图像的偏移距离d的关系。其中相同入射光线，在盖板玻璃与油墨层的交点分别为O₁,O₂，之间的距离为：

其中，h为待测油墨层的高度，θ为入射光线与样品之间的夹角。

根据显微镜的放大倍率β可以计算出O₁O₂在成像面上的距离O′₁O′₂，即油墨层与非油墨层反射光在成像面上的偏移距离d：

进一步根据图像中两条光线的偏移距离求得油墨层的高度h：

另外，当前CCD相机10中一个像素的大小为：

1pixel＝4.65um (9)

通过图像处理模块11计算出当前图像中两条直线的偏移像素为P，建立偏移像素与当前待检测油墨层厚度的数学模型，间接求解出油墨层的高度，数学模型公式如下：

其中，P为图像中两条直线偏移的像素距离，θ为入射光线与待测平面的夹角，β为显微镜系统的放大倍率，K为系统误差比例系数。

所述图像处理模块11用于计算当前图像中两条直线偏移像素；具体包括如下步骤：

步骤1、从CCD相机中读取油墨层与非油墨层相交区域的图像，并通过高斯滤波去除图像中存在的噪声；

步骤2、通过选择合适的灰度分割阈值进行灰度二值化操作，将图像中弯曲的亮线与黑色背景分割开来；

步骤3、在二值化操作以后，图像中会存在各种各样的毛刺等不光滑的信息点，进一步通过开、闭运算等形态学操作可以得到边缘平滑的弯曲直线图像；

步骤4、直线的弯曲会使得直线中上下直线段产生像素的偏移，并且两者都可以近似为矩形，因此通过寻找上下直线段所在外接矩形的中心位置，并计算两者中心线的偏移像素，即可计算出当前图像中光线的偏移像素。

进一步，通过引入系统误差比例系数，可以消除物镜质量、工件表面粗糙度对光线散射的影响，从而保证系统的测量精度。

实施例

本实施例为用于手机盖板中油墨层厚度测量的无损在线检测设备。

如图1所示的油墨层厚度测量的无损在线检测设备原理图，其中，点光源2投射的准直光线通过柱面透镜3形成线光源4，经过狭缝5以及物镜6后，在待检测样品7表面汇聚成亮度很高并且宽度很细的长直线。该细长的直线光穿过油墨层和非油墨层相交的区域，将显微镜系统对焦在该区域，可以观察直线光穿过该区域后的弯曲变化程度。油墨层与非油墨层之间存在高度差，因此入射光在两个表面分别形成反射光并进入显微镜系统中，经过物镜8和双胶合透镜9后，在CCD相机10的成像表面发生弯曲变化。

经过狭缝和显微物镜的细长光线投射到待检测样品表面如图2所示。该细长光线穿过油墨层和非油墨层，并且光线在两个表面都将产生反射光，将显微镜沿着反射光的方向并对焦在两个表面的交界区域，观察两个平面的反射光图像的变化。

从正面观察整个系统中入射光的变化以及有关计算如图3所示。当玻璃盖板表面的入射光进行反射时，其反射光线经过显微镜系统的传播路径如图中的O₂O′₂所示，并且在相机的成像表面形成的图像为O′₂。当投射光线经过油墨层发生反射时，其反射光线经过显微镜系统的传播路径如图中实线O₁O″₁O′₁所示，并且在相机的成像表面形成的图像为O′₁。从图中可以看出，当沿着样品表面的投射光线只经过盖板玻璃表面时，其反射光线在相机成像表面的图像是沿着O′₂的一条直线如图3(b)中的B区域所示。当投射光线经过油墨层时，其图像是沿着O′₁的一条直线，如图3(b)的A区域所示。由于反射面的高度发生变化，在显微镜系统中成像图像也会随着反射面的高度变化而发生不同层次的弯曲。

通过之前的分析，并且运用一定的图像处理算法可以首先求解出当前图像中两条直线偏移的距离像素为P，间接求解出油墨层的高度：

其中，θ为入射光线与待测平面的夹角，β为显微镜系统的放大倍率，K为系统误差比例系数。

利用本设备对手机盖板上的油墨厚度进行测量，其实验结果如图4(a)所示。其中，图4(a)中油上半部分光线图像为墨层的反射光图像18、下半部分图像为盖板玻璃表面反射光图像19；在实际的实验过程当中，由于样品表面以及外界环境等干扰因素，会对实验数据产生影响，因此通过计算机的图像处理算法，例如去噪、区域分割、形态学操作以及二值化等图像操作，可以得到纯净的光线成像图形，如图4(b)中包含油墨层的反射光图像经过处理后的结构20、盖板玻璃表面反射光图像经过处理后的结构21。其中图中的中间断裂部分为油墨层与盖板玻璃层的交界处，其图像比较复杂，在处理的过程中予以剔除。在图像(b)中，可以较容易地提取油墨层与非油墨层的反射光线图像的中心线(分别为l₁,l₂)，并且计算出中心线偏差的像素数P。进一步考虑公式(11)，其中β为设备中显微镜的固定放大倍率，4.65um为CCD晶元的大小，θ为入射光线与检测面的夹角，K为系统误差比例系数，该四个参数为常数，因此全部等效为新的常数k，因此可以直接得到简化后的测量公式：

h＝k·P (12)

其中，公式中只含有未知常数k，并且测量公式中只有图像像素P与实际油墨层高度h的直接关系。

进一步，根据公式(12)对系统中的测量常数k进行求取，分别在同一块样品中，在4个不同的位置处分别使用游标卡尺和该设备对油墨层进行测量，得到的实验结果如下：

表1 不同位置处常数k的求取

对当前测量的4组比例系数进行平局后可以得到：

从而可以求取出当前系统图像中，油墨层与非油墨层反射光图像的偏移像素与油墨层的直接关系：

h＝0.298×P (14)

将该设备安装在实际的手机盖板生产线中，待将样品经过该设备下方时，通过采集投影光线在油墨层与非油墨层的反射光的弯曲偏移图像，并通过后续的图像处理可以提取出不同反射层之间的偏移像素，从而根据公式(14)计算出当前的待检测样品的油墨层厚度。从而真正地实现油墨层厚度的非接触式在线快速测量。

Claims (5)

1.用于手机盖板中油墨层厚度测量的无损在线检测设备，其特征在于包括点光源、柱面透镜、狭缝、显微镜系统和图像处理模块；显微镜系统包括显微物镜、双胶合透镜、CCD相机；点光源投射的准直光线通过柱面透镜形成发散的线光源，线光源依次经过狭缝以及显微物镜后，在待测手机盖板表面汇聚成亮度很高并且宽度很细的直线光；并且该细长的直线光穿过油墨层和非油墨层相交的区域，将显微镜系统对焦在相交的区域，从而观察直线光穿过该区域后的弯曲变化程度；油墨层与非油墨层之间存在高度差，入射光在两个表面分别形成反射光并进入显微镜系统中，经过显微物镜和双胶合透镜后，在CCD相机的成像表面形成不同的亮线；

所述图像处理模块用于计算当前图像中两条直线偏移像素；具体包括如下步骤：

步骤1、从CCD相机中读取油墨层与非油墨层相交区域的图像，并通过高斯滤波去除图像中存在的噪声；

步骤2、通过选择合适的灰度分割阈值进行灰度二值化操作，将图像中弯曲的亮线与黑色背景分割开来；

步骤3、在二值化操作以后，图像中会存在各种各样不光滑的信息点，进一步通过开、闭运算操作得到边缘平滑的弯曲直线图像；

步骤4、直线的弯曲会使得直线中上下直线段产生像素的偏移，并且两者都可以近似为矩形，因此通过寻找上下直线段所在外接矩形的中心位置，并计算两者中心线的偏移像素，即可计算出当前图像中光线的偏移像素；当玻璃盖板表面的入射光进行反射时，其反射光线经过显微镜系统后在CCD相机的成像表面形成的图像O′₂；当入射光线经过油墨层发生反射时，其反射光线经过显微镜系统在CCD相机的成像表面形成的图像为O′₁；当沿着样品表面的入射光线只经过盖板玻璃表面时，其反射光线在CCD相机成像表面的图像是沿着O′₂的一条直线；当沿着样品表面的入射光线经过油墨层时，其反射光线在CCD相机成像表面的图像是沿着O′₁的一条直线。

2.根据权利要求1所述的用于手机盖板中油墨层厚度测量的无损在线检测设备，其特征在于油墨层高度h与CCD相机中图像的偏移距离d的关系计算如下：

设相同入射光线，在盖板玻璃表面与油墨层的交点分别为O₁和O₂，则O₁和O₂之间的距离O₁O₂：

其中，h为待测油墨层的高度，θ为入射光线与样品之间的夹角；

根据显微镜的放大倍率β计算出O₁O₂在成像面上的距离O′₁O′₂，即油墨层与盖板玻璃表面反射光在成像面上的偏移距离d：

进一步根据图像中两条光线的偏移距离求得油墨层的高度h：

另外，当前CCD相机中一个像素的大小为：

1pixel＝4.65um (4)

通过图像处理模块计算出当前图像中两条直线的偏移像素为P，建立偏移像素与当前待检测油墨层厚度的数学模型，间接求解出油墨层的高度，数学模型公式如下：

其中，P为图像中两条直线的偏移像素，θ为入射光线与待测平面的夹角，β为显微镜的放大倍率，K为系统误差比例系数。

3.根据权利要求1所述的用于手机盖板中油墨层厚度测量的无损在线检测设备，其特征在于所述的点光源和柱面透镜包括能够产生一字型光束的光源。

4.根据权利要求1所述的用于手机盖板中油墨层厚度测量的无损在线检测设备，其特征在于所述的物镜能够根据检测样品的不同选择不同的放大倍率。

5.根据权利要求1所述的用于手机盖板中油墨层厚度测量的无损在线检测设备，其特征在于设备能够直接安装在流水线上方。