CN105953138A - 一种光斑形状可控的机器视觉光源装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光斑形状可控的机器视觉光源装置及其实现方法，装置包括底板、外壳、运动部件、LED模组和单片机，所述底板上设有圆弧轨道，所述运动部件包括大内齿轮、小齿轮、小电机、滑块以及滑块轨道，所述大内齿轮与小齿轮配合，所述大内齿轮固定在外壳上，所述小齿轮固定在小电机的输出端，所述小电机固定在滑块上，所述小电机还与单片机连接，所述滑块在滑块轨道上滑动，所述LED模组位于圆弧轨道上且与滑块连接，所述运动部件中的小齿轮、小电机、滑块、滑块轨道以及LED模组均在以底板中心为中心的圆形阵列上分布若干组。本发明具有适用性广、方便和检测效率高的优点，可广泛应用于光学领域。

Description

一种光斑形状可控的机器视觉光源装置及其实现方 法

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其是一种光斑形状可控的机器视觉光源装置及其实现方法。

背景技术

机器视觉技术是一门涉及到多个领域的交叉学科。机器视觉就是用机器代替人眼来进行测量和判断。机器视觉系统是指通过图像摄取装置来采集检测目标的图像信号，然后传送给专用的图像处理系统，得到检测目标的形态信息，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成我们需要的数字化信号。因为机器视觉是通过机器来检测和判断的，所以其常用于大批量生产过程的产品质量检测、不适合人的危险环境或人眼视觉难以满足的场合。而且机器视觉大大提高了检测的精度和速度，避免了人眼观察带来的偏差和误差。如今，中国正成为世界机器视觉发展最活跃的地区之一，机器视觉的应用范围涵盖了工业、农业、医药、军事、航天、气象、天文、公安、交通、安全、科研等国民经济的各个行业。

在机器视觉系统中，输入端口为图像摄取装置，初始输入信号为图像信号。因此摄取到一个视觉效果好且对比度大的图像可以大大减少后期的图像处理工作量。然而，目前，市面上的照明光源的光斑形状都是固定的。而机器视觉系统需要检测的零件的外形是多种多样的，包括圆形、正方形、正六边形和三角形等。若采用均匀区域有限的圆形光斑来为非圆形零件照明，往往会导致零件边缘和同类特征(同类特征一般是按照零件的外形来布局)的照度不均匀，这样摄取到的图像在经过图像处理后，会因图像中特征的照度不均匀而导致零件边缘和同类特征出现分裂现象，从而无法提取所需的信息。

综上所述，目前的机器视觉的照明光源光斑形状固定，难以满足不同外形零件的检测要求，适用性不广，不够方便，检测效率低。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种适用性广、方便和检测效率高的，光斑形状可控的机器视觉光源装置。

本发明的另一目的在于：提供一种适用性广、方便和检测效率高的，光斑形状可控的机器视觉光源装置的实现方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种光斑形状可控的机器视觉光源装置，包括底板、外壳、运动部件、LED模组和单片机，所述底板上设有圆弧轨道，所述运动部件包括大内齿轮、小齿轮、小电机、滑块以及滑块轨道，所述大内齿轮与小齿轮配合，所述大内齿轮固定在外壳上，所述小齿轮固定在小电机的输出端，所述小电机固定在滑块上，所述小电机还与单片机连接，所述滑块在滑块轨道上滑动，所述LED模组位于圆弧轨道上且与滑块连接，所述运动部件中的小齿轮、小电机、滑块、滑块轨道以及LED模组均在以底板中心为中心的圆形阵列上分布若干组。

进一步，所述LED模组包括LED矩形阵列、模组外壳以及漫射板，所述LED矩形阵列设在模组外壳的内部，所述漫射板粘贴在模组外壳上。

进一步，所述运动部件中的小齿轮、小电机、滑块、滑块轨道以及LED模组均在以底板中心为中心的圆形阵列上分布的组数为12或12的倍数。

进一步，所述LED模组的数目为12组，当每组LED模组均匀分布在圆弧轨道上时，该装置产生的光斑形状为圆形；当12组LED模组分为四大组，并且每大组的3组LED模组紧贴在一起，然后四大组LED模组均匀分布在圆弧轨道上时，该装置产生的光斑形状为方形；当12组LED模组分为三大组，并且每大组的4组LED模组紧贴在一起，然后三大组LED模组均匀分布在圆弧轨道上时，该装置产生的光斑形状为三角形。

进一步，所述滑块轨道由内滑块轨道和外滑块轨道组成，所述内滑块轨道和外滑块轨道上均设有用于带动滑块在滑块轨道上滑动的滑轮。

进一步，所述底板上还设有用作摄像机图像采集入口的中心孔，所述外壳也设有与底板大小一致的中心孔。

进一步，所述小齿轮通过花键与小电机的输出轴连接。

进一步，所述大内齿轮通过螺钉固定在外壳上，所述LED模组通过螺钉固定在滑块上。

本发明解决其技术问题所采用的另一方案是：

一种光斑形状可控的机器视觉光源装置的实现方法，包括：

S1、将光斑形状可控的机器视觉光源装置固定在机器视觉检测系统的图像采集端，并且使得摄像机的轴心与底板的中心孔以及外壳的中心孔对心；

S2、将光斑形状可控的机器视觉光源装置调整到设定的照明高度；

S3、将待检测零件置于照明范围中心，按下光斑形状可控的机器视觉光源装置的光源按钮，使该光源装置开始工作，此时该光源装置产生的光斑形状为圆形；

S4、判断待检测零件是否为圆形零件，若是，则开始采集待检测零件的图像，反之，则通过调节单片机和运动部件使该光源装置产生的光斑形状为待检测零件的形状，并相应地旋转待测零件或调整该光源装置的照明高度，然后开始采集待检测零件的图像。

本发明的装置的有益效果是：包括底板、外壳、运动部件、LED模组和单片机，运动部件包括大内齿轮、小齿轮、小电机、滑块以及滑块轨道，通过单片机来控制在底板中心圆形阵列上的小电机，并结合滑块以及滑块轨道改变LED模组在圆弧轨道的相对位置，从而能针对不同零件的外形改变光斑的形状，使得光斑的照度分布与零件的外形相匹配，满足不同外形零件的检测要求，适用性广，方便，检测效率高。进一步，LED模组设有漫射罩，能够使得光线在空间分布更加均匀，光线更柔和。进一步，内滑块轨道和外滑块轨道上均设有用于带动滑块在滑块轨道上滑动的滑轮，减少了滑块在滑块轨道上移动的摩擦力，更加方便。

本发明的方法的有益效果是：待检测零件为圆形零件时，能直接开始采集待检测零件的图像；待检测零件为非圆形零件时，通过调节单片机和运动部件使该光源装置产生的光斑形状为待检测零件的形状，并相应地旋转待测零件或调整该光源装置的照明高度，然后再开始采集待检测零件的图像，不需要更换光源，机器视觉系统也能采集到质量较好的图像，操作简单方便，适用于不同外形零件的检测，提高了机器视觉系统的检测效率。

附图说明

图1是本发明产生圆形光斑的LED模组的阵列结构示意图；

图2是本发明运动部件的内部结构示意图；

图3是本发明一种光斑形状可控的机器视觉光源装置的局部内部结构剖视图；

图4为本发明一种光斑形状可控的机器视觉光源装置的实现方法的步骤流程图；

图5为本发明实施例二的照明高度调整结构示意图。

附图标记：1、底板；2、LED矩形阵列；3、中心孔；4、螺钉；5、漫射板；6、大内齿轮；7、小齿轮；8、小电机；9、模组外壳；10、滑块；11和13、外滑块轨道；12、滑轮；14和15、内滑块轨道；16、外壳；17、圆弧轨道。

具体实施方式

参照图1、2和3，一种光斑形状可控的机器视觉光源装置，包括底板、外壳、运动部件、LED模组和单片机，所述底板上设有圆弧轨道，所述运动部件包括大内齿轮、小齿轮、小电机、滑块以及滑块轨道，所述大内齿轮与小齿轮配合，所述大内齿轮固定在外壳上，所述小齿轮固定在小电机的输出端，所述小电机固定在滑块上，所述小电机还与单片机连接，所述滑块在滑块轨道上滑动，所述LED模组位于圆弧轨道上且与滑块连接，所述运动部件中的小齿轮、小电机、滑块、滑块轨道以及LED模组均在以底板中心为中心的圆形阵列上分布若干组。

参照图1、2和3，进一步作为优选的实施方式，所述LED模组包括LED矩形阵列、模组外壳以及漫射板，所述LED矩形阵列设在模组外壳的内部，所述漫射板粘贴在模组外壳上。

进一步作为优选的实施方式，所述运动部件中的小齿轮、小电机、滑块、滑块轨道以及LED模组均在以底板中心为中心的圆形阵列上分布的组数为12或12的倍数。

进一步作为优选的实施方式，所述LED模组的数目为12组，当每组LED模组均匀分布在圆弧轨道上时，该装置产生的光斑形状为圆形；当12组LED模组分为四大组，并且每大组的3组LED模组紧贴在一起，然后四大组LED模组均匀分布在圆弧轨道上时，该装置产生的光斑形状为方形；当12组LED模组分为三大组，并且每大组的4组LED模组紧贴在一起，然后三大组LED模组均匀分布在圆弧轨道上时，该装置产生的光斑形状为三角形。

其中，若一共有12组LED模组，光斑形状为圆形时就均匀分布；光斑形状为方形时，12组平均分为4大组，也就是相邻的3组贴在一起。三角形、六角形也是同样的道理。

参照图3，进一步作为优选的实施方式，所述滑块轨道由内滑块轨道和外滑块轨道组成，所述内滑块轨道和外滑块轨道上均设有用于带动滑块在滑块轨道上滑动的滑轮。

参照图1，进一步作为优选的实施方式，所述底板上还设有用作摄像机图像采集入口的中心孔，所述外壳也设有与底板大小一致的中心孔。

进一步作为优选的实施方式，所述小齿轮通过花键与小电机的输出轴连接。

进一步作为优选的实施方式，所述大内齿轮通过螺钉固定在外壳上，所述LED模组通过螺钉固定在滑块上。

参照图4，一种光斑形状可控的机器视觉光源装置的实现方法，包括：

S1、将光斑形状可控的机器视觉光源装置固定在机器视觉检测系统的图像采集端，并且使得摄像机的轴心与底板的中心孔以及外壳的中心孔对心；

S2、将光斑形状可控的机器视觉光源装置调整到设定的照明高度；

S3、将待检测零件置于照明范围中心，按下光斑形状可控的机器视觉光源装置的光源按钮，使该光源装置开始工作，此时该光源装置产生的光斑形状为圆形；

S4、判断待检测零件是否为圆形零件，若是，则开始采集待检测零件的图像，反之，则通过调节单片机和运动部件使该光源装置产生的光斑形状为待检测零件的形状，并相应地旋转待测零件或调整该光源装置的照明高度，然后开始采集待检测零件的图像。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例一

如图1、2、3所示，本发明机器视觉光源装置，包括底板1、外壳16、运动部件、单片机以及LED模组。底板1有中心孔3和圆弧轨道17，其中，底板1的中心孔3是机器视觉系统摄像机采集图像入口。外壳16同样有与底板同样大小的中心孔3。另外，运动部件包括大内齿轮6、小齿轮7、小电机8、滑块10、滑轮12以及滑块轨道。其中，滑块轨道包括内滑块轨道15、14以及外滑块轨道13、11。小电机8通过连接件(其并没有在附图画出)固定在滑块10上。小齿轮7与电机8输出轴通过花键(其并没有在附图画出)连接。滑轮12是为了减少滑块10移动的摩擦力。运动部件中除了大内齿轮外(大内齿轮只有1个)的其它部分和LED模组以底板1为中心的圆形阵列分布若干个，而且分布的数目为12或12倍数。而LED模组包括模组外壳9、LED矩形阵列2和漫射板5，其中，漫射板5粘贴在模组外壳上。LED模组与滑块10通过螺钉4连接。各个小电机8分别连接单片机(其并没有在附图画出)的IO口，通过单片机来单独控制小电机8。

本发明机器视觉光源装置，通过单片机来控制各个小电机8的接受脉冲个数来控制各个小电机8的运动，进而控制滑块10在圆弧轨道17的相对位置，最后控制该装置光斑的形状。以LED模组的数目为12组为例，当每组LED模组均匀分布在圆弧轨道17上时，该装置产生的光斑形状为圆形；当12组LED模组分为四大组，并且每大组的3组LED模组紧贴在一起，然后四大组LED模组均匀分布在圆弧轨道17上时，该装置产生的光斑形状为方形；当12组LED模组分为三大组，并且每大组的4组LED模组紧贴在一起，然后三大组LED模组均匀分布在圆弧轨道17上时，该装置产生的光斑形状为三角形。以此类推，可以得到其他形状。由于产生不同的光斑形状时，每组LED模组的数目不同，导致每组LED模组的发光面积不同，所以其照明高度要稍作微调，以至达到更好的照明效果。

实施例二

为了便于进行操作，本发明一种光斑形状可控的机器视觉光源装置的外壳16置有如下按钮：“ON/OFF”、“方形”、“圆形”、“三角形”和“六角形”等。

本发明机器视觉光源装置的实现方法的具体步骤为：

S1、将本光斑形状可控的机器视觉光源装置固定在机器视觉检测系统的图像采集端，并且使得摄像机的轴心与底板的中心孔3以及外壳的中心孔3对心。

S2、将本机器视觉光源装置调整到设定的照明高度。

S3、将检测零件置于照明范围中心，按下光源“ON/OFF”按钮，光源工作，此时光斑为圆形。

S4、判断待检测零件是否为圆形零件，若是，则按下“圆形”按钮，直接开始采集待检测零件的图像，反之，则按下其他与零件相匹配的按钮(如“三角形”按钮，该按钮通过调节内部的单片机和运动部件使该光源装置产生的光斑形状为待检测零件的形状)，并相应地旋转待测零件或调整该光源装置的照明高度，然后开始采集待检测零件的图像。

S5、采集完图像，按下光源“ON/OFF”按钮，该光源装置产生的光斑形状恢复为圆形，最后该光源装置停止工作。

本发明的机器视觉系统光源装置采用了LED模组作为光源，属于直接的照明光源。为了使得光斑中心较均匀，光源的照明高度应有个适当范围。如图5所示，假设LED模组的内半径为r₁，外半径为r₂，照明高度为h，参照发明专利CN201510128214.1的高度调整方法,有：

$h=\sqrt{\frac{m+3}{2}}{r}_0---\left(1\right)$

$r_0=\sqrt{\frac{r_1^2+r_2^2}{2}}---\left(2\right)$

对于与LED模组发光特性相关的系数，LED矩形阵列产生的光线再经过漫射板散射，光线在漫射板上的照度均匀，所以LED模组的发光特性与朗伯光源的特性相近。所以m≈1，有：

$h\≈\sqrt{2}{r}_0=\sqrt{r_1^2+r_2^2}---\left(3\right)$

则光源的照明高度调整范围为[h-Δr,h+Δr]，其中Δr为5mm～15mm。

例如：r₁＝70mm，r₂＝110mm；则h≈130mm，所以照明适当范围为120mm～140mm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)底板的中心圆形阵列的各个小电机通过单片机控制，通过单片机来控制在底板中心圆形阵列上的小电机，并结合滑块以及滑块轨道改变LED模组在圆弧轨道的相对位置，从而能针对不同零件的外形改变光斑的形状，使得光斑的照度分布与零件的外形相匹配，满足不同外形零件的检测要求，适用性广，方便，检测效率高。即使零件尺寸超过光斑的均匀范围，也能够确保零件的边缘和同类特征的照度相同，非同类的特征照度不同，更便于图像处理。

(2)LED模组设有漫射罩，能够使得光线在空间分布更加均匀，光线更柔和。

(3)内滑块轨道和外滑块轨道上均设有用于带动滑块在滑块轨道上滑动的滑轮，减少了滑块在滑块轨道上移动的摩擦力，更加方便

(4)光源操作方便简单。不需要更换光源，机器系统也能采集到质量较好的图像。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种光斑形状可控的机器视觉光源装置，其特征在于：包括底板、外壳、运动部件、LED模组和单片机，所述底板上设有圆弧轨道，所述运动部件包括大内齿轮、小齿轮、小电机、滑块以及滑块轨道，所述大内齿轮与小齿轮配合，所述大内齿轮固定在外壳上，所述小齿轮固定在小电机的输出端，所述小电机固定在滑块上，所述小电机还与单片机连接，所述滑块在滑块轨道上滑动，所述LED模组位于圆弧轨道上且与滑块连接，所述运动部件中的小齿轮、小电机、滑块、滑块轨道以及LED模组均在以底板中心为中心的圆形阵列上分布若干组。

2.根据权利要求1所述的一种光斑形状可控的机器视觉光源装置，其特征在于：所述LED模组包括LED矩形阵列、模组外壳以及漫射板，所述LED矩形阵列设在模组外壳的内部，所述漫射板粘贴在模组外壳上。

3.根据权利要求1所述的一种光斑形状可控的机器视觉光源装置，其特征在于：所述运动部件中的小齿轮、小电机、滑块、滑块轨道以及LED模组均在以底板中心为中心的圆形阵列上分布的组数为12或12的倍数。

4.根据权利要求3所述的一种光斑形状可控的机器视觉光源装置，其特征在于：所述LED模组的数目为12组，当每组LED模组均匀分布在圆弧轨道上时，该装置产生的光斑形状为圆形；当12组LED模组分为四大组，并且每大组的3组LED模组紧贴在一起，然后四大组LED模组均匀分布在圆弧轨道上时，该装置产生的光斑形状为方形；当12组LED模组分为三大组，并且每大组的4组LED模组紧贴在一起，然后三大组LED模组均匀分布在圆弧轨道上时，该装置产生的光斑形状为三角形。

5.根据权利要求1所述的一种光斑形状可控的机器视觉光源装置，其特征在于：所述滑块轨道由内滑块轨道和外滑块轨道组成，所述内滑块轨道和外滑块轨道上均设有用于带动滑块在滑块轨道上滑动的滑轮。

6.根据权利要求1所述的一种光斑形状可控的机器视觉光源装置，其特征在于：所述底板上还设有用作摄像机图像采集入口的中心孔，所述外壳也设有与底板大小一致的中心孔。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种光斑形状可控的机器视觉光源装置，其特征在于：所述小齿轮通过花键与小电机的输出轴连接。

8.根据权利要求1-6任一项所述的一种光斑形状可控的机器视觉光源装置，其特征在于：所述大内齿轮通过螺钉固定在外壳上，所述LED模组通过螺钉固定在滑块上。

9.一种光斑形状可控的机器视觉光源装置的实现方法，其特征在于：包括：

S1、将光斑形状可控的机器视觉光源装置固定在机器视觉检测系统的图像采集端，并且使得摄像机的轴心与底板的中心孔以及外壳的中心孔对心；

S2、将光斑形状可控的机器视觉光源装置调整到设定的照明高度；

S3、将待检测零件置于照明范围中心，按下光斑形状可控的机器视觉光源装置的光源按钮，使该光源装置开始工作，此时该光源装置产生的光斑形状为圆形；

S4、判断待检测零件是否为圆形零件，若是，则开始采集待检测零件的图像，反之，则通过调节单片机和运动部件使该光源装置产生的光斑形状为待检测零件的形状，并相应地旋转待测零件或调整该光源装置的照明高度，然后开始采集待检测零件的图像。

10.根据权利要求9所述的一种光斑形状可控的机器视觉光源装置的实现方法，其特征在于：所述光斑形状可控的机器视觉光源装置为权利要求1-6任一项所述的光斑形状可控的机器视觉光源装置。