CN106289060A - 一种测量平面led荧光粉涂层体积的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量平面LED荧光粉涂层体积的系统及方法，包括上位机、多位置线激光发射控制模块、运动控制模块及摄像机视觉控制处理模块，本方法分为涂层厚度检测、涂覆区域面积的获取、体积计算三大部分，通过涂覆区域面积和涂层厚度计算LED荧光粉层体积，将获得的体积结果与期望体积比较，检测LED荧光粉涂覆精度，该方法具有精度高、快速性强等特点，解决了当前LED荧光粉层体积检测效率低、精度不够的问题。

Description

一种测量平面LED荧光粉涂层体积的系统及方法

技术领域

本发明涉及视觉检测和图像处理领域，具体涉及一种测量平面LED荧光粉涂层体积的系统及方法。

背景技术

白光LED常通过在芯片表面涂覆荧光粉激发获得白光。荧光粉涂覆的体积对白光LED的发光效果有着很大的影响。国外垄断全自动荧光粉涂覆设备生产技术导致购买价格高昂，而国内大多采用点胶和印刷工艺获得产品品质较差，所以对LED的生产质量检测在生产研究中具有较大意义。其中，荧光粉涂层体积检测是保证高质量白光LED生产、减少次品的关键环节之一。

目前，荧光粉涂覆体积检测的一些方法主要是通过人眼观察涂覆厚度来判别涂覆量，进而确定产品是否生产要求。这种检测方法效率低、精度不够且耗费大量人力物力资源，在追求高精度快速度的生产中，无法满足工业需求。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种测量平面LED荧光粉涂层体积的系统及方法。

本发明采用如下技术方案：

一种测量平面LED荧光粉涂层体积的系统，包括上位机、多位置线激光发射控制模块、运动控制模块及摄像机视觉控制处理模块；

所述多位置线激光发射控制模块包括多位置线激光发射控制器及多位置线激光发射器；

所述运动控制模块包括电机控制箱、第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、多位置线激光发射器旋转固定装置、摄像机旋转固定装置、水平单运动轨道及电动精密载物台；

所述摄像机视觉控制处理模块包括相互连接的摄像机与摄像机视觉控制处理器；

所述电机控制箱分别与第一、第二及第三伺服电机连接，所述第一伺服电机与水平单运动轨道连接，所述电动精密载物台在水平单运动轨道上运动，所述待检测LED芯片放在电动精密载物台上；

所述第三伺服电机与多位置线激光发射器旋转固定装置连接，所述多位置线激光发射器及多位置线激光发射控制器固定在多位置线激光发射器旋转固定装置上，所述多位置线激光发射控制器与多位置线激光发射器连接；

所述第二伺服电机与摄像机旋转固定装置连接，所述摄像机固定在摄像机旋转固定装置上；所述上位机分别与多位置线激光发射控制器、电机控制箱及摄像机视觉控制处理器连接；

初始状态时，多位置线激光发射器的发射激光与摄像机的摄像头平行。

还包括环形电源，所述环形光源固定在摄像机上，且位于摄像机镜头的正下方。

一种测量平面LED荧光粉涂层体积的方法，包括如下步骤：

S1构建测量系统；

S2采用多位置线激光扫描法，获得未涂覆荧光粉涂层及涂覆荧光粉涂层的LED芯片的多张激光成像图；

S3对未涂覆荧光粉涂层的激光成像图及涂覆荧光粉涂层的激光成像图进行预处理；

S4求取荧光粉涂层厚度，具体为：求取涂覆前后的激光中心线，计算涂覆前后激光中心线间的平均距离，根据公式h＝k×d得到荧光粉涂层厚度，k为比例系数，d为涂覆前后激光中心线间的平均距离；

S5在环形光源给光的条件下，摄像机在荧光粉涂层正上方拍摄图片；

S6对S5的图片进行预处理，计算得到涂覆面积s；

S7根据涂层厚度h和涂覆面积s，求取荧光粉涂层的体积。

所述采用多位置线激光扫描法，获得未涂覆荧光粉涂层及涂覆荧光粉涂层的多张激光成像图，具体为：

调整激光入射方向与摄像头平行，定标获得摄像机参数，开启多位置线激光发射器；

入射激光与未涂覆荧光粉涂层的被测物表面法线夹角为θ，成像主光线与被测物面法线的夹角为多位置线激光发射器固定不动，调节电动精密载物台的位置，使未涂覆荧光粉涂层的待检测LED芯片从左向右移动，使激光入射至被测物表面的两侧边缘及中部位置，获得两侧边缘及中部位置的未涂覆荧光粉涂层的被测物表面的激光图像；

涂覆荧光粉涂层后，调节电动精密载物台移动位置至未涂覆前入射激光的相同位置，然后移动电动精密载物台，获得两侧边缘及中部位置涂覆后的激光图像。

所述

其中，L为入射光面与成像透镜之间的距离，l为成像透镜与成像传感器感光平面距离，θ是激光器发出的入射主光线和被测物面法线的夹角，d_i是涂覆前后各组激光中心线距离，n为被检测激光线组数，所述激光中心线间距离d_i是指所得图像上的激光中心线间像素距离。

还包括精度检测步骤，将S6得到的涂层体积与期望涂覆体积单位进行比较，若误差比在千分之五内，则符合精度要求。

所述S6中的预处理包括中值滤波获得去噪后的图片，然后进行二值化并利用canny算子获得激光边缘。

所述S4中求取涂覆前后的激光中心线，具体为：进行霍夫变换检测直线，再旋转图片，然后获得激光上下边界的坐标信息，接着获得每列的最亮灰度值Q_i，根据该灰度值设定一个阈值Q_i-T，T为一个固定灰度值，按列将大于该阈值的点拟合成二次曲线，取曲线极值点所在坐标，将其作为该列的光心所在的坐标位置，最后利用这些光心坐标拟合成直线。

本发明的有益效果：

(1)本发明利用多位置线激光扫描法对涂覆荧光粉涂层体积进行检测，检测速度较快；

(2)本发明的检测设备简单，可操作性强，便于投入实际生产环境；

(3)本方法检测精度较高，保证了高质量白光LED的生产；

(4)本方法采用多位置线激光扫描法，涂覆厚度及涂层体积计算公式较简单。

附图说明

图1是本发明测量系统的结构示意图；

图2是本发明的工作流程图；

图3是激光发射器的激光光路图；

图4是本发明测量系统的连接图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1及图4所示，一种测量平面LED荧光粉涂层体积的系统，包括上位机、多位置线激光发射控制模块、运动控制模块及摄像机视觉控制处理模块；

所述多位置线激光发射控制模块包括线激光发射控制器及多位置线激光发射器4；

所述运动控制模块包括电机控制箱、第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、多位置线激光发射器旋转固定装置、摄像机旋转固定装置、水平单运动轨道1及电动精密载物台3；

所述摄像机视觉控制处理模块包括相互连接的摄像机5与摄像机视觉控制处理器及环形光源，所述环形光源6固定在摄像机5上，且位于摄像机镜头的正下方；

所述电机控制箱分别与第一、第二及第三伺服电机连接，所述第一伺服电机与水平单运动轨道连接，所述电动精密载物台随着水平单运动轨道1上运动，所述待检测LED芯片2放在电动精密载物台上，辅助配合实现多位置线激光目的；

所述第三伺服电机与多位置线激光发射器旋转固定装置连接，所述多位置线激光发射器及多位置线激光发射控制器固定在多位置线激光发射器旋转固定装置上，所述多位置线激光发射控制器与多位置线激光发射器连接，实现获取多位置线激光的目的。

多位置线激光发射器是一种可以通过上位机设定参数使线激光入射至LED荧光粉涂层任意位置，且可以调节激光发射次数、单次发射线激光时长及时间间隔的装置。

所述第二伺服电机与摄像机旋转固定装置连接，所述摄像机固定在摄像机旋转固定装置上，从而调整摄像机位置、进行采图和图像处理；

所述上位机分别与多位置线激光发射控制器、电机控制箱及摄像机视觉控制处理器连接；

初始状态时，多位置线激光发射器的发射激光与摄像机的摄像头平行。

上位机发出命令给电机控制箱，伺服电机驱动控制多位置线激光发射器旋转固定装置，调整线激光发射角度，同时控制摄像机旋转固定装置调节位置，使得发射激光的方向与摄像头方向平行。电动精密载物台具有水平单运动轨道，伺服电机控制电动精密载物台从左往右移动，在涂层左侧边缘、中部、右侧边缘三个位置之间稍作停顿。多位置线激光发射器、多位置线激光发射控制器与电动精密载物台配合，调整发射线激光的时间间隔、时间长度及发射次数，使得发射光线可以入射至上述三个位置。

电机控制箱需要控制与电动精密载物台运动相关的伺服电机、与多位置线激光发射器旋转固定装置运动相关的伺服电机、与摄像机旋转固定装置运动相关的伺服电机，不同时间段内起到调整载物台移动、摄像机位置调整、多位置线激光发射器旋转固定装置偏转，达到监测效果的作用。

图3为摄像机位置调整说明图，摄像机处于初始位置时，调节摄像头与多位置线激光发射器所发射的激光方向平行，待电动精密载物台从左往右一次移动完成后，摄像头将调节到荧光粉涂层正上方，通过图1中的摄像机视觉控制处理器控制曝光时间和焦距，摄像机并将相关采图信号返回给图1中的摄像机视觉控制处理器进行图像处理。

如图2所示，一种测量平面LED荧光粉涂层体积的方法，包括：

S1将未涂覆荧光粉的LED芯片放置到电动精密载物台检测点处，登录上位机，输入各标准控制参数信息。固定并开启多位置线激光发射器，使多位置线激光发射器发射激光以固定角度入射LED模组表面，通过摄像机运动控制器控制摄像机旋转固定装置使得摄像机镜头与多位置线激光发射器入射光方向平行，如图2中P位置。

S2采用多位置线激光扫描法，获得未涂覆荧光粉涂层及涂覆荧光粉涂层的多张激光成像图；

具体包括如下步骤：

为了使成像清晰，基于Scheimpflug条件，即相距的倒数与物距倒数之和等于焦距倒数，需调整激光入射方向与摄像机平行，定标获得摄像机参数，开启多位置线激光发射器。

多位置线激光发射器与涂覆荧光粉涂层前LED模组表面法线的夹角为θ，成像主光线与被测物面法线的夹角为线激光发射器固定不动，电动精密载物评台移动，则涂层随着平台从左往右移动，如图1中所示的Z、R、T位置，

使激光入射至被测物表面的左右两边缘附近和中部位置，获得两侧边缘及中部位置的多幅涂覆前的激光图像，然后关闭激光。

涂覆荧光粉涂层后，调节电动精密载物台至未涂覆前入射激光的相同位置，然后移动电动精密载物台，获得两侧边缘及中部位置涂覆后的激光图像。

S3对涂覆前后的激光图像进行处理；

S4计算涂覆厚度，求取涂覆前后的激光中心线，计算涂覆前后激光中心线间的平均距离，根据公式h＝k×d得到荧光粉涂层厚度，k为比例系数，d为涂覆前后激光中心线间的平均距离；

$d=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i,k=\frac{Lcos\mathrm{\θ}}{l}$

θ是激光器发出的入射主光线和被测物面法线的夹角，L为入射光面与成像透镜之间的距离，单位为mm，l为成像透镜与成像传感器感光平面距离，单位为mm，d_i是涂覆前后各组激光中心线距离，单位为mm，n为被检测激光线组数，本申请中取3组，分别是激光入射到涂覆层左右两边缘附近和中部，n即为3。通过厚度进一步获得体积信息。

为了保证去噪效果且减少图像模糊程度，可以采用中值滤波，拍摄时环境亮度较低，激光与图像背景区域亮度差异较大，可以对去噪后的图片进行二值化并利用canny算子获得激光边缘。利用霍夫变换、按列最亮灰度值获取、大于阈值点二次曲线拟合及光心坐标直线拟合等处理，获得多条线激光中心线。线激光中心线计算获得芯片厚度，将该芯片厚度作为原始参数，并存储该原始参数。对获得的多条线激光中心线分别计算总厚度，并将各位置总厚度求平均。将平均总厚度与原始参数比较相减，获得平均涂覆厚度。

S5对涂覆后的LED荧光粉涂层移动到R位置，通过第二伺服电机将摄像机调整到荧光粉涂层正上方，即从P位置调整到X位置，并定标。

在环形光源给光的条件下，摄像机在荧光粉涂层正上方拍摄图片。

S6对S5的图片进行预处理，所述预处理包括高斯去噪，计算得到涂覆面积s；

S7根据涂层厚度h和涂覆面积s，求取荧光粉涂层的体积v＝h×s。

S8还包括精度判别步骤，精度判别公式为为式中△为千分之五，v₁为期望体积，v为实际测得涂覆体积。

在工业环境中，荧光粉色度与背景色度有一定差异，通过将图片转换为YCrCb空间，判断像素点色度是否属于设定色度范围内，获得涂覆区域及涂覆面积。

本发明适用于表面平整的LED荧光粉涂层。本方法共分为涂层厚度检测、涂覆区域面积的获取、体积计算三大部分，通过涂覆区域面积和涂层厚度计算LED荧光粉层体积，将获得的体积结果与期望体积比较，检测LED荧光粉涂覆精度，该方法具有精度高、快速性强等特点，解决了当前LED荧光粉层体积检测效率低、精度不够的问题。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测量平面LED荧光粉涂层体积的系统，其特征在于，包括上位机、多位置线激光发射控制模块、运动控制模块及摄像机视觉控制处理模块；

所述多位置线激光发射控制模块包括多位置线激光发射控制器及多位置线激光发射器；

所述运动控制模块包括电机控制箱、第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、多位置线激光发射器旋转固定装置、摄像机旋转固定装置、水平单运动轨道及电动精密载物台；

所述摄像机视觉控制处理模块包括相互连接的摄像机与摄像机视觉控制处理器；

所述电机控制箱分别与第一、第二及第三伺服电机连接，所述第一伺服电机与水平单运动轨道连接，所述电动精密载物台在水平单运动轨道上运动，所述待检测LED芯片放在电动精密载物台上；

所述第三伺服电机与多位置线激光发射器旋转固定装置连接，所述多位置线激光发射器及多位置线激光发射控制器固定在多位置线激光发射器旋转固定装置上，所述多位置线激光发射控制器与多位置线激光发射器连接；

所述第二伺服电机与摄像机旋转固定装置连接，所述摄像机固定在摄像机旋转固定装置上；所述上位机分别与多位置线激光发射控制器、电机控制箱及摄像机视觉控制处理器连接；

初始状态时，多位置线激光发射器的发射激光与摄像机的摄像头平行。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括环形电源，所述环形光源固定在摄像机上，且位于摄像机镜头的正下方。

3.一种如权利要求1所述的测量平面LED荧光粉涂层体积的系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1构建测量系统；

S2采用多位置线激光扫描法，获得未涂覆荧光粉涂层及涂覆荧光粉涂层的LED芯片的多张激光成像图；

S3对未涂覆荧光粉涂层的激光成像图及涂覆荧光粉涂层的激光成像图进行预处理；

S4求取荧光粉涂层厚度，具体为：求取涂覆前后的激光中心线，计算涂覆前后激光中心线间的平均距离，根据公式h＝k×d得到荧光粉涂层厚度，k为比例系数，d为涂覆前后激光中心线间的平均距离；

S5在环形光源给光的条件下，摄像机在荧光粉涂层正上方拍摄图片；

S6对S5的图片进行预处理，计算得到涂覆面积s；

S7根据涂层厚度h和涂覆面积s，求取荧光粉涂层的体积。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述采用多位置线激光扫描法，获得未涂覆荧光粉涂层及涂覆荧光粉涂层的多张激光成像图，具体为：

调整激光入射方向与摄像头平行，定标获得摄像机参数，开启多位置线激光发射器；

入射激光与未涂覆荧光粉涂层的被测物表面法线夹角为θ，成像主光线与被测物面法线的夹角为多位置线激光发射器固定不动，调节电动精密载物台的位置，使未涂覆荧光粉涂层的待检测LED芯片从左向右移动，使激光入射至被测物表面的两侧边缘及中部位置，获得两侧边缘及中部位置的未涂覆荧光粉涂层的被测物表面的激光图像；

涂覆荧光粉涂层后，调节电动精密载物台移动位置至未涂覆前入射激光的相同位置，然后移动电动精密载物台，获得两侧边缘及中部位置涂覆后的激光图像。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述

$d=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{d}_i$

其中，L为入射光面与成像透镜之间的距离，l为成像透镜与成像传感器感光平面距离，θ是激光器发出的入射主光线和被测物面法线的夹角，d_i是涂覆前后各组激光中心线距离，n为被检测激光线组数，所述激光中心线间距离d_i是指所得图像上的激光中心线间像素距离。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括精度检测步骤，将S6得到的涂层体积与期望涂覆体积单位进行比较，若误差比在千分之五内，则符合精度要求。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S6中的预处理包括中值滤波获得去噪后的图片，然后进行二值化并利用canny算子获得激光边缘。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S4中求取涂覆前后的激光中心线，具体为：进行霍夫变换检测直线，再旋转图片，然后获得激光上下边界的坐标信息，接着获得每列的最亮灰度值Q_i，根据该灰度值设定一个阈值Q_i-T，T为一个固定灰度值，按列将大于该阈值的点拟合成二次曲线，取曲线极值点所在坐标，将其作为该列的光心所在的坐标位置，最后利用这些光心坐标拟合成直线。