CN110261322B - 一种瓶装透明溶液微小杂质检测光学成像系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于瓶装透明溶液微小杂质检测的光学成像系统和方法，包括：光源、光源滤光系统、相机、相机滤光系统。通过本发明的光学成像系统和方法，可以准确分辨出瓶内杂质，而不会受到瓶身干扰和瓶内气泡干扰，同时具有检测率高、误检率低的优点。上述优势使本发明具有前沿的技术特点和优良的推广价值。

Description

一种瓶装透明溶液微小杂质检测光学成像系统和方法

技术领域

本发明涉及自动化生产过程，特别是一种瓶装透明溶液微小杂质检测的光学成像系统。

背景技术

在白酒、黄酒、饮料、矿泉水等透明溶液的灌装过程中，由于灌装容器、封盖内含有杂质，或液体在过滤、输送过程中产生杂质，导致灌装后溶液存在杂质、异物的风险。对于相关产品生产商，市场上内杂质投诉往往时有发生。这不仅侵害了消费者的身心健康，同时对生产商带来了显著的经济损失和恶劣的市场影响。所以各相关生产厂商均将产品内杂质异物视为严重的质量事故，每年投入巨大费用和人力用于尽力避免此类质量事故的发生。

传统的杂质检测往往采用大量人工灯检的方法，但该方法具有显著的缺点：人力消耗大导致人力成本逐年快速提升、工作枯燥损伤视力导致招工难问题愈发严重、灯检质量和稳定性偏低、不适应越来越快的生产线需求。随着我国自动化、智能化装备的研究和普及，自动灯检机逐渐产生。但是同时我们看到，不同于药品行业的自动灯检机逐渐成熟使用，酒类饮料行业的灯检机至今难以见到性能优秀的成熟产品。其原因在于后者的包材质量、生产需求和溶液性质与安瓿瓶、大输液等药品完全不同，所以研究能够满足适应酒类、饮料行业的自动灯检技术是我国相关行业由传统手工操作向自动化、智能化转换的关键点。

纵观酒类、饮料行业的自动灯检设备原理，大致分为两类：一类是由人工灯检习惯演化来的翻转方式 [1] ，另一类是由药品灯检机演化来的旋转方式。这两种方式各具有优缺点，但是同时存在两个共性的问题：

1.无论采用旋转或翻转均或多或少会产生气泡，而由于溶液表面张力大，小气泡不容易上升消散，从而在相机拍摄时易与瓶内杂质相混淆，造成严重的误检问题。针对该问题，一些学者提出了分辨气泡和杂质的方法 [2][3] ，但均达不到工业级应用的准确率。

2.通过多张图像比对的方法区分瓶身划痕结石和瓶内杂质，如果采用多个相机分别拍摄的方法 [1] ，不同相机的安装差异会带来显著的影响，而如果同时引入大量气泡干扰，则可能造成判别混淆。所以瓶身划痕结石和瓶内杂质的区分亦需要屏蔽气泡干扰。

[1]蒋建忠,崔纯，吴旭伟，等.一种白酒低密度极轻异物自动检测方法及装置[P].中国专利：201810421124,2018-05-04。

[2]薛婷，陈彦龙，吴斌.基于视觉的酒液中异物自动识别方法研究[J].光电子·激光，2012，23(11):2149-2153。

[3]邵志敏，张意，张卫华，等.基于机器视觉的瓶装白酒杂质检测[J].四川大学学报(自然科学版)，2019，56(2):235-240。

[4]陈秀武.关于全反射波偏振态的讨论[J].甘肃教育学院学报(自然科学版),2002,16(2):80-83。

发明内容

本发明提供了一种瓶装透明溶液微小杂质检测的光学成像系统和方法，可以显著区分瓶内黑色杂质、白色杂质、气泡、瓶身划痕结石，能够将瓶内杂质和其他影响因素区分。

本发明的技术方案是：一种用于瓶装透明溶液微小杂质检测的光学成像系统，其特征在于：包括：光源、光源滤光系统、待检测容器、相机、相机滤光系统，其中光源和相机安装于待检测容器的两侧，采用背光照明，光源滤光系统安装于光源和待检测容器之间，相机滤光系统安装于相机和待检测容器之间；所述的光源滤光系统放置或粘贴于光源和待检测容器之间，分为两层，第一层为偏振膜，第二层为减光膜或特定波段的带通滤光膜，分别对应三类波段光源的第一二类和第三类；相机滤光系统放置或安装于相机和待检测容器之间，分为两个部分，一是分光结构，用于使单个相机同时呈现2个相互不重叠的容器的像，通过菲涅尔棱镜或半透镜实现；另一部分为偏振镜或偏振膜，其偏振方向与光源滤光系统的偏振方向相垂直。

本发明所述的光源采用白光光源、单波段光源或特定复合波段光源，平面光源或弧形光源中的任意一种或多种组合。

本发明通过相机可观测到的容器区域背部光源区域为光源区域A，容器周围区域背部光源区域为光源区域B，则设定为光源区域A亮度显著低于的光源区域B的亮度，或光源区域A和光源区域B的光谱有显著差异，由于相机所接收到的气泡反射光有显著区域来源于光源区域B，而黑色杂质透光率低，通过判别图像中某个疑似杂质区域的亮度显著偏高或带有光源区域B的光谱颜色，则可以确定该疑似杂质区域为气泡。

本发明瓶身划痕、结石通过上述系统不能完全与瓶内杂质相区分，通过连续多张拍摄比对的方法判定在不同图像中某个疑似杂质是否显著运动，以判定该疑似杂质是否为瓶内杂质。

其中光源和相机安装于待检测容器的两侧，采用背光照明。光源滤光系统安装于光源和待检测容器之间，用于产生偏振光和不同区域亮暗差异或光谱差异。相机滤光系统安装于相机和待检测容器之间，用于偏振消光和分光。

本发明光源的选择依据如下，根据待检测容器特性，从波段分可以选择白光光源、单波段光源或特定复合波段光源，如果容器为无色透明可任意选择以上三种，如果容器为某种颜色一般选择前两种。根据设备安装需求从形状分可选用平面光源或弧形光源等，在具体实施例中将给出几种针对不同应用场合的光源结构。

本发明相机选择与光源向配合，使用黑白相机、彩色相机/多光谱相机，此方面为相关专业人员熟稔，不再赘述，通过相机滤光系统中是否包含分光系统，可以选择每套光源配合单个相机或多个相机。

本发明相机滤光系统放置或安装于相机和待检测容器之间。分为两个部分。一是分光结构，用于使单个相机同时呈现2个相互不重叠的容器的像，一般通过菲涅尔棱镜或半透镜等方法实现。如果采用双相机或多相机结构，则可以不使用分光系统。另一部分为偏振镜或偏振膜，其偏振方向与光源滤光系统的偏振方向相垂直。若使用分光结构，则在一半的像上加装偏振，另一半无偏振；若为双相机结构，则一个相机加装偏振，另一个不装。其原理根据文献[4]可知，偏振光经过气泡反射后为椭圆偏振光，经相机滤光系统的偏振消光后几乎没有能量通过，而白色杂质的透光偏振态被破坏，为近似圆偏振光，经过相机滤光系统的偏振消光后仍有显著能量通过。以此可以区分气泡和杂质。

本发明的瓶身划痕、结石的检测方法，瓶内气泡影响已经消除，而瓶内杂质和瓶身划痕结石皆比较少，所以不宜形成相互干扰，可以通过多张比对显著区分。

由上述技术方案可知，本发明的瓶装透明溶液微小杂质检测的光学成像系统，可以显著区分瓶内黑色杂质、白色杂质、气泡、瓶身划痕结石，能够将瓶内杂质和其他影响因素区分，具有：适用产品范围广；同时适用于旋转和翻转两种最常见检测方式；由于在成像端进行区分，所以对图像检测算法要求低和计算量小；容错能力强；检出率高、误检率低等优势，上述优势使本发明具有前沿的技术特点和优良的推广价值。

附图说明

图1为本发明实施例提供的瓶装透明溶液微小杂质检测的光学成像系统结构示意图。

图2为本发明实施例提供的瓶装透明溶液微小杂质检测的光学成像系统结构在容器公转过程中使用的一种结构示意图。

附图标记：1为光源；2-3为光源滤光系统，其中2为减光膜或特定波段的带通滤光膜，3为偏振膜；4为待检测容器；5-6为相机滤光系统，其中5为偏振膜或偏振镜，其偏振方向与3相垂直，6为分光系统；7为相机。

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。

图1本发明系统的基本结构，可应用于相机与光源固定或往复运动的翻转或旋转灯检机上，图2是图1结构的变形，其原理相同，但更方便用于光源固定相机随容器旋转的翻转或旋转灯检机上。

当4为全透明容器时，1可选为指定两种或多种光谱组合的光源，2为指定光谱的带通滤光膜；而当4自身有颜色时，1一般为白光光源或与4颜色相同的单光谱光源，2为减光膜。

1所发出的光被分为两个部分，一部分经过2和3滤光，另一部分仅经过3滤光。前者被4内溶液透射后经过5、6进入7成像；而后者经过4内溶液透射后不能进入7，仅能够通过4内气泡表面反射，或4内白色杂质透射或反射后才能够经过5、6进入7成像。因此，当4内仅为纯净液体时，7所成像的4背面区域没有后者的光参与，但像中发现某区域明显存在后者的光成像，则仅有三种可能：气泡、白色杂质和瓶身划痕结石。当瓶内存在黑色杂质且可视时，在7的像上该杂质区域为黑斑，由此可以将黑色杂质准确地检测出来。

而另一方面，1所发出的光经过3和5后，气泡和黑色杂质均被显著消光，仅有白色杂质、瓶身上的一些干扰可以在7所成的像上有明显的亮斑。由此可以将白色杂质准确地检测出来。

当容器经过翻转或高速旋转后，若为同一个相机拍摄多张图像，则可以通过将没有显著运动的黑斑或白斑视为瓶身干扰，以进一步消除误检。但若为不同相机拍摄多张图像，则首先需要将这多张图像进行配准后方能够进行上述步骤。

对于图1和图2中的6而言，如果7配备为双相机，则6可以取消，5安装于其中一个相机前。

图2中1、2、3、5静止，4和7相对静止并绕圆周运动。2和5交错安装，即相机7被2的某一片减光膜遮挡时正好处于5的两片偏振膜之间空隙；而相机7被5的某片偏振膜遮挡时，正好处于2的两片减光膜之间的空隙。1为分段控制弧形光源，与2的分布同样分为多段独立控制是否点亮。当4处于2中某块减光膜正对位置时，1的点亮区域为2对应减光膜和减光膜两侧至下一片减光膜之间的空隙区域。当4和7处于被5中某片偏振膜遮挡时，1为对应可见的两片减光膜之间的空袭区域点亮。

对于图2的结构，其优点为光源制作和控制简单，成本低，可以实现白色杂质和黑色杂质的交替检测；但缺点也很明显，即拍摄图像张数比较少，且拍照间隔时间较长。为了规避上述缺点，可以将图2种的5、7替换为图1的5、6、7结构或双相机结构，同时将图2种1、2替换为如下方案：

1不再作为分段控制光源以相同亮度分段点亮，而是更精细地可控制1的任意区域亮度或颜色点亮，每次拍照仅7可拍摄区域周围的1区域点亮，且按照点亮区域中间较暗、边缘较亮或中间和边缘颜色不同点亮，每次7拍照后根据下次拍摄要求快速调整1的点亮区域和亮度或颜色分布，以配合下次4和7的位置，准备进行下次拍照。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的权利要求保护的范围。

Claims (2)

1.一种用于瓶装透明溶液微小杂质检测的光学成像系统，其特征在于：包括：光源、光源滤光系统、待检测容器、相机、相机滤光系统，其中光源和相机安装于待检测容器的两侧，采用背光照明，光源滤光系统安装于光源和待检测容器之间，相机滤光系统安装于相机和待检测容器之间；所述的光源滤光系统放置或粘贴于光源和待检测容器之间，分为两层，第一层为第一偏振膜，第二层为减光膜或特定波段的带通滤光膜；相机滤光系统放置或安装于相机和待检测容器之间，分为两个部分，一是分光结构，用于使单个相机同时呈现2个相互不重叠的容器的像，通过菲涅尔棱镜或半透镜实现；另一部分为偏振镜或第二偏振膜，其偏振方向与光源滤光系统的偏振方向相垂直；

当待检测容器为全透明容器时，光源为指定多种光谱组合的光源，第二层为指定光谱的带通滤光膜；而当待检测容器自身有颜色时，光源为白光光源或与待检测容器颜色相同的单光谱光源，第二层为减光膜；

光源所发出的光被分为两个部分，一部分经过减光膜或特定波段的带通滤光膜和第一偏振膜滤光，另一部分仅经过第一偏振膜滤光，前者被待检测容器内溶液透射后经过偏振镜或第二偏振膜、分光结构进入相机成像；而后者经过待检测容器内溶液透射后不能进入相机，仅能够通过待检测容器内气泡表面反射，或待检测容器内白色杂质透射或反射后才能够经过偏振镜或第二偏振膜、分光结构进入相机成像，因此，当待检测容器内仅为纯净液体时，相机所成像的待检测容器背面区域没有后者的光参与，但像中发现某区域明显存在后者的光成像，则仅有三种可能：气泡、白色杂质和瓶身划痕结石，当瓶内存在黑色杂质且可视时，在相机的像上该杂质区域为黑斑，由此可将黑色杂质准确地检测出来；

而另一方面，光源所发出的光经过第一偏振膜和第二偏振膜或偏振镜后，气泡和黑色杂质均被显著消光，仅有白色杂质、瓶身上的一些干扰可以在相机所成的像上有明显的亮斑，由此可以将白色杂质准确地检测出来；

当容器经过翻转或高速旋转后，若为同一个相机拍摄多张图像，则可以通过将没有显著运动的黑斑或白斑视为瓶身干扰，以进一步消除误检。

2.一种利用权利要求1所述的用于瓶装透明溶液微小杂质检测的光学成像系统的瓶装透明溶液微小杂质检测方法，其特征在于：当待检测容器为全透明容器时，光源为指定多种光谱组合的光源，第二层为指定光谱的带通滤光膜；而当待检测容器自身有颜色时，光源为白光光源或与待检测容器颜色相同的单光谱光源，第二层为减光膜；

光源所发出的光被分为两个部分，一部分经过减光膜或特定波段的带通滤光膜和第一偏振膜滤光，另一部分仅经过第一偏振膜滤光，前者被待检测容器内溶液透射后经过偏振镜或第二偏振膜、分光结构进入相机成像；而后者经过待检测容器内溶液透射后不能进入相机，仅能够通过待检测容器内气泡表面反射，或待检测容器内白色杂质透射或反射后才能够经过偏振镜或第二偏振膜、分光结构进入相机成像，因此，当待检测容器内仅为纯净液体时，相机所成像的待检测容器背面区域没有后者的光参与，但像中发现某区域明显存在后者的光成像，则仅有三种可能：气泡、白色杂质和瓶身划痕结石，当瓶内存在黑色杂质且可视时，在相机的像上该杂质区域为黑斑，由此可将黑色杂质准确地检测出来；

而另一方面，光源所发出的光经过第一偏振膜和第二偏振膜或偏振镜后，气泡和黑色杂质均被显著消光，仅有白色杂质、瓶身上的一些干扰可以在相机所成的像上有明显的亮斑，由此可以将白色杂质准确地检测出来；

当容器经过翻转或高速旋转后，若为同一个相机拍摄多张图像，则可以通过将没有显著运动的黑斑或白斑视为瓶身干扰，以进一步消除误检。

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