CN110736752A - 一种表面缺陷检测的光照方式、光照结构及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面缺陷检测的光照方式、光照结构及检测装置，表面缺陷检测的光照方式，采用环形光源照射被检测物表面，利用相机捕获没有被检测物表面反射的被检测物表面图像。为了避免从LED灯珠发出的光经过被检物体的曲面表面反射后直接进入镜头在相机中形成明亮的亮斑，从而影响对被检物体表面的特征进行检测，沿环形光源内侧周边设置挡光板；为了避免透明曲面元件底面的反射，沿环形光源内侧周边设置一对以上的弧形挡光板。本发明表面缺陷检测的光照方式，解决了因工件表面的光反射到机器视场，而导致的检测不准等缺陷；适于平面、曲面、透明等各种工件的表面检测。

Description

一种表面缺陷检测的光照方式、光照结构及检测装置

技术领域

本发明涉及一种表面缺陷检测的光照方式、光照结构及检测装置，属于表面缺陷检测领域。

背景技术

表面缺陷检测为对工件表面的斑点、凹坑、划痕、色差、缺损等缺陷进行检测，以确保工件的表面质量。

传统中，工件表面的缺陷是由人工检测的，然而随着科技的进步，人工检测正逐步被机器视觉测量所取代。机器视觉测量的方法为通过光源照射工件表面，再利用相机等捕获工件表面图像，通过对所捕获图像的评估完成工件表面缺陷的检测。现有技术中，照射到工件表面的光常会反射到相机等机器视场，使得一部分的被检表面被照明光源的像覆盖，导致无法获取被检表面的整体图像，致使检测误差大、甚至失败。尤其是针对表面为曲面或透明等工件的检查，更容易因表面的反射或表面和底面的共同反射，而导致检测不准的问题。

发明内容

本发明提供一种表面缺陷检测的光照方式、光照结构及检测装置，解决了因工件表面的光反射到机器视场，而导致的检测不准等缺陷，适于平面、曲面、透明等各种工件的表面检测。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种表面缺陷检测的光照方式，采用环形光源照射被检测物表面，利用相机捕获没有被检测物表面反射的被检测物表面图像。

也即在被捕获的被检测物表面图像中看不到LED的灯珠，对被检测物表面形成暗场照明。通过对被检测物表面图像评估完成表面缺陷的检测。对图像的评估参照现有技术即可，本申请对此没有特别改进。

作为其中一种优选的实现方式，将环形光源向被检测物方向照射形成均匀圆斑，被检测物位于均匀圆斑内；相机安装在环形光源的轴向上、且与被检测物分别位于环形光源的两侧。也即光源不垂直照射在被检测物上，而是通过环形光源光线的发散实现被检测表面的照射，检测时，可将被检测物、环形光源和相机从下到上依次排列，这样可尽可能的避免反射光线进入相机，进而保证检测的准确性。

环形光源包括环形支架和沿环形支架周边设置的LED灯珠，每个LED灯珠可以以0-90°之间的任何角度照射被检测物表面，优选，LED灯珠以15～75°的角度照射被检测物。比如可以是15°、30°、45°、60°、75°等。

由于每一个LED灯珠具有一定的发散角(例如15°、30°等，但不限于这些列举的数据，可以是0-90°之间的任意值)，当光线相互交叠到被检测物表面时，可以在被测物体表面形成一个均匀的圆斑型照明光场。如果把相机安装在环形光源轴向上，对被测物体表面进行成像，调整相机到环形光源的位置，可获得看不到LED灯珠的图像，这种对被检测物表面的照射，称之为均匀的暗场照明。

当被检测物表面不是平面，比如光学检测种常见的凸面或凹面等曲面，LED灯珠所发散的光经过被检测物表面的反射有可能直接进入相机内，使相机中的图像里直接看到LED灯珠的明亮的亮点或者亮斑，此时，暗场照明的条件被破坏了，那些出现LED亮斑的地方，由于亮度远远大于没有LED灯珠亮斑的其他区域，甚至导致相机在该处出现亮度饱和，其结果是出现LED灯珠亮斑的区域的表面特征将无法拍摄清楚，导致表面检测的失败。

在被检物体表面为凸面或凹面等曲面的情况下，为了避免从LED灯珠发出的光经过被检物体的曲面反射后直接进入镜头在相机中形成明亮的亮斑，从而影响对被检物体表面的特征进行检测，沿环形光源内侧周边设置挡光板，利用挡光板将挡光板背侧的光阻挡在被检测物表面以外，在被检测物的表面形成局部阴影，沿着环形光源的中心轴旋转挡光板，使阴影依次扫过被检测物的整个表面，利用相机获取每次旋转形成的阴影图像，从而获取了被检测物整个表面的阴影图像，以实现被测物表面的全覆盖检测。通过对阴影图像评估完成表面缺陷的检测，具体评估方法采用现有缺陷评估方法即可，本申请对所获取图像的具体评估没有改进。

优选，挡光板为弧形挡光板，弧形挡光板沿环形光源内侧周边设置。弧形挡光板的圆心角为0～360°、且不包括360°。弧形挡光板也即横截面为弧形的挡光板。弧形挡光板可与环形光源形成更好的匹配，也能更好地确保旋转的顺利进行。弧形挡光板的弧长小于环形光源内侧周长，也即挡光板不能将环形光源的全部光线都阻挡在被检测物表面以外。

弧形挡光板的弧长可以按照需要设计，可以是零到环形灯周长之间的任意值，优选为，1/8～1/2环形光源内侧周长。

在弧形挡光板的作用下，不管LED灯珠的如何发散，也不管被检物体的曲面如何变化，在弧形挡光板后面的LED灯珠所发出的光悉数被弧形挡光板阻挡而无法到达被被检测物表面，也就不可能通过被检测物表面的反射进入相机内形成LED灯珠的亮斑。不仅如此，由于弧形挡光板挡住了环形光源上部分的光线，使这部分光线无法到达被检测物体的表面，会在被检测物的表面形成局部阴影，称之为结构光下的局部暗场照明。在被检物体表面上的局部隐形里，由于没有LED灯珠亮斑的影响，被检物体表面上的特征可以清晰地成像，而未被挡光片遮挡的区域则无法完成对表面特征的拍照检测。为了实现对被检物体整个表面全面检查，可使弧形挡光板沿着环形光源的中心轴可控旋转，使阴影依次扫过被检测物体的表面，而位于环形光上面的相机则依次拍摄图片，从而实现对整个被检测物表面的检测。例如当弧形挡光板的弧长是环形光源内侧周边的1/4周长，当拍摄完第一张照片后，弧形挡光板旋转90度拍摄第二张照片，再旋转90度拍摄第三张照片，最后再旋转90度拍摄第四张照片，共三次旋转、四张照片完成对被检物表面的全覆盖检测。弧形挡光板旋转和控制可通过现有常规的脉冲驱动等方式实现。

上述旋转挡光片式的结构光，可以依次扫过被检物体的表面并拍摄照片完成对被检物体表面的全覆盖检测。然而，上述配置有一个缺陷，即当LED灯光的功率增大时，LED的灯光会大大增强，此时，如果被检物体比较特殊，比如是透明的光学零件，例如双凸、双凹、凹凸透镜时，虽然LED灯珠所发出的光不会从上表面反射进入相机的镜头形成LED亮斑，但是在合适的透镜参数配合下，LED灯珠所发出的光在被检测透镜的下表面反光，再通过上表面出射出来，会进入相机的镜头形成LED灯珠的光斑，影响对被检测物体表面的检测。为解决此问题，进一步作了如下改进：沿环形光源内侧周边设置一对以上的弧形挡光板，每对弧形挡光板结构相同、大小相等、且对称设置，在被检测物表面形成一对以上对称的局部阴影，沿着环形光源的中心轴同步旋转所有弧形挡光板，使阴影依次扫过被检测物体的表面，利用相机获取每次旋转形成的阴影图像，从而获取了整个被检测物表面的阴影图像，以实现表面检测。通过对阴影图像评估完成表面缺陷的检测。

当弧形挡光板为两对以上时，在被检测物表面形成明暗相间的条纹，沿着环形光源的中心轴同步旋转所有弧形挡光板，获取整个被检测物表面的阴影图像，完成对被检物体表面的全面检测。

用于实现上述光照方式的光照结构，包括环形光源，环形光源内侧设有能将环形光源上部分弧长的光线阻挡的挡光板，挡光板可绕环形光源中心轴旋转。

环形光源内侧设有能将环形光源上部分弧长的光线阻挡的挡光板，也即挡光板不能将环形光源上全部的光线都阻挡。

本申请上下、左右、顶部、底部等方位词，均指装置正常使用的相对位置。

优选，挡光板为弧形挡光板，弧形挡光板沿环形光源内侧周边设置。

上述弧形挡光板的弧长可以按照需要设计，可以是零到环形灯周长之间的任意值，当被测物表面为平面时，弧形挡光板的弧长可以是零，也即不设置弧形挡光板，当被测物表面为曲面时，为了避免放射光进入相机，最好设置弧形挡光板，为了兼顾检测效率和质量，优选，弧形挡光板的弧长为1/8～1/2环形光源内侧周长。

当被检测物为透明曲面元件，为了避免元件下表面反射光线进入相接，优选，弧形挡光板有一对以上，每对弧形挡光板结构相同、大小相等、且对称设置。

作为环形光源的一种实现方式，环形光源包括环形支架和沿环形支架周边设置的LED灯珠，每个LED灯珠可以以0-90°之间的任何角度照射被检测物表面，优选，LED灯珠以15～75°的角度照射被检测物。比如可以是15度、30度、45度、60度、75度等。

作为一种优选的实现方式，弧形挡光板通过沿环形支架周向设置的滑轨滑动连接在环形支架上。弧形挡光板可通过脉冲驱动等现有常规方式实现自动控制和旋转。

一种表面缺陷检测装置，包括支架、环形光源和相机；支架上从下到上依次设有载物台、光源支架和相机安装架；环形光源安装在光源支架上，环形光源的中心轴垂直于水平面(也即环形光源水平安装)，环形光源内侧设有能将环形光源上部分弧长的光线阻挡的挡光板，挡光板可绕环形光源中心轴旋转；相机安装在相机安装架上、且位于环形光源的正上方，载物台位于环形光源的正下方。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

本发明表面缺陷检测的光照方式，解决了因工件表面的光反射到机器视场，而导致的检测不准等缺陷；进一步，通过弧形挡光板的设置，避免了被检物表面为曲面时的反射光进入相机镜头形成明亮的亮斑，提高了检测的准确性；通过对称设置的弧形挡光板，避免了透明曲面元件底面的反射光进入相机镜头形成明亮的亮斑，提高了检测的准确性；适于平面、曲面、透明等各种工件的表面检测。

附图说明

图1为实施例1中光照结构示意图；

图2为实施例2中被检测物表面为曲面所获取的图像(暗场照明的条件被破坏)；

图3为实施例2中光照结构示意图；

图4为实施例3中光照结构示意图；

图5为实施例5中表面缺陷检测装置结构示意图；

图中，1为环形光源，2为被检测物表面，21为照明图案，22为局部阴影，3为弧形挡光板，4为支架，41为载物台，42为光源支架，43为相机安装架，5为相机。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

如图1所示，一种表面缺陷检测的光照方式，光照结构为环形光源，采用环形光源照射被检测物表面，利用相机捕获没有被检测物表面反射的被检测物表面图像。也即在被捕获的被检测物表面图像中看不到LED的灯珠，对被检测物表面形成暗场照明。

被检测物表面为平面结构，被检测物位于环形光源的正下方，被检测物与环形光源同轴心设置，将环形光源向被检测物方向照射形成均匀圆斑，被检测物位于均匀的圆斑内；相机安装在环形光源的轴向上方。

环形光源包括环形支架和沿环形支架周边设置的LED灯珠，每个LED灯珠以0-90°之间的任何角度照射被检测物表面，比如可以是15°、30°、45°、60°、75°等。

由于每一个LED灯珠具有一定的发散角(例如15°、30°等，但不限于这些列举的数据，可以是0-90°之间的任意值)，当光线相互交叠到被检测物表面时，可以在被测物体表面形成一个均匀的照明光场，如图1所示。如果把相机安装在环形光源轴向上，对被测物体表面进行成像，调整相机到环形光源的位置，获得看不到LED灯珠的图像，这种对被检测物表面的照射，称之为均匀的暗场照明。

实施例2

当被检测物表面不是平面，比如光学检测种常见的非透明的凸面或凹面等曲面，LED灯珠所发散的光经过被检测物表面的反射有可能直接进入相机内，使相机中的图像里直接看到LED灯珠的明亮的亮点或者亮斑，如图2所示，此时，暗场照明的条件被破坏了，那些出现LED亮斑的地方，由于亮度远远大于没有LED灯珠亮斑的其他区域，甚至导致相机在该处出现亮度饱和，其结果是出现LED灯珠亮斑的区域的表面特征将无法拍摄清楚，导致表面检测的失败。

如上所述，在被检物体表面为凸面或凹面等曲面的情况下，为了避免从LED灯珠发出的光经过被检物体的曲面反射后直接进入镜头在相机中形成明亮的亮斑，从而影响对被检物体表面的特征进行检测，如图3所示，在实施例1的基础上，进一步对光照结构做了如下改进：沿环形光源内侧周边设置弧形挡光板，弧形挡光板可绕环形光源中心轴旋转，利用弧形挡光板将弧形挡光板背侧的光阻挡在被检测物表面以外，在被检测物的表面形成局部阴影，如图3所示，沿着环形光源的中心轴旋转弧形挡光板，使阴影依次扫过被检测物的整个表面，利用相机获取每次旋转形成的阴影图像，从而获取了被检测物整个表面的阴影图像，以实现被测物表面的全覆盖检测，通过对阴影图像评估完成表面缺陷的检测，弧形挡光板的弧长小于环形光源内侧周长。

弧形挡光板的弧长可以按照需要设计，可以是零到环形灯周长之间的任意值，例如1/8、1/6或1/4环形光源内侧周边。

在弧形挡光板的作用下，不管LED灯珠的如何发散，也不管被检物体的曲面如何变化，在弧形挡光板后面的LED灯珠所发出的光悉数被弧形挡光板阻挡而无法到达被被检测物表面，也就不可能通过被检测物表面的反射进入相机内形成LED灯珠的亮斑。不仅如此，由于弧形挡光板挡住了环形光源上部分的光线，使这部分光线无法到达被检测物体的表面，会在被检测物的表面形成局部阴影，称之为结构光下的局部暗场照明。在被检物体表面上的局部隐形里，由于没有LED灯珠亮斑的影响，被检物体表面上的特征可以清晰地成像，而未被挡光片遮挡的区域则无法完成对表面特征的拍照检测。为了实现对被检物体整个表面全面检查，可使弧形挡光板沿着环形光源的中心轴可控旋转，使阴影依次扫过被检测物体的表面，而位于环形光上面的相机则依次拍摄图片，从而实现对整个被检测物表面的检测。例如当弧形挡光板的弧长是环形光源内侧周边的1/4周长，如图3所示，当拍摄完第一张照片后，旋转90度拍摄第二张照片，再旋转90度拍摄第三张照片，最后再旋转90度拍摄第四张照片，共三次旋转、四张照片完成对被检物表面的全覆盖检测，得到整个被检测物表面的阴影图像。

实施例3

实施例2中，旋转挡光片式的结构光，可以依次扫过被检物体的表面并拍摄照片完成对被检物体表面的全覆盖检测。然而，上述配置有一个缺陷，即当LED灯光的功率增大时，LED的灯光会大大增强，此时，如果被检物体比较特殊，比如是透明的光学零件，例如双凸、双凹、凹凸透镜时，虽然LED灯珠所发出的光不会从上表面反射进入相机的镜头形成LED亮斑，但是在合适的透镜参数配合下，LED灯珠所发出的光在被检测透镜的下表面反光，再通过上表面出射出来，会进入相机的镜头形成LED灯珠的光斑，影响对被检测物体表面的检测。为解决此问题，如图4所示，在实施例2的基础上，进一步对光照结构作了如下改进：沿环形光源内侧周边设置一对结构相同、大小相等、且对称设置弧形挡光板，在被检测物表面形成一对以上对称的局部阴影，沿着环形光源的中心轴同时、同步旋转所有弧形挡光板，使阴影依次扫过被检测物体的表面，利用相机获取每次旋转形成的阴影图像，从而获取了整个被检测物表面的阴影图像，以实现表面检测。

实施例4

在实施例3的基础上，进一步作了如下改进：弧形挡光板为两对以上，这样在被检测物表面形成明暗相间的条纹，沿着环形光源的中心轴同时、同步旋转所有弧形挡光板，获取整个被检测物表面的阴影图像，完成对被检物体表面的全面检测。相比于实施例3提高了检测效率。

实施例5

如图5所示，表面缺陷检测装置，包括支架、环形光源、弧形挡光板和相机；支架上从下到上依次设有载物台、光源支架和相机安装架；环形光源安装在光源支架上，环形光源安的中心轴垂直于水平面，弧形挡光板通过沿环形支架周向设置的滑轨滑动连接在环形支架上，弧形挡光板可绕环形光源中心轴旋转，弧形挡光板可通过脉冲驱动等现有常规方式实现自动控制和旋转，当相机捕获照片后、弧形挡光板自动旋转一次，如图3所示，当弧形挡光板的弧长是环形光源内侧周边的1/4周长，当相机拍摄完第一张照片后，弧形挡光板旋转90°拍摄第二张照片，再旋转90度拍摄第三张照片，最后再旋转90度拍摄第四张照片，共三次旋转、四张照片完成对被检物表面的全覆盖检测；弧形挡光板的弧长小于环形光源内侧周长，相机安装在相机安装架上、且位于环形光源的正上方，载物台位于环形光源的正下方。

Claims (10)

1.一种表面缺陷检测的光照方式，其特征在于：采用环形光源照射被检测物表面，利用相机捕获没有被检测物表面反射的被检测物表面图像。

2.如权利要求1所述的种表面缺陷检测的光照方式，其特征在于：在环形光源内侧设置挡光板，利用挡光板将挡光板背侧的光阻挡在被检测物表面以外，在被检测物的表面形成局部阴影，沿着环形光源的中心轴旋转挡光板，使阴影依次扫过被检测物的整个表面，利用相机获取每次旋转形成的阴影图像，从而获取了被检测物整个表面的阴影图像，通过对阴影图像评估完成表面缺陷的检测。

3.如权利要求2所述的种表面缺陷检测的光照方式，其特征在于：挡光板为弧形挡光板，弧形挡光板沿环形光源内侧周边设置，弧形挡光板的弧长小于环形光源内侧周长。

4.如权利要求3所述的种表面缺陷检测的光照方式，其特征在于：弧形挡光板的弧长为1/8～1/2环形光源内侧周长。

5.如权利要求3所述的种表面缺陷检测的光照方式，其特征在于：沿环形光源内侧周边设置一对以上的弧形挡光板，每对弧形挡光板结构相同、大小相等、且对称设置，在被检测物表面形成一对以上对称的局部阴影，沿着环形光源的中心轴同步旋转所有弧形挡光板，使阴影依次扫过被检测物体的表面，利用相机获取每次旋转形成的阴影图像，从而获取了整个被检测物表面的阴影图像，通过对阴影图像评估完成表面缺陷的检测。

6.如权利要求1-5任意一项所述的种表面缺陷检测的光照方式，其特征在于：将环形光源向被检测物方向照射形成均匀圆斑，被检测物位于均匀圆斑处；相机安装在环形光源的轴向上、且与被检测物分别位于环形光源的两侧。

7.一种表面缺陷检测的光照结构，其特征在于：包括环形光源，环形光源内侧设有能将环形光源上部分弧长的光线阻挡的挡光板，挡光板可绕环形光源中心轴旋转。

8.如权利要求7所述的表面缺陷检测的光照结构，其特征在于：环形光源包括环形支架和沿环形支架周边设置的LED灯珠，LED灯珠以15～75°的角度照射被检测物。

9.如权利要求8所述的表面缺陷检测的光照结构，其特征在于：挡光板为弧形挡光板，弧形挡光板通过沿环形支架周向设置的滑轨滑动连接在环形支架上。

10.包含权利要求7-9任意一项所述的光照结构的表面缺陷检测装置，其特征在于：还包括支架和相机；支架上从下到上依次设有载物台、光源支架和相机安装架；环形光源安装在光源支架上，环形光源的中心轴垂直于水平面；相机安装在相机安装架上、且位于环形光源的正上方，载物台位于环形光源的正下方。

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