CN111579564B - 一种透明平板缺陷和屈光度变化检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透明平板缺陷及屈光度变化检测系统，包括亮场通道梯度光源、暗场通道光源、莫尔条纹光源及摄像装置；亮场通道梯度光源照射透明平板，摄像装置采集第一图像，所述第一图像检测透明平板内部缺陷和表面缺陷；暗场通道光源照射透明平板，摄像装置采集第二图像，并结合第一图像，检测出透明平板表面缺陷；莫尔条纹光源照射所述透明平板，摄像装置采集第三图像，根据第三图像中的莫尔条纹的变形程度推算透明平板的屈光度变化。本发明还公开了相应的检测方法。本检测系统和检测方法，能够检测透明平板的表面缺陷、内部缺陷和屈光度变化，检测结果准确，精度高，而且成本低廉。

Description

一种透明平板缺陷和屈光度变化检测系统及方法

技术领域

本发明属于物体缺陷及屈光度变化检测领域，具体涉及到一种透明平板缺陷和屈光度变化检测系统及方法。

背景技术

专利申请2018102203390公布了一种基于二维光照的透明平板缺陷检测装置及方法，装置包括：检测台，用于承载待检测的透明平板；检测台固定连接有照明装置、且两个照明装置分别位于检测台的相邻两侧；照明装置发射出的线性光源平行于透明平板，并穿过透明平板；在检测台的上方设置有图像采集装置，用于向下采集透明平板在通过照明装置的二维侧向照光之后的图像。方法包括：根据缺陷处的折射率与透明平板的折射率不同而产生全反射或折射，在图像处理阶段根据灰度值的变化梯度来确定缺陷的存在，由机器视觉技术进行快速高效处理判别。但是，此专利申请涉及到的装置和方法比较复杂，检测精度比较低。

发明内容

本发明提供了一种透明平板缺陷和屈光度变化检测装置，其目的在于简化透明平板缺陷和屈光度变化检测装置，提高透明平板的缺陷和屈光度变化检测精度。

本发明是这样的：

一种透明平板缺陷及屈光度变化检测系统，包括亮场通道梯度光源、暗场通道光源、莫尔条纹光源及摄像装置；所述亮场通道梯度光源照射透明平板，所述摄像装置采集第一图像，根据所述第一图像检测所述透明平板内部缺陷和表面缺陷；所述暗场通道光源照射透明平板，所述摄像装置采集第二图像，并结合所述第一图像，检测出所述透明平板表面缺陷；所述莫尔条纹光源照射所述透明平板，所述摄像装置采集第三图像，根据所述第三图像中的莫尔条纹的变形程度推算所述透明平板的屈光度变化。

进一步地：所述亮场通道梯度光源内设置有一片阴阳膜；所述亮场通道梯度光源和所述摄像装置成反射角位置布置；当所述亮场通道梯度光源发出的入射光照射到所述透明平板时并经所述透明平板反射时，反射光进入所述摄像装置，摄像装置里拍摄到的所述第一图像呈现为亮场，同时所述摄像装置聚焦的所述亮场通道梯度光源投影到所述透明平板表面的黑白交界处：若所述平板表面是均匀的，则所述第一图像也是均匀的；若所述平板内部有缺陷，所述第一图像会呈现以内核为中心的一黑一白的蝴蝶斑。

进一步地：当所述亮场梯度光源以一定角度入射所述透明平板，若所述第一图像出现有叠影，则表面缺陷在所述透明平板的入射光那一面；若所述第一图像没有叠影，则表面缺陷在所述透明平板的和入射光相对的另一面；

进一步地：所述暗场通道光源和所述摄像装置成大角度夹角；若所述第二图像是黑色，则表明所述透明平板内部无缺陷。

进一步地：所述莫尔条纹光源内部设置有两张黑白光栅膜，若所述透明平板的屈光度发生变化，则所述莫尔条纹会发生变形。

本发明还公布了一种透明平板缺陷及屈光度变化检测方法，包括如下步骤：

步骤1：用亮场通道梯度光源照射透明平板，用摄像装置采集第一图像，根据所述第一图像检测出所述透明平板内部缺陷和表面缺陷；

步骤2：用暗场通道光源照射所述透明平板，用所述摄像装置采集第二图像；根据所述第二图像并结合所述第一图像，检测出所述透明平板表面缺陷；

步骤3：用莫尔条纹光源照射所述透明平板，用所述摄像装置采集第三图像，根据所述第三图像中的莫尔条纹的变形程度推算所述透明平板的屈光度变化。

进一步地：在步骤1中，根据所述第一图像检测出所述透明平板内部缺陷和表面缺陷的具体方法为：

步骤11：在所述亮场通道梯度光源内设置一片阴阳膜；

步骤12：将所述亮场通道梯度光源和所述摄像装置成反射角位置布置；

步骤13：当所述亮场通道梯度光源发出的入射光照射到所述透明平板时并经所述透明平板反射时，反射光进入所述摄像装置，摄像装置里拍摄到的所述第一图像呈现为亮场，所述摄像装置聚焦的所述亮场通道梯度光源投影到所述透明平板表面的黑白交界处：若所述平板表面是均匀的，则所述第一图像也是均匀的；若所述平板内部有缺陷，反射的光线角度会发生偏转，偏离镜头的光线在所述第一图像上比基准亮度暗，偏向镜头的光线在所述第一图像上比基准亮度高；所述第一图像会呈现以内核为中心的一黑一白的蝴蝶斑。

进一步地：当所述亮场梯度光源以一定角度入射所述透明平板，若所述第一图像出现有叠影，则表面缺陷在所述透明平板的入射光那一面；若所述第一图像没有叠影，则表面缺陷在所述透明平板的和入射光相对的另一面。

进一步地：在步骤2中，所述暗场通道光源和所述摄像装置成大角度夹角；若所述第二图像是黑色，则表明所述透明平板内部无缺陷。

进一步地：在步骤3中，所述莫尔条纹光源内部设置有两张黑白光栅膜，若所述透明平板的屈光度发生变化，则所述莫尔条纹会发生变形。

本发明的有益效果：本发明通过使用时分复用技术，依次用亮场通道梯度光源、暗场通道光源和莫尔条纹光源照射透明平板，然后用一组相机依次采集第一图像、第二图像和第三图像，根据第一图像能够检测透明平板的表面缺陷和内部缺陷；根据第二图像并结合第一图像能检测出透明平板用亮场通道梯度光源无法检测出的表面缺陷，也就是说，根据第二图像能检测出的透明平板的缺陷比用根据第一图像检测出的缺陷尺寸更小，检测结果更精确；根据第三图像中的莫尔条纹的变形程度推算透明平板的屈光度变化。在采集第一图像，第二图像和第三图像过程中，只用一组摄像装置就能对这三种图像分别进行处理，从而节约了成本。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为阴阳膜的结构示意图；

图3为黑白光栅膜示意图；

图4为图3的B处放大图；

图5为光的折光能力的光路示意图；

图6为莫尔条纹测量光路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1，图1为本发明公布的结构示意图，包括亮场通道梯度光源1、暗场通道光源2、莫尔条纹光源3和摄像装置5；用亮场通道梯度光源1照射透明平板4，然后经透明平板4反射，反射光入射到摄像装置5，摄像装置5 采集第一图像。根据第一图像检测所述透明平板内部缺陷和表面缺陷。接着用暗场通道光源2照射透明平板4，然后经透明平板4反射，反射光入射到摄像装置5，摄像装置5采集第二图像，将第二图像和第一图像结合，检测出透明平板4的表面缺陷；最后用莫尔条纹光源从透明平板4的另一侧照射，经透明平板4折射后，折射光入射至摄像装置5，摄像装置5采集第三图像，根据第三图像中的莫尔条纹的变形程度推算透明平板的屈光度变化。

下面具体展开描述如何根据第一图像检测透明平板内部缺陷和表面缺陷，以及根据第二图像和第一图像检测透明平板的表面缺陷，还有如何根据第三图像中的莫尔条纹的变形程度推算透明平板的屈光度变化。

1.如何根据第一图像检测透明平板内部缺陷和表面缺陷。

参考图1，亮场通道梯度光源1与摄像装置5相对于透明平板4成入射关系与反射关系位置布置，因此进入透明平板4表面的光线反射进入摄像装置5，摄像装置5采集第一图像，因此第一图像上呈现为亮场，与此同时，由于亮场通道梯度光源1内部设计一片如图2所示的阴阳膜6(阴阳膜6的一部分为透光区域61，另一部分为不透光区域62，透光区域61和不透光区域62的交界处为黑白交界处)，摄像装置5聚焦在亮场通道梯度光源1的投影到透明平板4表面的黑白交界处。

由于亮场通道梯度光源1的作用，因此可以检出透明平板4的内部缺陷，这是因为：由于在透明平板4表面上投影出黑白交界面，正常情况下，透明平板4的表面是均匀的，因而在成像上也是均匀的，当透明平板4内部有缺陷的时候，由于内部缺陷会引起透明平板表面变形，平板内部折射率也会发生变化，当梯度光源的光线到达缺陷的时候，反射的光线角度会发生偏转，偏离镜头的光线在第一图像上比基准亮度暗，偏向镜头的光线在第一图像上比基准亮度高，因此内部缺陷会呈现以内核为中心的一黑一亮的蝴蝶斑，这个蝴蝶斑便是区别内部缺陷还是外部缺陷的参照。即如果在第一图像上出现有内核为中心的一黑一亮的蝴蝶斑，则透明平板4肯定有内部缺陷。

由于透明平板4表面是镜面反射，因此亮场通道梯度光源1对透明平板4 的表面缺陷也会比较敏感，可以检出表面划伤，污渍、灰尘等缺陷。同时由于亮场梯度光源以一定的角度入射，因此对于表面的缺陷通过判断成像是否有叠影，便可判断是正面或者是背面。参考图1，假设表面缺陷在透明平板4 的下表面，即和摄像装置异侧的透明平板的那一面，得到的第一图像中没有叠影现象，只有一个像。假设缺陷在透明平板4的上表面，即处于和摄像装置5同侧的透明平板的那面，第一图像中会出现叠影现象，就会出现两个像。因此可以判断出透明平板4的上表面或者下表面出现了缺陷。

综上所述，利用亮场通道梯度光源1对透明平板4的照射，然后用摄像装置5采集到相应的第一图像，根据第一图像中是否出现一黑一亮的蝴蝶斑，判断出透明平板4是否有内部缺陷：若有蝴蝶斑，则检测出透明平板4有内部缺陷；若没有蝴蝶斑，则检测出透明平板4没有内部缺陷；根据第一图像中是否出现叠影或者重影，判断透明平板4的两个表面是否有缺陷：若第一图像中出现叠影或者重影，则说明透明平板4中和位于亮场通道梯度光源1 同侧的表面有缺陷；若第一图像中未出现叠影或者重影，则说明透明平板4 中处于亮场通道梯度光源1的另一侧的表面有缺陷。这里的表面缺陷包括但不限于表面划伤，污渍、灰尘等。

2.如何根据第二图像检测透明平板的表面缺陷。

参考图1，当用亮场通道梯度光源1照射完透明平板4，并经摄像装置5 采集第一图像后，接着用暗场通道光源2照射透明平板4。暗场通道光源2与摄像装置5成大角度夹角，即比亮场通道梯度光源1与摄像装置5之间的夹角要大。由于夹角比较大，因此暗场通道光源2入射到透明平板4上的大部分光线经反射后无法进入摄像装置5，所以在透明平板4无缺陷情况下，第二图像是黑色的。

3.如何利用第三图像中的莫尔条纹的变形程度推算透明平板的屈光度变化。

在图1中，莫尔条纹光源3和摄像装置5分别设置在透明平板4的两侧，即莫尔条纹光源3发出的光经透明平板4折射后，折射光入射到摄像装置5，摄像装置采集第三图像。

参考图3和图4，莫尔通道是通过两幅规格一致的黑白光栅，以一定的角度叠加所产生的黑白交替的条纹(莫尔条纹光源内部有两张黑白光栅膜)。当光线经过莫尔条纹之后，就相当于光线经过了调制，如果是透明平板，由于各种原因(包括内部缺陷、退火导致的不均匀)引起的屈光度变化，就会造成莫尔条纹变形。根据莫尔条纹变形的严重程度，就可以推算出屈光度的一个变化，或者说是光学畸变大小。

在畸变检测中，以光的折光能力来评价的光畸变。参考图5，光的折光能力的定义Δα＝δ2-δ1，δ1表示上面的入射光经玻璃折射后，出射光和入射光之间的夹角；δ2表示下面的入射光经玻璃折射后，出射光和入射光之间的夹角；Δα表示δ2与δ1之间的夹角差；Δx表示上、下两平行入射光之间的距离；/>是光学常数，dpt是屈光度。

根据几何光学，两边介质相同时，屈光度D可以表示为：

f表示玻璃的折射率。

莫尔条纹与表面屈光度的关系，如图6所示：G1、G2是两块刻线与X轴相互垂直的光栅，G1被固定，G2可以旋转，P是缓变物体。当一束平行光经过G1和P时，根据泰伯成像原理，经过G1的衍射光会在泰伯距离上成像，其像包含了位相体P的位相信息。当此像与G2光栅叠加后，会形成莫尔条纹。假设G1和G2有一个微小夹角θ，则莫尔条纹方程可表示为：

其中：q＝0，±1，±2，±3，......，d为光栅栅距，D(X，Y，Z₀)为位相体的波面形变量，Δ为物体P与光栅G2之间的距离。

玻璃由于表面形变量很小，故可以看成是位相缓变的物体，经推导条纹方程可以表示为：

上式说明，光栅中加入透镜后，所形成的莫尔条纹方程，对于给定f 值的单个透镜来说，莫尔条纹图像仍然是一组直线系，但是斜率K不为0，而是跟透镜焦距f有如下定量关系：

不难推导出屈光度表达式：

上式表明当Δ与θ一定时，平板表面各区域光畸变大小正比于莫尔条纹的斜率。

本发明通过使用时分复用技术，依次用亮场通道梯度光源、暗场通道光源和莫尔条纹光源照射透明平板，然后用一组相机依次采集第一图像、第二图像和第三图像，根据第一图像能够检测透明平板的表面缺陷和内部缺陷；根据第二图像并结合第一图像能检测出透明平板用亮场通道梯度光源无法检测出的表面缺陷，也就是说，根据第二图像能检测出的透明平板的缺陷比用根据第一图像检测出的缺陷尺寸更小，检测结果更精确；根据第三图像中的莫尔条纹的变形程度推算透明平板的屈光度变化。在采集第一图像，第二图像和第三图像过程中，只用一组摄像装置就能对这三种图像分别进行处理，从而节约了成本。

本发明还公布了一种透明平板缺陷及屈光度变化检测方法，包括如下步骤：

步骤1：用亮场通道梯度光源照射透明平板，用摄像装置采集第一图像，根据所述第一图像检测出所述透明平板内部缺陷和表面缺陷；

步骤2：用暗场通道光源照射所述透明平板，用所述摄像装置采集第二图像；根据所述第二图像并结合所述第一图像，检测出所述透明平板表面缺陷；

步骤3：用莫尔条纹光源照射所述透明平板，用所述摄像装置采集第三图像，根据所述第三图像中的莫尔条纹的变形程度推算所述透明平板的屈光度变化。

上面三个步骤所描述的具体技术方案在前面的叙述中已经有详细的介绍，在此不再重复介绍。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种透明平板缺陷及屈光度变化检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：用亮场通道梯度光源照射透明平板，用摄像装置采集第一图像，根据所述第一图像检测出所述透明平板内部缺陷和表面缺陷；

步骤2：用暗场通道光源照射所述透明平板，用所述摄像装置采集第二图像；根据所述第二图像并结合所述第一图像，检测出所述透明平板表面缺陷；

步骤3：用莫尔条纹光源照射所述透明平板，用所述摄像装置采集第三图像，根据所述第三图像中的莫尔条纹的变形程度推算所述透明平板的屈光度变化；

其中，在步骤1中，根据所述第一图像检测出所述透明平板内部缺陷和表面缺陷的具体方法为：

步骤11：在所述亮场通道梯度光源内设置一片阴阳膜，所述阴阳膜的一部分为透光区域，另一部分为不透光区域，所述透光区域和所述不透光区域的交界处为黑白交界处；

步骤12：将所述亮场通道梯度光源和所述摄像装置成反射角位置布置；

步骤13：当所述亮场通道梯度光源发出的入射光照射到所述透明平板时并经所述透明平板反射时，反射光进入所述摄像装置，摄像装置里拍摄到的所述第一图像呈现为亮场，所述摄像装置聚焦的所述亮场通道梯度光源投影到所述透明平板表面的黑白交界处：若所述平板表面是均匀的，则所述第一图像也是均匀的；若所述平板内部有缺陷，反射的光线角度会发生偏转，偏离镜头的光线在所述第一图像上比基准亮度暗，偏向镜头的光线在所述第一图像上比基准亮度高；所述第一图像会呈现以内核为中心的一黑一白的蝴蝶斑；

当所述亮场通道梯度光源以一定角度入射所述透明平板，若所述第一图像出现有叠影，则表面缺陷在所述透明平板的入射光那一面；若所述第一图像没有叠影，则表面缺陷在所述透明平板的和入射光相对的另一面；

在步骤2中，所述暗场通道光源和所述摄像装置形成的夹角大于所述亮场通道梯度光源与所述摄像装置形成的夹角；若所述第二图像是黑色，则表明所述透明平板内部无缺陷。

2.如权利要求1所述的透明平板缺陷及屈光度变化检测方法，其特征在于：在步骤3中，所述莫尔条纹光源内部设置有两张黑白光栅膜，若所述透明平板的屈光度发生变化，则所述莫尔条纹会发生变形。