CN111812120A - 一种翻转式的镜片缺陷检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种翻转式光学镜片缺陷检测装置及方法，包括旋转电机模块、编码器、电动夹爪模块、光源模块、工业相机、光学镜片、运动控制器、整体支架和工控电脑，其特征在于，编码器与旋转电机模块、电动夹爪模块的中心线同轴设置，电动夹爪模块的前端抓取部为与圆形镜片形状适配的凹槽抓取部；工业相机位于电动夹爪模块的凹槽抓取部的斜上方，其镜头的倾斜角度与镜片平行；黑色底板位于电动夹爪模块的凹槽抓取部下部防止镜面反射；光源模块位于电动夹爪模块的凹槽抓取部与工业相机相反的方向的斜上方。本发明对点状、线状和面状的镜片疵病可实现自动全检并分类，可有效的提高镜片品质检测的效率与精度。

Description

一种翻转式的镜片缺陷检测装置和方法

技术领域

本发明专利涉及一种光学镜片缺陷检测装置和方法，属于光学镜片制造技术领域。

背景技术

镜片不但具有视力矫正功能，还具有装饰作用，已成为日常生活中必不可少的一部分。据统计，我国镜片产量已占全球的70％，在成为全球镜片生产中心的背景下，镜片的生产已逐步向自动化、智能化方向发展，但镜片品质检测仍属于困扰镜片行业的一大难题。经调研，镜片品质缺陷类型繁多，均采用人工检测的方式完成，该方法不仅伤害检测人员视力，且人工的主观性往往会造成品质的不稳定性，且影响镜片生产的自动化进程。因此，镜片品质检测的低效、低精度和高成本严重制约了我国眼镜行业的发展。

经检索，机器视觉技术是镜片品质检测的主流方法，将缺陷类型分为点状缺陷、线状缺陷与面状缺陷等，并设计相对应的视觉检测方案，专利号为CN201510424415.6、CN201510424414.1、CN201310543198.3和CN201310543428.6等专利均公开了采用机器视觉技术实现对镜片点状和线状缺陷的检测装置和方法；专利号为CN201310749191.7、一种树脂镜片烟雾缺陷检测装置、一种镜片面状疵病自动检测装置及方法公开了采用机器视觉技术实现对镜片的面状缺陷、水印缺陷和雾缺陷的检测装置和方法。从已有专利可发现，对镜片缺陷的视觉检测对镜片规格和屈光度具有自适应性，但单一的检测方案难以实现对镜片缺陷的全检。为实现对镜片品质的全面判别，则需要多工位的视觉检测方案，提高了自动化检测装置的要求

为此，我们提出一种翻转式的镜片缺陷检测装置和方法来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种可对点状、线状和面状的镜片疵病实现自动全检并分类的翻转式的镜片缺陷检测装置和方法。

本发明提出了一种翻转式光学镜片缺陷检测装置，包括旋转电机模块、编码器、电动夹爪模块、光源模块、工业相机、光学镜片、运动控制器、整体支架和工控电脑，其特征在于，编码器与旋转电机模块、电动夹爪模块的中心线同轴设置，电动夹爪模块的前端抓取部为与圆形镜片形状适配的凹槽抓取部；工业相机位于电动夹爪模块的凹槽抓取部的斜上方，其镜头的倾斜角度与镜片平行；黑色底板位于电动夹爪模块的凹槽抓取部下部防止镜面反射；光源模块位于电动夹爪模块的凹槽抓取部与工业相机相反的方向的斜上方；

电动夹爪控制器实时获取力传感器输出信号；当力传感器输出信号大于设定值时待检镜片被夹持；旋转电机驱动器控制旋转电机正转、反转；图像采集与光照保持同步；采集的图像信息过程获取当前镜片角度；结合校正后的图像和待检镜片的角度信息，通过透射变换将所采集的图像变换至平面状态下；通过灰度值差异分析缺陷及其存在位置，并将缺陷进行标记保存；生成与被检镜片同尺寸的空白图像，并将镜片翻转遍历过程中的缺陷标记点映射至空白图像，生成镜片缺陷分布图像。

优选的，所述旋转电机与旋转电机控制器通过控制线电性连接，并固定安装于整体支架上，所述运动控制器利用数据接口线向旋转电机驱动器发送运动指令，进而控制旋转电机转动。

优选的，所述编码器(2)与旋转电机输出轴同轴连接，通过数字接口将编码器信号反馈至运动控制器。

优选的，所述电动夹爪模块(3)由电动夹爪、力传感器和电动夹爪控制器组成，所述电动夹爪与旋转电机输出轴连接，所述力传感器安装于电动夹爪内部，通过数据接口线向电动夹爪控制器实时反馈电动夹爪的夹持力，所述电动夹爪控制器与运动控制器控制接口连接，运动控制器根据预先设置的运动参数控制电动夹爪控制器。

优选的，所述光源模块(4)由条形光源和光源控制器组成，所述条形光源与光源控制器通过电源线相连，光源长度大于80mm，所述光源控制器与相机I/O输出口相连。

优选的，所述工业相机(5)固定于光学镜片(7)正上方，并通过数据口与工控电脑相连，所述工业相机(5)的拍摄外触发口与运动控制器电性连接，所述黑色底板6安装于光学镜片(7)正下方。

本发明提出了一种翻转式光学镜片缺陷检测的方法，包括以下步骤：

1)预处理步骤；

2)抓取步骤；

3)顺时针、逆时针旋转检测步骤及缺陷标记步骤。

优选的，1)预处理步骤包括：

1.1)按照工业相机标准的标定方法，对工业相机的内部参数进行标定，并将标定参数存储于工控电脑；

1.2)控制器向电动夹爪模块和旋转电机模块发送归零命令，电动夹爪模块和旋转电机模块运动至预设的零点位置；

1.3)控制器在接收到前端上料工位的上料完成信号后，向电动夹爪模块发出夹取镜片命令；

2)抓取步骤：

2.1)电动夹爪控制器按照预设定的参数控制电动夹爪减小开度，实施夹取动作，与此同时，电动夹爪控制器实时获取力传感器输出信号；

2.2)当力传感器输出信号大于设定值时，即待检镜片被夹持，电动夹爪控制器向电动夹爪发送运动停止命令，并向控制器发送夹持完毕信号。

优选的，3)顺时针、逆时针旋转检测步骤及缺陷标记步骤：

3.1)控制器向旋转电机模块发送运动命令，旋转电机驱动器控制旋转电机向顺时针方向旋转，以此同时，控制器实时接收编码器所发出的信号；

3.2)控制器接收到编码器信号达到预设值后，通过I/O口向工业相机发送外触发命令；

3.3)工业相机开始图像采集，以此同时，通过I/O口向光源控制器发送触发信号，即保证图像采集与光照保持同步；

3.4)工控电脑接收工业相机所采集的图像信息，并向控制器发送当前镜片角度查询命令，获取当前待检镜片的位置；

3.5)将所采集的图像采用标定参数进行图像校正，并结合校正后的图像和待检镜片的角度信息，通过透射变换将所采集的图像变换至平面状态下；

3.6)通过灰度值差异分析缺陷及其存在位置，并将缺陷进行标记保存；

3.7)控制器计算旋转角度是否达到预设值；

3.8)如未达到预设值，重复步骤(3.2)-(3.7)；

3.9)如达到镜片半侧遍历检测的预设值，跳至步骤(3.11)；

3.10)如达到镜片整体遍历检测的预设值，跳至步骤(3.12)；

3.11)控制器向旋转电机模块发送快速归零命令，到达零位后，控制旋转电机模块向逆时针方向旋转，并重复步骤(3.2)-(3.7)；

3.12)生成与被检镜片同尺寸的空白图像，并将镜片翻转遍历过程中的缺陷标记点映射至空白图像，生成镜片缺陷分布图像；

3.13)根据缺陷的形态信息与灰度信息，对缺陷进行分类处理，并根据缺陷的位置信息以及镜片分级标准，对待检镜片品质进行综合判别；

3.14)将品质判定信息发送至后端下料装置，控制器配合后端下料装置向电动夹爪模块和旋转电机模块发送归零命令；

3.15)电动夹爪模块和旋转电机模块在归零完成后向控制器发送归零完成信号，单片待检镜片检测完成。

优选的，优选的3.5)将所采集的图像采用标定参数进行图像校正，并结合校正后的图像和待检镜片的角度信息，具体为：

分别拍摄当前角度下和平面状态下对应的标定板图像，并利用相机标定信息，获取当前角度下和平面状态下标定板上对应四点的图像坐标，即：(u₁,v₁)→(x₁,y₁)、(u₂,v₂)→(x₂,y₂)、(u₃,v₃)→(x₃,y₃)、(u₄,v₄)→(x₄,y₄)；

透视变换公式：

式中，(u，v)为当前角度下拍摄的镜片图像的图像坐标，(x,y)是透视转换后对应的镜片图像的图像坐标。将上面的四点坐标分别代入公式(1)和公式(2)，分别求得透视变换矩阵

从而实现将所采集的图像变换至平面状态下。

与现有的技术相比，本一种翻转式的镜片缺陷检测装置和方法的优点在于：本发明结合了机器视觉技术与运动控制技术，采集镜片翻转过程中局部区域的光照图像，采用透射变换可将不同角度图像投影至平面状态下，可将不同角度下的成像结果进行综合分析，结合灰度信息和形态信息实现对镜片疵病的自动识别与品质判定。对点状、线状和面状的镜片疵病可实现自动全检并分类，可有效的提高镜片品质检测的效率与精度。

附图说明

图1是本发明的电气控制原理图；

图2是本发明的结构示意图。

图中，1旋转电机模块；2编码器；3电动夹爪模块；4光源模块；5工业相机；6黑色底板；7光学镜片。

具体实施方式

以下实施例仅处于说明性目的，而不是想要限制本发明的范围。

实施例

如图1-2所示，一种翻转式光学镜片缺陷检测装置，包括：旋转电机模块1、编码器2、电动夹爪模块3、光源模块4、工业相机5、黑色底板6、光学镜片7、运动控制器和工控电脑。

旋转电机模块1由旋转电机和旋转电机驱动器组成，且旋转电机与旋转电机控制器通过控制线相连，并安装于整体支架上。运动控制器利用数据接口线向旋转电机驱动器发送运动指令，进而控制旋转电机转动，为待检镜片提供旋转驱动力。

编码器2与旋转电机输出轴同轴连接，通过数字接口将编码器信号反馈至运动控制器，实现对旋转电机转动状态的监测。

电动夹爪模块3由电动夹爪、力传感器和电动夹爪控制器组成，其中，电动夹爪与旋转电机输出轴连接，调节电动夹爪的开度可实现对不同尺寸镜片的柔性抓取；力传感器安装于电动夹爪内部，通过数据接口线向电动夹爪控制器实时反馈电动夹爪的夹持力，作为镜片夹取完成的标识信号；电动夹爪控制器与运动控制器控制接口连接，运动控制器根据预先设置的运动参数控制电动夹爪控制器，实现对镜片的夹取，并根据力传感器反馈信号决定是否停止夹取运动。

光源模块4为工业相机提供光照条件，该模块由条形光源和光源控制器组成。

其中，条形光源与光源控制器通过电源线相连，光源长度大于80mm，保证光照长径大于最大尺寸镜片的直径；光源控制器用于根据用户需求调节光照强度，并与相机I/O输出口相连，实现相机曝光与光照的同步性。

工业相机5固定于镜片正上方，用于采集镜片图像，通过数据口与工控电脑相连，将所采集图片传输至工控电脑；工业相机5的拍摄外触发口与运动控制器相连，通过硬触发模式进行图像的采集。黑色底板6安装于待检镜片正下方，使镜片中心和黑色底板中心位于同一轴线上，保证可将镜片区域覆盖，两个中心点之间的距离为10cm。由于黑色底板6具有光学吸收作用，因此用于吸收反射光，同时增强镜片缺陷的成像对比度。

一种翻转式光学镜片缺陷检测的方法，包括以下步骤：

1)按照工业相机标准的标定方法，对工业相机的内部参数进行标定，并将标定参数存储于工控电脑；

2)控制器向电动夹爪模块和旋转电机模块发送归零命令，电动夹爪模块和旋转电机模块运动至预设的零点位置；

3)控制器在接收到前端上料工位的上料完成信号后，向电动夹爪模块发出夹取镜片命令；

4)电动夹爪控制器按照预设定的参数控制电动夹爪减小开度，实施夹取动作，与此同时，电动夹爪控制器实时获取力传感器输出信号；

5)当力传感器输出信号大于设定值时，即待检镜片被夹持，电动夹爪控制器向电动夹爪发送运动停止命令，并向控制器发送夹持完毕信号；

6)控制器向旋转电机模块发送运动命令，旋转电机驱动器控制旋转电机向顺时针方向旋转，以此同时，控制器实时接收编码器所发出的信号；

7)控制器接收到编码器信号达到预设值后，通过I/O口向工业相机发送外触发命令；

8)工业相机开始图像采集，以此同时，通过I/O口向光源控制器发送触发信号，即保证图像采集与光照保持同步；

9)工控电脑接收工业相机所采集的图像信息，并向控制器发送当前镜片角度查询命令，获取当前待检镜片的位置；

10)将所采集的图像采用标定参数进行图像校正，并结合校正后的图像和待检镜片的角度信息；

11)分别拍摄当前角度下和平面状态下对应的标定板图像，并利用相机标定信息，获取当前角度下和平面状态下标定板上对应四点的图像坐标，即：(u₁,v₁)→(x₁,y₁)、(u₂,v₂)→(x₂,y₂)、(u₃,v₃)→(x₃,y₃)、(u₄,v₄)→(x₄,y₄)；

12)透视变换公式：

式中，(u，v)为当前角度下拍摄的镜片图像的图像坐标，(x,y)是透视转换后对应的镜片图像的图像坐标。将上面的四点坐标分别代入公式(1)和公式(2)，分别求得透视变换矩阵

从而实现将所采集的图像变换至平面状态下；

13)通过灰度值差异分析缺陷及其存在位置，并将缺陷进行标记保存；由于镜片完好区域和缺陷区域具有不同的反射和折射特性，因而在成像时表现为具有不同的灰度，对图像预处理(图像平滑，图像线性变换，二值化，8-连通区域获取)，然后提取图像中灰度值大于125且面积小于80000像素的连通区域，将其灰度值设为255，进行标记。

14)控制器计算旋转角度是否达到预设值；

15)如未达到预设值，重复步骤(7)-(14)；

16)如达到镜片半侧遍历检测的预设值，跳至步骤(18)；

17)如达到镜片整体遍历检测的预设值，跳至步骤(19)；

18)控制器向旋转电机模块发送快速归零命令，到达零位后，控制旋转电机模块向逆时针方向旋转，并重复步骤(7)-(14)；

19)生成与被检镜片同尺寸的空白图像，并将镜片翻转遍历过程中的缺陷标记点映射至空白图像，生成镜片缺陷分布图像；

20)根据缺陷的形态信息与灰度信息，对缺陷进行分类处理，并根据缺陷的位置信息以及镜片分级标准，对待检镜片品质进行综合判别；

21)将品质判定信息发送至后端下料装置，控制器配合后端下料装置向电动夹爪模块和旋转电机模块发送归零命令；

22)电动夹爪模块和旋转电机模块在归零完成后向控制器发送归零完成信号，单片待检镜片检测完成。

尽管本文较多地使用了旋转电机模块1；编码器2；电动夹爪模块3；光源模块4；工业相机5；黑色底板6；光学镜片7等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种翻转式光学镜片缺陷检测装置，包括旋转电机模块、编码器、电动夹爪模块、光源模块、工业相机、光学镜片、运动控制器、整体支架和工控电脑，其特征在于，编码器与旋转电机模块、电动夹爪模块的中心线同轴设置，电动夹爪模块的前端抓取部为与圆形镜片形状适配的凹槽抓取部；工业相机位于电动夹爪模块的凹槽抓取部的斜上方，其镜头的倾斜角度与镜片平行；黑色底板位于电动夹爪模块的凹槽抓取部下部防止镜面反射；光源模块位于电动夹爪模块的凹槽抓取部与工业相机相反的方向的斜上方；

电动夹爪控制器实时获取力传感器输出信号；当力传感器输出信号大于设定值时待检镜片被夹持；旋转电机驱动器控制旋转电机正转、反转；图像采集与光照保持同步；采集的图像信息过程获取当前镜片角度；结合校正后的图像和待检镜片的角度信息，通过透射变换将所采集的图像变换至平面状态下；通过灰度值差异分析缺陷及其存在位置，并将缺陷进行标记保存；生成与被检镜片同尺寸的空白图像，并将镜片翻转遍历过程中的缺陷标记点映射至空白图像，生成镜片缺陷分布图像。

2.根据权利要求1所述的翻转式光学镜片缺陷检测装置，其特征在于，所述旋转电机与旋转电机控制器通过控制线电性连接，并固定安装于整体支架上，所述运动控制器利用数据接口线向旋转电机驱动器发送运动指令，进而控制旋转电机转动。

3.根据权利要求1所述的翻转式光学镜片缺陷检测装置，其特征在于，所述编码器(2)与旋转电机输出轴同轴连接，通过数字接口将编码器信号反馈至运动控制器。

4.根据权利要求1所述的翻转式光学镜片缺陷检测装置，其特征在于，所述电动夹爪模块(3)由电动夹爪、力传感器和电动夹爪控制器组成，所述电动夹爪与旋转电机输出轴连接，所述力传感器安装于电动夹爪内部，通过数据接口线向电动夹爪控制器实时反馈电动夹爪的夹持力，所述电动夹爪控制器与运动控制器控制接口连接，运动控制器根据预先设置的运动参数控制电动夹爪控制器。

5.根据权利要求1所述的翻转式光学镜片缺陷检测装置，其特征在于，所述光源模块(4)由条形光源和光源控制器组成，所述条形光源与光源控制器通过电源线相连，光源长度大于80mm，所述光源控制器与相机I/O输出口相连。

6.根据权利要求1所述的翻转式光学镜片缺陷检测装置，其特征在于，所述工业相机(5)固定于光学镜片(7)正上方，并通过数据口与工控电脑相连，所述工业相机(5)的拍摄外触发口与运动控制器电性连接，所述黑色底板6安装于光学镜片(7)正下方。

7.一种翻转式光学镜片缺陷检测的方法，其特征在于，使用如权利要求1-6任一所述的检测装置，包括以下步骤：

1)预处理步骤；

2)抓取步骤；

3)顺时针、逆时针旋转检测步骤及缺陷标记步骤。

8.根据权利要求7所述的翻转式光学镜片缺陷检测的方法，其特征在于：

1)预处理步骤包括：

1.1)按照工业相机标准的标定方法，对工业相机的内部参数进行标定，并将标定参数存储于工控电脑；

1.2)控制器向电动夹爪模块和旋转电机模块发送归零命令，电动夹爪模块和旋转电机模块运动至预设的零点位置；

1.3)控制器在接收到前端上料工位的上料完成信号后，向电动夹爪模块发出夹取镜片命令；

2)抓取步骤：

2.1)电动夹爪控制器按照预设定的参数控制电动夹爪减小开度，实施夹取动作，与此同时，电动夹爪控制器实时获取力传感器输出信号；

2.2)当力传感器输出信号大于设定值时，即待检镜片被夹持，电动夹爪控制器向电动夹爪发送运动停止命令，并向控制器发送夹持完毕信号。

9.根据权利要求7所述的翻转式光学镜片缺陷检测的方法，其特征在于，3)顺时针、逆时针旋转检测步骤及缺陷标记步骤：

3.1)控制器向旋转电机模块发送运动命令，旋转电机驱动器控制旋转电机向顺时针方向旋转，以此同时，控制器实时接收编码器所发出的信号；

3.2)控制器接收到编码器信号达到预设值后，通过I/O口向工业相机发送外触发命令；

3.3)工业相机开始图像采集，以此同时，通过I/O口向光源控制器发送触发信号，即保证图像采集与光照保持同步；

3.4)工控电脑接收工业相机所采集的图像信息，并向控制器发送当前镜片角度查询命令，获取当前待检镜片的位置；

3.5)将所采集的图像采用标定参数进行图像校正，并结合校正后的图像和待检镜片的角度信息，通过透射变换将所采集的图像变换至平面状态下；

3.6)通过灰度值差异分析缺陷及其存在位置，并将缺陷进行标记保存；

3.7)控制器计算旋转角度是否达到预设值；

3.8)如未达到预设值，重复步骤(3.2)-(3.7)；

3.9)如达到镜片半侧遍历检测的预设值，跳至步骤(3.11)；

3.10)如达到镜片整体遍历检测的预设值，跳至步骤(3.12)；

3.11)控制器向旋转电机模块发送快速归零命令，到达零位后，控制旋转电机模块向逆时针方向旋转，并重复步骤(3.2)-(3.7)；

3.12)生成与被检镜片同尺寸的空白图像，并将镜片翻转遍历过程中的缺陷标记点映射至空白图像，生成镜片缺陷分布图像；

3.13)根据缺陷的形态信息与灰度信息，对缺陷进行分类处理，并根据缺陷的位置信息以及镜片分级标准，对待检镜片品质进行综合判别；

3.14)将品质判定信息发送至后端下料装置，控制器配合后端下料装置向电动夹爪模块和旋转电机模块发送归零命令；

3.15)电动夹爪模块和旋转电机模块在归零完成后向控制器发送归零完成信号，单片待检镜片检测完成。

10.根据权利要求7所述的翻转式光学镜片缺陷检测的方法，其特征在于，

3.5)将所采集的图像采用标定参数进行图像校正，并结合校正后的图像和待检镜片的角度信息，具体为：

分别拍摄当前角度下和平面状态下对应的标定板图像，并利用相机标定信息，获取当前角度下和平面状态下标定板上对应四点的图像坐标，即：(u₁,v₁)→(x₁,y₁)、(u₂,v₂)→(x₂,y₂)、(u₃,v₃)→(x₃,y₃)、(u₄,v₄)→(x₄,y₄)；

透视变换公式：

式中，(u，v)为当前角度下拍摄的镜片图像的图像坐标，(x,y)是透视转换后对应的镜片图像的图像坐标。将上面的四点坐标分别代入公式(1)和公式(2)，分别求得透视变换矩阵

从而实现将所采集的图像变换至平面状态下。

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