CN112161992B - 一种实时检测光纤排列结构的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实时检测光纤排列结构的装置及方法，所述装置包括依次连接的视频采集单元、运动单元及图像分析单元；所述运动单元固定于支架单元上，所述支架单元包括两个底座，各底座上分别固定有支架，两个所述支架通过横梁连接；所述运动单元包括分别活动连接于横梁、底座的第一运动机构和第二运动机构；所述第一运动机构、第二运动机构分别与视频采集单元、照明单元固定连接，所述视频采集单元、照明单元随着第一运动机构、第二运动机构的转动而上下移动。本发明的实时检测光纤排列结构的装置及方法通过实时采集纤维排列图像，按照预设计算方法，自动判断影响排列结构完整性的漏丝、错位、平面等缺陷，并向操作者或者自动设备提供判断信息。
Description
技术领域
本发明涉及光学纤维面板的生产制造领域，具体涉及一种基于机器视觉的实时检测光纤排列结构的装置及方法。
背景技术
光学纤维面板一种利用全反射原理实现高效传光传像的硬质光纤元件，由于其具有集光性能好，分辨率高，可以无失真地传递图像，且具有光学零厚度等优点，而被广泛地应用于军事、刑侦、航天、医疗等领域的各种阴极射线管、摄像管、CCD耦合、医疗器械显示屏以及高清晰度电视成像和其他需要传送图像的仪器和设备中，显著改善其成像性能。
从微观结构上来看，光纤面板是由数千万根光纤排列而成，每一根光纤都具有独立传光传像功能，其传像的过程可以看做是入射于元件端面的图像被解析为若干个(与端面光纤数量相等)象元，每个象元通过对应的单根光纤(以下称单元丝)进行独立传递，然后在出射端面重新融合成完整的图像，当入射端和出射端光纤的排列情况存在较大区别时(根据需要改变两个端面光纤的对应排列情况，实现某种特殊功能的除外)，会导致传输图像局部发生变形，严重时产生畸变。因此，单元丝排列的完整性对于光纤面板的传像性能至关重要。
光纤面板的生产过程包括拉单丝、排一次复丝棒、拉一次复丝、排二次复丝棒、排板、熔压、冷加工等，除冷加工工序外，其他工序均对单元丝排列的完整性有影响。尤其是排板过程，其对结构的完整性影响较大。排板是指将短切后的复合纤维按照截面尺寸要求，排成正六边形纤维堆。排列时一般采取逐层排列的方式，排列过程中必须严格控制三角孔尺寸和数量，确保结构完整，目前主要依靠人眼目视观察，对操作人员的熟练程度有着较高的要求。尤其重要的是，由于光学纤维丝的丝径尺寸为微米级的，其构成光学纤维丝的皮层厚度薄至0.2微米，极其容易破损，即便是通过后道工序抽查发现排列结构问题，重新调整结构或者拆解都将导致纤维的磨损加重，造成较大的暗点损失。
机器视觉技术是指通过计算机来模拟人的视觉功能，从客观事物的图像中提取信息，进行处理和加以理解，最终用于实际检测、测量和控制。
现有技术一般只包括纤维堆某个端面，无法检测纤维轴向上排列情况，其检测效果较差；另外现有技术无法实现自动侦测，多数只是呈现图像，其判断仍然依赖于操作人员，故可靠性较差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种实时检测光纤排列结构的装置及方法，以解决现有光纤面板生产过程中，排列结构完整性的检测主要依靠操作人员主观判断，受人员熟练程度影响其一致性较差，二次检验以及后续的再调整导致纤维的磨损加重，严重影响产品的质量等问题。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种实时检测光纤排列结构的装置，包括依次连接的视频采集单元、运动单元及图像分析单元；其中，
所述运动单元固定于支架单元上，所述支架单元包括两个底座，各底座上分别固定有支架，两个所述支架通过横梁连接；所述运动单元包括分别活动连接于所述横梁、底座的第一运动机构和第二运动机构；所述第一运动机构、第二运动机构分别与视频采集单元、照明单元固定连接，且所述视频采集单元、照明单元随着该第一运动机构、第二运动机构的转动而上下移动。
优选的，前述的实时检测光纤排列结构的装置中，其中所述第一运动机构和第二运动机构分别可旋转地连接于横梁、底座。
优选的，前述的实时检测光纤排列结构的装置中，其中所述第一运动机构和第二运动机构分别轴承连接于横梁、底座。
优选的，前述的实时检测光纤排列结构的装置中，其中所述视频采集单元与第一运动机构固定连接。
优选的，前述的实时检测光纤排列结构的装置中，其中所述图像分析单元通过数据线与第一运动机构连接。
优选的，前述的实时检测光纤排列结构的装置中，其中所述第一运动机构和第二运动机构分别包括依次连接的编码器、电机及丝杠。
优选的，前述的实时检测光纤排列结构的装置中，其中所述编码器和电机通过固定螺丝连接，所述电机和丝杠通过联轴器连接；两个所述丝杠上分别可滑动地设有丝杠螺母，所述视频采集单元固定在其中一个丝杠螺母上，所述照明单元固定在另一个丝杠螺母上，且所述视频采集单元及照明单元能随着丝杠的转动而上下移动。
优选的，前述的实时检测光纤排列结构的装置中，其中所述照明单元为光源。
优选的，前述的实时检测光纤排列结构的装置中，其中所述视频采集单元包括相互连接的光学镜头与CCD/CMOS相机。
优选的，前述的实时检测光纤排列结构的装置中，其中所述光学镜头与CCD/CMOS相机之间的连接方式为螺纹连接。
优选的，前述的实时检测光纤排列结构的装置中，其中所述图像分析单元为工控机或计算机。
优选的，前述的实时检测光纤排列结构的装置中，其中还包括用于排列光纤的模具，其设于所述第一运动机构和第二运动机构之间，且所述模具位于视频采集单元和照明单元的下方，所述视频采集单元和照明单元的高度随着纤维堆高度的变化而变化，以确保视频采集单元与纤维堆最上层纤维的相对位置不变。
本发明的目的及解决其技术问题还可以采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种实时检测光纤排列结构的方法，包括以下步骤：
a图像获取：截取纤维堆横截面的图像；
b位置识别：读取纤维堆横截面图像的灰度值，绘制灰度值变化趋势图，获取灰度值突变点；
c结构判断：依据放丝前后纤维堆边缘位置的变化值计算出实际间距，并将其与初始设置纤维尺寸进行比对，确定纤维放置的完整情况。
优选的，前述的实时检测光纤排列结构的方法中，其中步骤a中，所述图像为横置纤维堆的俯视截面。
优选的，前述的实时检测光纤排列结构的方法中，其中步骤a中，所述图像获取的频次为每放置一根纤维后均重新截取；为保证视频采集装置与纤维堆截面的距离不变，放完一层纤维后，视频采集单元的位置随之升高。
优选的，前述的实时检测光纤排列结构的方法中，其中步骤a中，所述图像获取中采集的边界位置为边缘纤维沿光源方向的投影边缘。
优选的，前述的实时检测光纤排列结构的方法中，其中步骤b中，所述灰度值突变点的坐标位置为纤维堆边缘；为了确保新纤维轴向上排列一致，所述纤维堆边缘包括沿纤维轴向的多个位置。
优选的，前述的实时检测光纤排列结构的方法中，其中步骤b中，所述纤维堆边缘包括沿纤维轴向连续多个点的位置。
优选的，前述的实时检测光纤排列结构的方法中，其中步骤c中，所述结构判断具体包括：通过计算依次放置的前后两根纤维多个位置的差值，获取最大值和最小值，两数值相差较大表示纤维排列倾斜，将最大值与纤维的对边尺寸相比较，根据差值大小判断纤维排列的完整情况。
优选的，前述的实时检测光纤排列结构的方法中，其中步骤c中，所述结构判断具体包括：通过计算之前放置的第一纤维和新放置的第二纤维多个边缘位置坐标的差值M，获取最大差值M0和最小差值M1，将最大差值 M0和最小差值M1相减得到位置偏差值N，若该位置偏差值N超过设定范围L (该值与实际系统相关)表示纤维排列倾斜，若不超过设定范围，再将最大差值M0与纤维的对边尺寸D相比较，若M0＝D，表明排列完整，若M0≠D，表明排列不完整，图像分析单元做出提示。
优选的，前述的实时检测光纤排列结构的方法中，其中步骤c中，所述第一纤维为已排完纤维堆最上层的某一纤维；所述第二纤维为在所述第一纤维检测之后且与所述第一纤维相邻的待检测的纤维。
借由上述技术方案，本发明提出的一种实时检测光纤排列结构的装置及方法至少具有以下有益效果：
本发明所述的实时检测光纤排列结构的装置及方法通过实时采集纤维排列图像，按照预设计算方法，自动判断影响排列结构完整性的漏丝、错位、平面等缺陷，并向操作者或者自动设备提供判断信息。该方法的优点在于一方面可以提供统一的判断标准，确保产品质量的一致性；另一方面，可以实时做出提示，避免后续重新调整导致的暗点缺陷增加，从而提高产品的合格率。本发明旨在一定程度上解决对操作人员依赖程度过高，实现对纤维排列情况提供实时，一致性更高的检测。实施过程中，采用本发明的所述方法，通过保证排列结构的完整性，使得光纤面板剪切合格率提高超过10％，因为减少了后续调整，提高暗点合格率超过5％。
附图说明
图1是本发明所述实时检测光纤排列结构的装置的结构示意图；
图2A、图2B是本发明的一个实施例，用于将截面为正六边形的纤维排列成截面是正六边形的纤维堆；
图3A为本发明的另一个实施例，显示正六边形纤维堆的检测截面实物图；
图3B为本发明的另一个实施例，显示图像分析单元获取的截面图；
图4A是本发明的又一个实施例，显示结构检测的判断过程图之一(放置纤维前的实物)；
图4B是本发明的又一个实施例，显示结构检测的判断过程图之二(放置新纤维后的实物)；
图4C是本发明的又一个实施例，显示结构检测的判断过程图之三(对应于图4A的实物的截面)；
图4D是本发明的又一个实施例，显示结构检测的判断过程图之四(对应于图4B的实物的截面)；
图4E是本发明的又一个实施例，显示结构检测的判断过程图之四(图像分析单元判断排列结构的计算)；
图5A-5F是本发明的又一个实施例，列举的是检测过程中常见的几种缺陷：错位、平面和漏丝，以及对应的图像分析单元判断结构的计算图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效, 以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种实时检测光纤排列结构的装置及方法其具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征或特点可由任何合适形式组合。
需要说明，本发明中所有方向性指示(诸如上、下、左、右等)仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变，所述的连接可以是直接连接，也可以是间接连接。
如图1所示，本发明提供了一种实时检测光纤排列结构的装置，包括依次连接的视频采集单元1、运动单元2及图像分析单元3；其中，
所述运动单元2固定于支架单元5上，所述支架单元5包括两个底座51，各底座51上分别固定有支架53，两个所述支架53通过横梁52连接；所述运动单元2包括分别活动连接于所述支架53的第一运动机构21和第二运动机构22，具体地，所述活动连接为可旋转连接，例如可以为轴承连接，确保固定丝杠的同时，不影响丝杠执行旋转动作；所述视频采集单元1、图像分析单元3分别与第一运动机构21连接，具体地，所述视频采集单元1与第一运动机构21固定连接，所述图像分析单元3通过数据线与第一运动机构21连接；所述第二运动机构22与照明单元4固定连接，确保照明单元4的照射角度保持不变；且所述视频采集单元1、照明单元4随着该第一运动机构21、第二运动机构22的转动而上下移动，确保视频采集单元1，照明单元4和工件最上层纤维的相对位置保持不变。
所述第一运动机构21和第二运动机构22分别包括依次连接的编码器 211、电机212及丝杠213，具体地，所述编码器211和电机212通过固定螺丝连接，所述电机212和丝杠213通过联轴器连接；两个所述丝杠213上分别可滑动地设有丝杠螺母81及丝杠螺母82；工作时图像分析单元3通过编码器 211、编码器221分别发送信号给电机212和电机222，分别控制电机212和222 的转动方向和角度，并带动与之相连的丝杠213和223转动，控制丝杠螺母 81或者82的位置；所述视频采集单元1固定在丝杠螺母81上，所述照明单元 4固定在丝杠螺母82上，可以随着丝杠的转动而上下移动；具体地，所述照明单元4为射灯、白炽灯、日光灯管、LED或者其它可以提供照明功能的光源，优选为射灯；射灯指向性较强，图像阴影边缘更加清晰，可以提高判断精度。
所述视频采集单元1包括相互连接的光学镜头与CCD/CMOS相机，具体地，所述光学镜头与CCD/CMOS相机之间的连接方式为螺纹连接；
所述图像分析单元3可以为包含嵌入式操作系统(如WinCE)和机器视觉软件(如OpenCV)工控机或其他包含通用操作系统如windows和编程软件(如VC或VB等)的计算机。
还包括用于排列光纤工件7的模具6，其设于所述第一运动机构21和第二运动机构22之间，且所述模具6位于视频采集单元1和照明单元4的下方，所述模具6可以为具有梯形凹槽(凹槽截面形状为半截正六边形)的金属块或者其他材质的块状体。
工作时，图像分析单元3发出指令，视频采集单元1对光纤工件7进行第一次视频采集，人工或者机器排列添加一根纤维，图像分析单元3再一次给视频采集单元1发出指令，进行第二次视频采集，并进行系统分析，判断排列完整情况，如此反复。排完一层后，图像分析单元3给运动单元2 中的第一运动机构21和第二运动机构22发出指令，丝杠213和223分别转动一定角度，升高视频采集单元1和照明单元4的位置，进行新的一层纤维排列情况的判断。
在本实施例中，纤维直径为关键参数，为详细解释本发明，以下将以特定数字进行详细描述，但该数字不能理解为对本发明使用范围的限制。
待排列纤维截面为正六边形如图2A，对边尺寸1.0mm，长度100mm，完成排列后的纤维堆也为正六边形如图2B，视频采集单元采集的截面实物如图3A，图3B为视频采集单元实际采集的图像。如图像分析单元3设定光纤检测范围横向坐标范围为(120,1400)(以下称X方向，数值单位均为像素)，纤维轴向上坐标范围Y(150,300)(以下称Y方向)，理想状态下单根纤维的宽度D0为30个像素，L≤2个像素为正常状态，放置纤维前阴影边缘的X坐标值为500。
实施例1：检测判断过程如图4，图4A为视频采集单元第一次采集的截面实物，图4C为第一次实际采集到的图像。图4B为视频采集单元第二次采集的截面实物，图4D为第二次实际采集到的图像，图像分析单元根据两次采集到的图像生成计算图像如图4E，计算出放置纤维后阴影边缘的X 坐标值为最大值为M1为530，最小值M0为529，N＝M1-M0＝1个像素，N<L，计算出放置纤维后增加的宽度为D1＝M1-500＝30个像素，与预设理想状态下单根纤维的D0值相等，排列结构判断为完整。为了确保检测的准确性，图像分析单元3会在Y范围内读取多个X位置，并进行比对，应确保在Y范围内计算后的D1均与D0值相等。
实施例2：放置纤维后阴影边缘的X坐标最大值M1为550，最小值 M0为530，N＝M1-M0＝20个像素，N>L，判断为排列倾斜，图像分析单元 3提示产生排列缺陷。图5A为本实施例所表示缺陷的实物，图5D为该实施例中图像分析单元的得到的计算图像。
实施例3：放置纤维后阴影边缘的X坐标最大值M1为537，最小值 M0为536，N＝M1-M0＝1个像素，N<L，计算放置纤维后阴影增加的宽度 D1＝M1-500＝37，D0<D1<2*D0，判断为存在平面，图像分析单元3提示产生排列缺陷。如图5B为本实施例所表示排列缺陷的实物，图5E为该实施例中图像分析单元得到的计算图像。
实施例4：放置纤维后阴影边缘的X坐标最大值M1为567，最小值 M0为566，N＝M1-M0＝1个像素，N<L，计算放置纤维后阴影增加的宽度 D1＝M1-500＝67，D1>2*D0，判断为存在空位，图像分析单元3提示产生排列缺陷。图5C为本实施例所表示排列缺陷的实物，图5F为该实施例中图像分析单元得到的计算图像。
单层纤维排列完成后，为保证视频采集单元1与纤维堆垂直距离不变，视频采集单元1随之升高一定距离，其数值由视频采集单元1的镜头轴线与纤维堆平面法线的夹角，以及纤维的直径确定，在本实例中纤维直径为 1.0mm，角度为30°，计算后的高度为1.48mm。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实施例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种实时检测光纤排列结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a图像获取：截取纤维堆横截面的图像，所述纤维堆横截面为横置纤维堆的俯视截面，在获取所述图像时，所述纤维堆上方有照明单元；所述照明单元用于提供照射横置纤维堆的俯视截面的光源；
b位置识别：读取纤维堆横截面图像的灰度值，绘制灰度值变化趋势图，获取灰度值突变点；所述灰度值突变点的坐标位置为纤维堆边缘；为了确保新纤维轴向上排列一致，所述纤维堆边缘包括沿纤维轴向的多个位置；
c结构判断：依据放丝前后纤维堆边缘位置的变化值计算出实际间距，并将其与初始设置纤维尺寸进行比对，确定纤维放置的完整情况。
2.如权利要求1所述的实时检测光纤排列结构的方法，其特征在于，步骤a中，所述图像为横置纤维堆的俯视截面；所述图像获取的频次为每放置一根纤维后均重新截取；所述图像获取中采集的边界位置为边缘纤维沿光源方向的投影边缘。
3.如权利要求1所述的实时检测光纤排列结构的方法，其特征在于，步骤c中，所述结构判断具体包括：通过计算依次放置的前后两根纤维多个位置的差值，获取最大值和最小值，两数值相差较大表示纤维排列倾斜，将最大值与纤维的对边尺寸相比较，根据差值大小判断纤维排列的完整情况。
4.一种实时检测光纤排列结构的装置，其特征在于，包括依次连接的视频采集单元、运动单元及图像分析单元；其中，
所述运动单元固定于支架单元上，所述支架单元包括两个底座，各底座上分别固定有支架，两个所述支架通过横梁连接；所述运动单元包括分别活动连接于所述支架的第一运动机构和第二运动机构；所述第一运动机构、第二运动机构分别与视频采集单元、照明单元固定连接，且所述视频采集单元、照明单元随着该第一运动机构、第二运动机构的转动而上下移动；用于排列光纤的模具设于所述第一运动机构和第二运动机构之间，且所述模具位于视频采集单元和照明单元的下方；
所述视频采集单元获取纤维堆横截面的图像，所述纤维堆横截面为横置纤维堆的俯视截面，所述视频采集单元和所述照明单元位于所述纤维堆上方；所述照明单元用于提供照射横置纤维堆的俯视截面的光源；所述图像分析单元读取所述纤维堆横截面图像的灰度值，绘制灰度值变化趋势图，获取灰度值突变点，依据放丝前后纤维堆边缘位置的变化值计算出实际间距，并将其与初始设置纤维尺寸进行比对，确定纤维放置的完整情况。
5.如权利要求4所述的实时检测光纤排列结构的装置，其特征在于，所述活动连接为可旋转连接。
6.如权利要求4所述的实时检测光纤排列结构的装置，其特征在于，所述图像分析单元通过数据线与第一运动机构连接；所述第一运动机构和第二运动机构分别包括依次连接的编码器、电机及丝杠。
7.如权利要求6所述的实时检测光纤排列结构的装置，其特征在于，所述编码器和电机通过固定螺丝连接，所述电机和丝杠通过联轴器连接；两个所述丝杠上分别可滑动地设有丝杠螺母，所述视频采集单元固定在其中一个丝杠螺母上，所述照明单元固定在另一个丝杠螺母上，且所述视频采集单元及照明单元能随着丝杠的转动而上下移动。
8.如权利要求4所述的实时检测光纤排列结构的装置，其特征在于，所述照明单元为光源；所述视频采集单元包括相互连接的光学镜头与CCD/CMOS相机；所述图像分析单元为工控机或计算机。
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