CN112326681B - 一种利用离焦差分平场矫正检测镜头洁净度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用离焦差分平场矫正检测镜头洁净度的方法，包括如下步骤：一、搭建平场测试光路；二、确定相机感光面与待测镜头后焦面距离，测量不同离焦下的明场图像数据和暗场图像数据；三、针对每个像素，进行离焦差分平场校正运算；四、将各个像素的离焦差分结果的矩阵以图像形式显示，进行镜头洁净度的判断。本发明利用不同离焦进行差分平场矫正，可以抑制大角度视场低相对照度的影响，提高大视场范围的信噪比，可二次增强待检测杂质成像的信噪比，可以对杂质成像进行边缘增强，可以放大待检测杂质的可观测范围，可以统一杂质的可观测模式，最小可分辨尺寸为探测器像素大小(um量级)，综合以上各种因素提高检测成功率。

Description

一种利用离焦差分平场矫正检测镜头洁净度的方法
技术领域
本发明涉及镜头检测方法，具体涉及一种利用离焦差分平场矫正检测镜头洁净度的方法。
背景技术
洁净度是成像系统重要指标，直接关系到杂散光，鬼像，均匀性等成像关键因素。在镜头的制造过程中，表面缺陷的产生往往是不可避免的。一般而言，表面缺陷是产品表面局部物理或化学性质不均匀的区域，如夹杂、破损、污点等等，其会对产品的清洁度带来不良影响。因此，生产企业对镜头的清洁度检测非常重视，通过及时发现镜头的表面缺陷，有效控制产品质量，根据检测结果进一步分析生产工艺中存在的某些问题，从而杜绝或减少缺陷品的产生。
成品镜头洁净度的检测，目前以目视为主，该方法存在抽检率低、准确性不高、实时性差、效率低、劳动强度大的缺点，且受限于检测员的工作经验、工作状态，而基于机器视觉的检测方法可以很大程度上克服上述弊端。
机器视觉是一种无接触、无损伤的自动检测技术，是实现设备自动化、智能化和精密控制的有效手段，具有安全可靠、可在恶劣环境下长时间工作和生产效率高等突出优点。机器视觉检测系统通过适当的光源和图像传感器(CCD摄像机)获取产品的表面图像，利用相应的图像处理算法提取图像的特征信息，然后根据特征信息进行表面缺陷的定位、识别、分级等判别和统计、存储、查询等操作；视觉表面缺陷检测系统基本组成主要包括图像获取模块、图像处理模块、图像分析模块、数据管理及人机接口模块。
图像获取模块由CCD摄像机、光学镜头、光源及其夹持装置等组成，其功能是完成产品表面图像的采集。在光源的照明下，通过光学镜头将产品表面成像于相机传感器上，光信号先转换成电信号，进而转换成计算机能处理的数字信号。目前工业用相机主要基于CCD或CMOS(complementary metal oxide semiconductor)芯片的相机。CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器。光源直接影响到图像的质量，其作用是克服环境光干扰，保证图像的稳定性，获得对比度尽可能高的图像。目前常用的光源有卤素灯、荧光灯和发光二级管(LED)。LED光源以体积小、功耗低、响应速度快、发光单色性好、可靠性高、光均匀稳定、易集成等优点获得了广泛的应用。
由光源构成的照明系统按其照射方法可分为明场照明与暗场照明、结构光照明与频闪光照明。由于明场信号本身带有大角度视场相对照度的信息，其会对成像效果产生不可忽视的影响，而如何抑制大角度视场低相对照度的影响，放大待检测杂质的可观测范围，进而实现有效的杂质检测，是目前本领域研究的重点。其次，目前的光学系统在测量过程中由于操作繁琐，前置条件多，不适用于测试仪器受限的情况。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的杂质可观测范围小、杂质检测效率低的问题，本发明的目的是提供一种利用离焦差分平场矫正有效提高杂质检测效率、适用于测试仪器受限情况的镜头洁净度检测方法。
技术方案：本发明所述的利用离焦差分平场矫正检测镜头洁净度的方法，包括如下步骤：
(1)搭建平场测试光路，所述平场测试光路包括光源、待测镜头和单色相机；将单色相机的感光面垂直于待测镜头的镜头光轴放置，并平移至待测镜头的出光位置；
(2)定义离焦量为相机感光面距离待测镜头后焦面距离，根据光学系统焦深，主光线角度以及杂质的大小、位置确定离焦量的取值范围，选取若干不同离焦量，所选取的若干不同离焦量均匀分布在所述取值范围内；定义明场数据是视场中心最亮处值是饱和值的80％～90％时的数据，暗场数据是没有信号输入时的数据；确定相机感光面与待测镜头后焦面距离，固定曝光时间，调整光源亮度，测量不同离焦下的明场图像数据和暗场图像数据；优选的，通过步进采样确定所述离焦量的取值范围；
(3)针对每个像素，进行离焦差分平场校正运算：
DiDj离焦差分＝(离焦Di的明场数据-离焦Di的暗场数据)/(离焦Dj的明场数据-离焦Dj的暗场数据)；
其中，Di、Dj分别是两种不同的离焦，i∈[1,N]，j∈[1,N]；N是离焦的个数；
(4)将各个像素的离焦差分结果的矩阵以图像形式显示，进行镜头洁净度的判断。
优选的，步骤(2)中，不同离焦的暗场图像数据分别采集，即针对多个离焦，单独测量每个离焦下的暗场图像数据，获取每个像素在各个离焦下的明场图像数据和暗场图像数据。
进一步的，步骤(3)中，包括离焦D1、离焦D2、离焦D3、……离焦DN-1、离焦DN，所述离焦差分平场校正运算遍历上述N个离焦的两两差分组合，获得N×(N-1)种离焦差分组合。
进一步的，以小步长步进采样实测确定离焦量的取值范围。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：1、测量过程只有相机感光面的位置发生了移动，操作便捷，前置条件少，适用于测试仪器受限的情况。2、可以抑制大角度视场低相对照度的影响，提高大视场范围的信噪比，对杂质成像进行边缘增强。3、放大了待检测杂质的可观测范围。4、不同离焦在CCD的成像偏移有一个确定的模式，差分后杂质成像的偏移相对光学中心成对称分布，统一了杂质的可观测模式，最小可分辨尺寸为探测器像素大小(um量级)。
附图说明
图1为离焦差分平场矫正测试系统图；
图2为本发明实施例中三种离焦的差分平场矫正结果的图像显示。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，详细阐述本发明的技术方案。
一种利用离焦差分平场矫正检测镜头洁净度的方法，包括如下步骤：
步骤一、搭建平场测试光路，包括窄波段的均匀面光源，待测镜头，以及满足分辨率要求的单色相机。
其中，相机像素大小是影响探测杂质尺寸的精度的主要因素，相机分辨率是影响探测范围的主要因素，因此，需根据检测精度确定满足分辨率要求的单色相机。
本实施例中，窄波段均匀面光源采用8英寸单色积分球，中心波长在520nm，半峰值宽度20nm。
将待测镜头固定，本实施例采用视场角为120*120deg的大视场镜头，以V型块工装固定。
将相机感光面垂直镜头光轴放置，并平移至所需检测的镜头出光位置。本例中相机采用像素大小5.5um，像素数8000*6000的感光面，放置在镜头后焦面。
步骤二、定义离焦量为相机感光面距离镜头后焦面距离；确定相机感光面与待测镜头后焦面距离，测量明场、暗场图像数据。
定义明场数据是视场中心最亮处值是饱和值的80％～90％时的数据，暗场数据是没有信号输入时的数据。测量方法为，固定曝光时间，调整光源亮度使相机输出在于其范围内，即可进行图像数据采集。不同离焦下的暗场图像数据分别采集，提高数据准确性。
本实施例中，首先将相机感光面放置在后焦面位置处，即离焦A为零，固定相机曝光时间50ms，调整积分球输出520nm单色G光，输出量调整至0Nits，即没有光输出，相机采集图像，作为暗场数据。调整积分球，输出520nm单色G光，输出量在50Nits时，相机中心ROI，本例中相机中心1000*1000像素平均值为最大量程的80％，本例中的相机工作在12位模式下，即平均灰度值在3300左右，采集图像，作为明场数据。
步骤三、更换相机感光面的离焦，重复步骤二，测量不同离焦下的明场、暗场图像数据。
本实施例中，选取离焦B＝0.05mm和离焦C＝-0.05mm进行测量，测量步骤与上述离焦A的情况类似。将积分球固定相机曝光时间50ms，调整相机感光面距离镜头后焦面距离0.05mm，记为位置B，调整积分球输出量，采集暗场和明场数据。调整相机感光面距离镜头后焦面距离为负0.05mm，记为位置C。调整积分球输出量，采集暗场和明场数据。
步骤四、针对各离焦明场图像数据、暗场图像数据，分别用其他离焦下的明场、暗场数据进行平场矫正运算。
具体运算方法如下：
DiDj离焦差分＝(离焦Di的明场数据-离焦Di的暗场数据)/(离焦Dj的明场数据-离焦Dj的暗场数据)；
其中，Di、Dj分别是两种不同的离焦，i∈[1,N]，j∈[1,N]；N是离焦的个数；
对于离焦D1、离焦D2、离焦D3、……离焦DN-1、DN等N种离焦，最多有N*(N-1)种离焦差分组合，如表1所示：
表1离焦差分平场矫正的组合排列
离焦D<sub>1</sub> 离焦D<sub>2</sub> 离焦D<sub>3</sub> 离焦D<sub>4</sub> ... 离焦D<sub>N</sub>
离焦D<sub>1</sub> (空) D<sub>1</sub>D<sub>2</sub>差分 D<sub>1</sub>D<sub>3</sub>差分 D<sub>1</sub>D<sub>4</sub>差分 ... D<sub>1</sub>D<sub>N</sub>差分
离焦D<sub>2</sub> D<sub>2</sub>D<sub>1</sub>差分 (空) D<sub>2</sub>D<sub>3</sub>差分 D<sub>2</sub>D<sub>4</sub>差分 ... D<sub>2</sub>D<sub>N</sub>差分
离焦D<sub>3</sub> D<sub>3</sub>D<sub>1</sub>差分 D<sub>3</sub>D<sub>2</sub>差分 (空) D<sub>3</sub>D<sub>4</sub>差分 ... D<sub>3</sub>D<sub>N</sub>差分
离焦D<sub>4</sub> D<sub>4</sub>D<sub>1</sub>差分 D<sub>4</sub>D<sub>2</sub>差分 D<sub>4</sub>D<sub>3</sub>差分 (空) ... D<sub>4</sub>D<sub>N</sub>差分
... ... ... ... ... (空) ...
离焦D<sub>N</sub> D<sub>N</sub>D<sub>1</sub>差分 D<sub>N</sub>D<sub>2</sub>差分 D<sub>N</sub>D<sub>3</sub>差分 D<sub>N</sub>D<sub>4</sub>差分 ... (空)
不同离焦组合得到结果，因杂质的物理性质，包括并不限于尺寸，三维形状，透过率，折射率等而有差异，因此遍历各种离焦组合，丰富探测信息，提高判断效率。最佳离焦量的选取与光学系统DOF(焦深)、CRA(主光线角度)及杂质的大小位置有关，各离焦量均匀分布在可选范围内；或以小步长步进采样实测确定离焦量的取值范围，此处不再详细解释。
本实施例中，通过上述步骤一至步骤三，分别得到0，0.05mm，-0.05mm三种离焦的明场以及暗场共六组数据，即相机每个像素都有对应的独立于其他像素的六个数据，这些数据是以矩阵的形式存在的。针对每个像素P，进行平场校正运算，每个像素的数据处理过程是独立的，不同像素之间数据没有相互影响。得到如下六种差分运算结果：
AB离焦差分结果＝(A离焦明场数据-暗场数据)/(B离焦明场数据-暗场数据)；
AC离焦差分结果＝(A离焦明场数据-暗场数据)/(C离焦明场数据-暗场数据)；
BA离焦差分结果＝(B离焦明场数据-暗场数据)/(A离焦明场数据-暗场数据)；
BC离焦差分结果＝(B离焦明场数据-暗场数据)/(C离焦明场数据-暗场数据)；
CA离焦差分结果＝(C离焦明场数据-暗场数据)/(A离焦明场数据-暗场数据)；
CB离焦差分结果＝(C离焦明场数据-暗场数据)/(B离焦明场数据-暗场数据)；
将所得离焦差分结果的矩阵直接以图2的形式显示，进行镜头洁净度的判断。
从结果中可以看到，差分平场矫正的结果受图像本身强度分布的影响较小，可以抑制大角度视场低相对照度的影响；同一个杂质出现了两个位置，一个数据小于周围像素，图像中呈现为暗点，另一个数据大于周围像素，图像中呈现为亮点，正反两个方向对杂质信息进行提取放大，明暗两点的分布有统一的规律；在同一杂质的两位置(明暗两个位置)有相互重叠的情况，其重叠处的边缘呈现出明显的对比，有边缘增强的效果。
整个测量过程，只有相机感光面的位置发生了移动。本方法操作便捷，前置条件少，适用于测试仪器受限的情况。

Claims (5)

1.一种利用离焦差分平场矫正检测镜头洁净度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）搭建平场测试光路，所述平场测试光路包括光源、待测镜头和单色相机；将单色相机的感光面垂直于待测镜头的镜头光轴放置，并平移至待测镜头的出光位置；
（2）定义离焦量为相机感光面距离待测镜头后焦面距离，选取若干不同离焦量，测量不同离焦下的明场图像数据和暗场图像数据；
（3）针对每个像素，进行离焦差分平场校正运算：
DiDj离焦差分=（离焦Di的明场数据-离焦Di的暗场数据）/（离焦Dj的明场数据-离焦Dj的暗场数据）；
其中，Di、Dj分别是两种不同的离焦，i∈[1,N]，j∈[1,N]；N是离焦的个数；
（4）将各个像素的离焦差分结果的矩阵以图像形式显示，进行镜头洁净度的判断；
定义明场数据是视场中心最亮处值是饱和值的80%~90%时的数据，暗场数据是没有信号输入时的数据；固定曝光时间，调整光源亮度，进行明场、暗场图像数据采集。
2.根据权利要求1所述的利用离焦差分平场矫正检测镜头洁净度的方法，其特征在于：根据光学系统焦深，主光线角度以及杂质的大小、位置确定离焦量的取值范围，步骤（2）中，所选取的若干不同离焦量均匀分布在所述取值范围内。
3.根据权利要求2所述的利用离焦差分平场矫正检测镜头洁净度的方法，其特征在于：通过步进采样确定所述离焦量的取值范围。
4.根据权利要求1所述的利用离焦差分平场矫正检测镜头洁净度的方法，其特征在于，步骤（2）中，不同离焦的暗场图像数据分别采集：针对多个离焦，单独测量每个离焦下的暗场图像数据，获取每个像素在各个离焦下的明场图像数据和暗场图像数据。
5.根据权利要求4所述的利用离焦差分平场矫正检测镜头洁净度的方法，其特征在于：步骤（3）中，包括离焦D1、离焦D2、离焦D3、……离焦DN-1、离焦DN，所述离焦差分平场校正运算遍历上述N个离焦的两两差分组合，获得N×（N-1）种离焦差分组合。
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