CN112630228A - 一种机器视觉光源、方法及检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器视觉光源、方法及检测系统，其中一种机器视觉光源包括：至少一个LED单环，所述LED单环包括多个LED灯，所述LED单环的圆心与相机的镜头的中心重合；同一个LED单环上的所述LED灯以相同的入射角将光线投射至待测面，以在所述待测面上形成均匀的光场；所述入射角满足以下条件：在所述待测面为镜面时，所述LED灯投射的光线经所述待测面反射后偏离所述相机的镜头，以在所述相机的视场中形成暗场。本发明提供一种新型的机器视觉光源，该机器视觉光源能够提供均匀的光场，且通过设置入射角后，可用于检测光滑高反光类的待测面，可广泛应用于机器视觉检测技术领域。

Description

一种机器视觉光源、方法及检测系统

技术领域

本发明涉及机器视觉检测技术领域，尤其涉及一种机器视觉光源、方法及检测系统。

背景技术

随着技术的发展，当前工业检测离不开机器视觉检测系统，机器视觉检测系统能够实现自动化的工业检测，节省了人力成本，并提高检测效率，而机器视觉光源是机器视觉检测系统中最为重要的组成部分，为满足各种工业检测的需求，人们已经设计了种类繁多的机器视觉光源，但是对汽车漆面划痕等缺陷的检测，仍然无合适的机器视觉光源所用，因为汽车漆面具有光滑且高反光的特点，导致现有的光源无法满足其表面缺陷的检测，因此，有必要设计一种新型的机器视觉光源来满足光滑高反射表面的缺陷检测。

针对光滑高反射表面的划痕等缺陷的检测，目前通常折中地使用平板光源或者低角环形光源。但是以上两种光源均无法满足所有划痕缺陷的检测，均存在一些问题，比如，平板光源，其技术特点是从一个特定的方向进行打光，光源发出的光线具有特定的角度，那就以为这只有特定取向的划痕反射的光才能进入到相机，从而被检测到，但是对其他曲向的划痕，就无法检测出来；而低角环形光源，解决了平板光源打光方向单一的问题，其技术特点是从四周环形的进行打光，从而有利于各种曲线划痕的检测，但是目前现有的环形光源，其多环的LED排列均为同一入射方向，无法形成均匀的光场。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种机器视觉光源、方法及检测系统。

本发明所采用的技术方案是：

一种机器视觉光源，包括：

至少一个LED单环，所述LED单环包括多个LED灯，所述LED单环的圆心与相机的镜头的中心重合；

同一个LED单环上的所述LED灯以相同的入射角将光线投射至待测面，以在所述待测面上形成均匀的光场；

所述入射角满足以下条件：在所述待测面为镜面时，所述LED灯投射的光线经所述待测面反射后偏离所述相机的镜头，以在所述相机的视场中形成暗场。

进一步，所述LED单环的半径通过以下方式获得：

根据斯派罗衍射分辨率准则确定第一半径；

根据第一半径和所述入射角确定所述LED单环的半径。

进一步，所述机器视觉光源包括多个LED单环，且不同的所述LED单环的入射角不同。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种设计方法，应用于上所述的一种机器视觉光源，其特征在于，包括：

根据相机的位置确定LED单环的圆心位置；

获取所述相机暗场的临界角，根据所述临界角获取所述LED单环上LED灯的入射角；

根据所述入射角确定所述LED单环的半径。

进一步，所述根据所述入射角确定所述LED单环的半径，包括：

根据斯派罗衍射分辨率准则获取第一半径；

根据第一半径和所述入射角获取所述LED单环的半径。

进一步，所述根据斯派罗衍射分辨率准则获取第一半径，包括：

获取所述LED单环的光强总量，对所述光强总量进行求导，获得第一半径；

其中光强总量的表达式为：

m的值为：

其中，A_LED为LED灯的发光面积，L_LED为LED灯的辐射强度，N为组成LED环的LED个数，z代表LED单环的圆心与待测面之间的距离，ρ为第一半径，θ_1/2为LED的相机视角的一半。

进一步，所述LED单环的半径通过以下公式获得：

ρ₁＝[tan(β)+ρ]z

其中，ρ为第一半径，β为入射角。

进一步，所述临界角的计算公式为：

其中，WD为相机的镜头到待测面的距离，X_e为LED灯与镜头投影在待测面之间的距离。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种光滑高反光表面划痕缺陷检测系统，包括：

光源，用于为待测面提供均匀的光场，所述光源采用如上所述的一种机器视觉光源；

相机，用于采集图像信息；

处理器，用于根据采集的图像信息检测待测面是否存有划痕。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种光滑高反光表面划痕缺陷检测方法，包括以下步骤：

控制光源投射光线，以在待测面上形成均匀的光场；

采用相机获取图像信息，根据图像信息检测所述待测面是否存有划痕；

其中，所述光源采用如上所述的一种机器视觉光源来实现。

本发明的有益效果是：本发明提供一种新型的机器视觉光源，该机器视觉光源能够提供均匀的光场，且通过设置入射角后，可用于检测光滑高反光类的待测面。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1是本发明实施例中光滑高反光表面检测的原理示意图；

图2是本发明实施例中LED单环的结构示意图。

图3是本发明实施例中LED单环的半径的计算示意图；

图4是本发明实施例中LED单环的半径与LED灯排列的入射角度之间的关系示意图；

图5是本发明实施例中临界角与入射角的关系示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本实施例提供一种新型的机器视觉光源，包括：

至少一个LED单环，LED单环包括多个LED灯，LED单环的圆心与相机的镜头的中心重合；

同一个LED单环上的LED灯以相同的入射角将光线投射至待测面，以在待测面上形成均匀的光场；

入射角满足以下条件：在待测面为镜面时，LED灯投射的光线经待测面反射后偏离相机的镜头，以在相机的视场中形成暗场。

本实施例的LED单环呈圆形，具体采用LED的个数及LED的种类，根据检测需要而定，在此不进行展开说明。待测面主要为光滑高反光表面，如镜面，这里所指的镜面是一个广泛的定义，并不限定为镜子的表面，包括在技术处理上即对生产模具的平面部分和坯饼的表面都要进行严格抛光处理，以便生产出高精度的镜面效果，如金银币表面的平整度和光洁度，即称之为金银币的镜面。光线经过镜面进行镜面反射，而不是漫反射。相机用于采集待测面的图像信息，设置反射光线偏离相机的镜头，若在待测面上只发生镜面反射，则在相机的视场中形成暗场；若在待测面上发生漫反射，即待测面上存有划痕，则有光线进入相机的镜头，从而检测到待测面上存有划痕或其他缺陷。

以下结合图1-5对上述机器视觉光源的原理进行详细的解释说明。

图1光滑高反光表面检测的原理示意图，相机设置样品的正上方，从LED发出的光入射到样品表面(即待测面)后，若样品表面无划痕，即为镜面，就会发生镜面反射，若样品表面有划痕，光照射到样品表面的划痕后会发生漫反射。所以当光的入射角度满足一定的条件入射到光滑镜面后会以镜面反射偏离相机，光线不会进入相机，在相机视场中形成暗场，而划痕反射后的光为漫反射光，其方向具有多样性，所以有部分光会进入到相机，从而检测到划痕的存在。

形成暗场的条件：

对于表面上X₁点，入射角度β_1,i>β₁；

对于表面上X₂点，入射角度β_2,i>β₂；

那么，对于任一点X_j，实现暗场需要满足的条件是：

图中FOV为相机的视场，WD为相机的工作距离，因此，入射角越大越好，重点需要实现在大入射角度情况下，光场中光强的均一性。

如图2所示，每个LED为一个LED灯珠，由多个LED灯珠排列为环的形状，组成一个单环LED光源(即一个LED单环)，图2中，一个单环LED光源由6个LED灯珠排列成环的，但需要注意的是，单环LED光源亦可由其他个数的LED灯珠排列而成。

单个LED可以被近视为朗伯发射体，其发出的光强可以下式表示：

E(r,θ)＝E₀(r)cos^m(θ)

其中，θ为LED的视角，E₀(r)为距离LED为r的远处的光强。当将多个LED组成环形光源时(如图2所示)，其形成的总的光强为：

其中A_LED为LED的发光面积，L_LED为LED芯片的辐射强度，N为组成LED环的LED个数，ρ为环的半径，m为与LED的视角有关，其值为：

θ_1/2为LED的视角的一半，其值有LED的制造商提供。

参见图3，根据斯派罗(衍射分辨率)准则，通过调节LED单环的半径ρ，最终可以形成均匀的光场，最优的环半径ρ₀；通过总的光强E(x,y,z)对x求两次偏导，在x＝0,且y＝0时，可以获得ρ₀：

当LED以一定的角度β入射时，根据几何关系：

tan(β)＝(ρ₁-ρ₀)/z

可以获得最优的环半径ρ₁(即LED单环的半径)：

通过上述的分析可知，对于单环LED光源，将斜着入射等价为正入射，本质就是计算出正入射时候的半径(该半径下，光是均匀的)，然后将LED按照斜入射进行排列即可；排列好后，获得均匀的光场。

为了增加光场的光强，实际应用中往往需要多环LED，以下介绍多环LED光源的实现方式。其中，多环LED就是整个光源包含多个上述的单环LED。

通过前面计算环半径ρ₁的公式，斜着入射时，入射角与半径之间的变化关系如图4所示：

在满足均匀光场的情况下，LED环的半径随着入射角的增加而增大；也就意味着，若LED环的半径增加，要实现均匀光场，就需要更大的入射角。

为了增加光场的光强，实际应用中往往需要多环LED，由于光源物理空间的限制，多环LED光源将会导致每一环的半径不同，根据环半径，借助图4所示的关系，设计出每一环LED对应入射角度，从而实现多变角度、光场均匀的机器视觉光源。

对于所有的入射角，都需要大于暗场的临界角，图5为变角度均匀光场光源示意图，根据FOV和WD，并利用如下公式计算获得暗场的临界角：

那么第一环中所有的LED灯珠的光轴方向与待测表面的法向量成β_co的夹角，其对应的环半径为r₀，该半径可以由前面计算半径的公式求得，根据前面的介绍，只要大于β_co的角度均满足在FOV中形成暗场的条件，同时为了增加FOV中入射光的方向，本实施例提出将第二环和第三环的LED灯珠的入射角分别设置为β_c1和β_c2，且β_c2>β_c1>β_c0，r1和r2的求得的方法与r₀相同。将LED灯珠按照入射角度和环半径进行排列，即可形成均匀的光场，当然在满足大于临界角度的情况，也可以增加更多个LED环，LED环越多，最终的入射角度越丰富，且光场中光强越强。

综上所述，本实施例的光源与传统的平板光源相比，能够从四周打光，可以实现对不同取向的划痕缺陷的检测，具有更强的应用范围。本实施例的光源与现有的低角环形光源相比，设计的入射角随着LED环半径的增大而增加，可最大程度地实现均匀场；本实施例中的机器视觉光源同时实现了光线从多个角度入射，入射角度相对丰富。

总的来说，本实施例提出了一种变角度、入射角度丰富，且光强均匀的机器视觉光源，该光源在光滑高反光表面具有广泛的应用前景。

本实施例还提供一种设计方法，该设计方法用于设计上述的机器视觉光源，包括以下步骤：

S1、根据相机的位置确定LED单环的圆心位置；

S2、获取相机暗场的临界角，根据临界角获取LED单环上LED灯的入射角；

S3、根据入射角确定LED单环的半径。

本实施例还提供一种光滑高反光表面划痕缺陷检测系统，包括：

光源，用于为待测面提供均匀的光场，所述光源采用如上所述的一种机器视觉光源；

相机，用于采集图像信息；

处理器，用于根据采集的图像信息检测待测面是否存有划痕。

本实施例的一种光滑高反光表面划痕缺陷检测系统，与上述的一种机器视觉光源具有对应的关系，具备一种机器视觉光源相应的功能及有益效果。

本实施例还提供一种光滑高反光表面划痕缺陷检测方法，包括以下步骤：

控制光源投射光线，以在待测面上形成均匀的光场；

采用相机获取图像信息，根据图像信息检测所述待测面是否存有划痕；

其中，所述光源采用如上所述的一种机器视觉光源来实现。

本实施例中，通过提供均匀的光场，能够快速及准确地检测出待测面是否存有划痕，提高检测效率，间接提供生产效益。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种机器视觉光源，其特征在于，包括：

至少一个LED单环，所述LED单环包括多个LED灯，所述LED单环的圆心与相机的镜头的中心重合；

同一个LED单环上的所述LED灯以相同的入射角将光线投射至待测面，以在所述待测面上形成均匀的光场；

所述入射角满足以下条件：在所述待测面为镜面时，所述LED灯投射的光线经所述待测面反射后偏离所述相机的镜头，以在所述相机的视场中形成暗场。

2.根据权利要求1所述的一种机器视觉光源，其特征在于，所述LED单环的半径通过以下方式获得：

根据斯派罗衍射分辨率准则确定第一半径；

根据第一半径和所述入射角确定所述LED单环的半径。

3.根据权利要求1所述的一种机器视觉光源，其特征在于，所述机器视觉光源包括多个LED单环，且不同的所述LED单环的入射角不同。

4.一种设计方法，应用于如权利要求1-3任一项所述的一种机器视觉光源，其特征在于，包括：

根据相机的位置确定LED单环的圆心位置；

获取所述相机暗场的临界角，根据所述临界角获取所述LED单环上LED灯的入射角；根据所述入射角确定所述LED单环的半径。

5.根据权利要求4所述的一种设计方法，其特征在于，所述根据所述入射角确定所述LED单环的半径，包括：

根据斯派罗衍射分辨率准则获取第一半径；

根据第一半径和所述入射角获取所述LED单环的半径。

6.根据权利要求5所述的一种设计方法，其特征在于，所述根据斯派罗衍射分辨率准则获取第一半径，包括：

获取所述LED单环的光强总量，对所述光强总量进行求导，获得第一半径；

其中光强总量的表达式为：

m的值为：

其中，A_LED为LED灯的发光面积，L_LED为LED灯的辐射强度，N为组成LED环的LED个数，z代表LED单环的圆心与待测面之间的距离，ρ为第一半径，θ_1/2为LED的相机视角的一半。

7.根据权利要求6所述的一种设计方法，其特征在于，所述LED单环的半径通过以下公式获得：

ρ₁＝[tan(β)+ρ]z

其中，ρ为第一半径，β为入射角。

8.根据权利要求4所述的一种设计方法，其特征在于，所述临界角的计算公式为：

其中，WD为相机的镜头到待测面的距离，X_e为LED灯与镜头投影在待测面之间的距离。

9.一种光滑高反光表面划痕缺陷检测系统，其特征在于，包括：

光源，用于为待测面提供均匀的光场，所述光源采用如权利要求1-3任一项所述的一种机器视觉光源；

相机，用于采集图像信息；

处理器，用于根据采集的图像信息检测待测面是否存有划痕。

10.一种光滑高反光表面划痕缺陷检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

控制光源投射光线，以在待测面上形成均匀的光场；

采用相机获取图像信息，根据图像信息检测所述待测面是否存有划痕；

其中，所述光源采用如权利要求1-3任一项所述的一种机器视觉光源来实现。

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