CN112748071A - 透明或半透明介质缺陷检测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种透明或半透明介质缺陷检测系统，该检测系统包括，待检测物品，该物品为透明或半透明介质构成；至少一个光源，该光源的光线照射至所述的待检测物品；共聚焦激光器，通过对所述待检测物品的照射，获得所述待检测物品表面相对所述共聚焦激光器的距离数据；光场相机，拍摄获取所述待检测物品的图像，根据获得的所述待检测物品的图像检测出所述待检测物品透明或半透明介质中存在的三维缺陷。
Description
技术领域
本发明属于产品缺陷检测技术领域，特别涉及一种透明或半透明介质缺陷检测系统和方法。
背景技术
近年来，随着科技和工业水平的飞速增长，消费类屏幕电子产品、大屏幕显示器和镜头、镜片等产品的大量生产，曲面屏幕、可弯折屏幕的陆续应用，这类屏幕都会使用透明或半透明介质材料。随着数字产品对这类透明或半透明介质的品质要求也越来越高，对透明或半透明介质的三维缺陷检测一直都是工业外观检测的最难的议题之一。
三维缺陷检测技术是机器视觉领域和测量领域的一项核心技术。三维缺陷检测指识别物体缺陷并得到对应的三维信息。目前工业界对透明或半透明介质的缺陷检测多为人眼检测和二维相机检测，二维工业相机搭配合适的光源仅能检测该介质上灰尘和缺陷的有无，但是无法区别灰尘和缺陷；灰尘可以通过清洗洗掉，产品可以继续使用，而含有缺陷的产品需要报废处理；因此，人眼或二维相机需要反复重复检测、清洗的工序，效率很低，并且误判率很高。由于该介质通常有多层粘合而成，所以缺陷在这些层中均可能出现。判断缺陷在内部所在的层，有助于工厂确定在哪一道工序出现问题，有效改善生产工艺，而灰尘均出现在介质的上下表面，这也是缺陷和灰尘的三维空间位置的一大区别。所以对缺陷和灰尘在透明或半透明介质的三维位置检测，对现有生产有极大裨益。对于透明或半透明介质的三维缺陷检测亟待自动化解决方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于共聚焦的光场透明或半透明介质缺陷检测系统，用以解决现有技术中对由透明或半透明介质构成的产品，其产品内部缺陷难以用机器视觉自动判断检测的问题。所述的缺陷检测系统包括：
待检测的透明或半透明介质，
至少一个光源，用于将光线照射至所述的透明或半透明介质，
光场相机，拍摄获取所述透明或半透明介质的图像，用以检测出所述的透明或半透明介质存在的三维缺陷，
共聚焦激光器，用于标定透明或半透明介质的上下表面。
该检测系统的检测步骤包括：
用光圈匹配后的光场相机拍摄多张散焦柔光板，进行光场白图像校准，并且完成微透镜中心校准；进行光场相机尺度校准，搭设适合角度的光源；用光场相机拍摄被测介质缺陷区域并处理得到多视角及深度图像，基于多视角图像中缺陷的形状及颜色，剔除深度图中非缺陷点，获得所述的透明或半透明介质缺陷的三维信息；共聚焦激光器垂直照射于待测物体上，返回在共聚焦激光器坐标下的玻璃上下表面的深度值；将共聚焦坐标系下的上下表面的深度值转换到相机坐标系，得到相机坐标系下的物体上下表面深度值；生成待测物体上下表面参考面及缺陷点的点云图像，判断出缺陷在玻璃中相对位置。
本发明实施例的有益效果之一，是通过基于共聚焦的光场透明或半透明介质缺陷检测系统，利用共聚焦激光器和光场相机实现对透明或半透明介质三维缺陷的全面性的精确检测，以及缺陷在玻璃中相对位置的精确判定。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1是根据本发明实施例之一的透明或半透明介质缺陷检测过程流程图。
图2是根据本发明实施例中透明或半透明介质缺陷检测系统组成示意图，其中，光场相机拍摄在多角度光源照射被测介质，使用共聚焦激光器标定被测介质上、下表面。
图3是本发明一个实施例中的手机屏幕玻璃检测示例图，其中，
3a是计算得到的手机屏幕玻璃的光场中心视角图像，3b是对应的深度图像；3c是对应的三维点云图像的侧视图。
图4是本发明一个实施例中的偏振片检测示例图，其中，
4a是计算得到的偏振片的光场中心视角图像；4b是对应的深度图像；4c是对应的三维点云图像的侧视图。
图5是本发明一个实施例中的CPI薄膜检测示例图。
5a是计算得到的OLED屏幕的透明CPI薄膜的光场中心视角图像；5b是对应的深度图像；5c是对应的三维点云图像的侧视图。
其中，100——光场相机，
201——第一光源，202——第二光源，203——第三光源，
300——带有缺陷的透明或半透明介质。
400——共聚焦激光器
具体实施方式
本发明实施例采用光场相机为三维缺陷检测提供了新的解决方向。光场相机在常规相机的传感器和主镜头中间增加了微透镜阵列，进而记录光线的传播方向，形成独特的经过透镜阵列编码的光场图像，对该光场图像进行处理渲染，继而可以得到三维信息。光场相机是一种被动式三维测量方式，因此可以透过透明或半透明介质进行缺陷检测和三维测量。
共聚焦激光器则是通过共聚焦原理，单次激光投射获取透明物体2个面之间的相对高度，而且共聚焦激光器的精度较高，通常z方向的精度在1u左右，用于透明或半透明介质的上下表面标定有极好的效果。
根据一个或者多个实施例，如图2所示，一种透明或半透明介质缺陷检测系统。该系统包括，待检测的透明或半透明介质；至少一个光源，用于将光线照射至所述的透明或半透明介质；光场相机，拍摄获取所述透明或半透明介质的图像，用以检测出所述的透明或半透明介质存在的三维缺陷；共聚焦激光器，用以标定玻璃上下表面。
该检测的步骤包括：用光圈匹配后的光场相机拍摄多张散焦柔光板，进行光场白图像校准，并且完成微透镜中心校准；进行光场相机尺度校准，搭设适合角度的光源；用光场相机拍摄被测介质缺陷区域并处理得到多视角及深度图像，基于多视角图像中缺陷的形状及颜色，剔除深度图中非缺陷点，获得所述的透明或半透明介质缺陷的三维信息；共聚焦激光器垂直照射于待测物体上，返回在共聚焦激光器坐标下的玻璃上下表面的深度值；将共聚焦坐标系下的上下表面的深度值转换到相机坐标系，得到相机坐标系下的物体上下表面深度值；生成待测物体上下表面参考面及缺陷点的点云图像，判断出缺陷在玻璃中相对位置。
根据一个或者多个实施例，如图1所示，一种基于共聚焦光场的透明及半透明介质三维缺陷检测方法，包含如下步骤：
A1，根据透明或半透明介质的测量区域大小和测量深度范围，选择适合焦距和放大倍率的光学镜头。调节镜头光圈至光场相机光圈匹配，即微透镜光圈和主镜头光圈匹配，具体表现为光场相机拍摄散焦柔光纯色校准板图像，该图像中微透镜阵列恰好或接近于相切状态。光场白图像，或者光场相机白图像是指光场相机拍摄的纯白背景图像，这时微透镜阵列的形状会在该图像上体现的特别明显。因此可以基于该图像调节光圈，确保微透镜图像恰好相切。
调节完毕后，拍摄多张位于光场相机散焦处的光强较为均匀的纯色背景板，即散焦柔光纯色校准板。对多张光场白图像进行平均化及归一化处理后得到去渐晕矩阵
，后续拍摄的全部光场原始图像均需要点除以该去渐晕矩阵，从而完成光场白图像校准。这里的光场原始图像是指相对于未经过光场多视角图像算法处理的光场图像。
完成光场包图像校准步骤后，对光场白图像使用滤波器进行处理，去除光场白图像噪声，并对滤波后的光场图像进行非极大值抑制；进而根据处理后的图像取局部最大值，该最大值恰好为光场相机微透镜的整数级中心；以整数级微透镜中心作为初始迭代值，迭代优化微透镜排列网格，最终获得微透镜排列的角度及间距，获得亚像素级微透镜中心。
A2，光场相机尺度校准步骤需要装配位移台及尺度校准板：首先固定尺度校准板在光场相机焦平面区域，从焦平面处不断移动校准板到固定空间距离，并进行拍摄，且校准板上点的空间位置已知，因此可以得到整个移动过程中校准板上点的空间位置。圆点校准点在光场图像上会形成弥散圆，处理得到弥散圆的直径进而计算得到弥散圆的视差值及弥散圆的像素坐标，根据光场相机尺度校准模型，拟合得到空间中三维坐标和光场相机像素坐标和视差值的关系。
A3，根据被测透明或半透明介质的测量需求进行多个角度光源照射，如图2所示多个角度光源对透明或半透明介质表面及内部的三维缺陷照射，以至于能被光场相机成像；该过程中光源并不受限制，可以使用诸如环形光源、背光源、条形光源、球积分光源、穹顶光源、同轴光源等。
A4，基于含有缺陷信息的光场相机原始光场图像，进行常规光场渲染及深度估计。首先进行光场多视角渲染，得到具有缺陷信息的光场多视角图像；然后进一步计算获得光场视差图像，根据光场相机尺度校准结果，将光场视差图像转为光场深度图像，该深度图像中同样包含缺陷的深度信息。
A5，光场多视角图像与常规二维相机图像本质上没有区别，可以视为多个不同角度的二维相机拍摄同一个物体，因此可以对该多视角图像进行缺陷提取。缺陷识别和提取可以使用多种方法，如基于形状的模板匹配、基于灰度的轮廓提取和基于卷积神经网络的缺陷识别等方法将图像中缺陷的像素坐标提取出来，并剔除深度图像上非缺陷区域。
A6，基于A2的光场尺度校准结果，将仅剩余缺陷区域的深度图像映射至空间坐标系中，最终形成缺陷的三维点云。获得缺陷的灰度信息、三维坐标信息和形状信息。
A7，共聚焦激光器与玻璃垂直放置，共聚焦激光器照射透明或半透明介质时会返回2个波峰，即透明或半透明介质在共聚焦激光器坐标下的深度信息。将共聚焦激光器坐标下的待测介质上下表面深度值转换到相机坐标系下，得到待测介质中的缺陷在待测介质中的相对位置。
本发明附有3种不同类型实施例，分别是手机透明屏幕的三维缺陷检测实施例，有机发光半导体(OrganicLight-Emitting Diode，OLED)中有机发光层透明聚酰亚胺(Colorless Polyimide；CPI)膜的三维缺陷检测实施例，半透明偏振片的三维缺陷检测实施例。
第一个实施例具体过程如下：
整套系统首先采用二维相机进行整体手机屏幕拍摄，搭配多个角度不同种类光源进行照射，包括被测物体正上方的桶型光源、上方4个侧方向照射的侧光源和被测物体正下方的背光光源；将手机屏幕上的缺陷照射清楚后，二维相机进行拍摄；通过对该二维图像中缺陷在该图像中的水平方向位置，确定缺陷在手机屏幕上的相对位置；将该信息传输给传送带；传输带将被测样品移动到光场相机视野恰好覆盖缺陷的位置；根据手机屏幕玻璃本身的尺寸(厚度0.7mm)及对应的缺陷和灰尘的大小，本实施例采用搭配4倍的放大倍率镜头进行拍摄；光场相机搭配合适光圈和焦距的镜头后拍摄散焦柔光纯色校准板，进行光场白图像校准和微透镜中心校准；光场相机拍摄多张空间位置不同的尺度校准板进行光场相机尺度校准；搭配桶型光源，该桶型光源罩住待测手机屏幕玻璃上方，桶型光源分别从上中下三个角度发射蓝光照射待测物体，以至于透明屏幕上的缺陷和灰尘均能被光场相机拍摄成像；光场相机进行光场多视角渲染及深度计算，得到对应的手机屏幕缺陷二维中心视角图像(图3a)及对应的深度图像(图3b)；根据多视角图像中缺陷形状和颜色信息剔除非缺陷点；计算得到该被测介质中缺陷的三维点云信息(位置信息)及形状信息；共聚焦激光器垂直照射于待测物体上，返回在共聚焦激光器坐标下的玻璃上下表面的深度值；将共聚焦坐标系下的上下表面的深度值转换到相机坐标系，得到相机坐标系下的物体上下表面深度值；生成待测物体上下表面参考面及缺陷点的点云图像，判断出缺陷在玻璃中相对位置。
第二个实施例具体过程如下：
整套系统首先采用二维相机进行整体偏振片拍摄，搭配多个角度不同种类光源进行照射，包括被测物体正上方的桶型光源、上方4个侧方向照射的侧光源和被测物体正下方的背光光源；将偏振片上的缺陷照射清楚后，二维相机进行拍摄；通过对该二维图像中缺陷在该图像中的水平方向位置，确定缺陷在偏振片上的相对位置；将该信息传输给传送带；传输带将被测样品移动到光场相机视野恰好覆盖缺陷的位置；
根据偏振片本身的尺寸(厚度1.1mm)及对应的缺陷和灰尘的大小，本实施例采用搭配4倍的放大倍率镜头进行拍摄；光场相机搭配合适光圈和焦距的镜头后拍摄散焦柔光纯色校准板，进行光场白图像校准和微透镜中心校准；光场相机拍摄多张空间位置不同的尺度校准板进行光场相机尺度校准；搭配两个侧光光源，该侧光光源放置于待测半透明偏振片上方斜45°角度方向，两个光源基于相机主光轴对称放置，以至于半透明偏振片的缺陷和灰尘均能被光场相机拍摄成像；光场相机进行光场多视角渲染及深度计算，得到对应的手机屏幕缺陷二维中心视角图像(图4a)及对应的深度图像(图4b)；根据多视角图像中缺陷形状和颜色信息剔除非缺陷点；计算得到该被测介质中缺陷的三维点云信息(位置信息)及形状信息；共聚焦激光器垂直照射于待测物体上，返回在共聚焦激光器坐标下的玻璃上下表面的深度值；将共聚焦坐标系下的上下表面的深度值转换到相机坐标系，得到相机坐标系下的物体上下表面深度值；生成待测物体上下表面参考面及缺陷点的点云图像，判断出缺陷在玻璃中相对位置。
第三个实施例具体过程如下：
整套系统首先采用二维相机进行整体透明CPI薄膜拍摄，搭配多个角度不同种类光源进行照射，包括被测物体正上方的桶型光源、上方4个侧方向照射的侧光源和被测物体正下方的背光光源；将透明CPI薄膜上的缺陷照射清楚后，二维相机进行拍摄；通过对该二维图像中缺陷在该图像中的水平方向位置，确定缺陷在透明CPI薄膜上的相对位置；将该信息传输给传送带；传输带将被测样品移动到光场相机视野恰好覆盖缺陷的位置；
根据透明CPI薄膜本身的尺寸(厚度0.12mm)及对应的缺陷和灰尘的大小，本实施例采用搭配6倍的放大倍率镜头进行拍摄；光场相机搭配合适光圈和焦距的镜头后拍摄散焦柔光纯色校准板，进行光场白图像校准和微透镜中心校准；光场相机拍摄多张空间位置不同的尺度校准板进行光场相机尺度校准；搭配背光光源，该侧光光源放置于待测透明CPI薄膜下方，光源照射方向与相机主光轴重合，以至于透明CPI薄膜的缺陷和灰尘均能被光场相机拍摄成像；光场相机进行光场多视角渲染及深度计算，得到对应的手机屏幕缺陷二维中心视角图像(图5a)及对应的深度图像(图5b)；根据多视角图像中缺陷形状和颜色信息剔除非缺陷点；最终计算得到该被测介质中缺陷的三维点云信息(位置信息)及形状信息；共聚焦激光器垂直照射于待测物体上，返回在共聚焦激光器坐标下的玻璃上下表面的深度值；将共聚焦坐标系下的上下表面的深度值转换到相机坐标系，得到相机坐标系下的物体上下表面深度值；生成待测物体上下表面参考面及缺陷点的点云图像，判断出缺陷在玻璃中相对位置。
本发明实施例的有益效果包括：
1、利用光场相机被动式测量的特点，光场相机可以透过透明或半透明介质进行三维成像。因此，不仅可以进行上表面缺陷三维测量，而且也能对内部和下表面缺陷进行三维检测。
2、基于光场相机的三维检测方法高效便捷并且具有更高的精度和普适性。
3.提取基于共聚焦激光器的玻璃上下表面标定方法，结合光场相机使用能够准确得到缺陷在玻璃中的相对位置。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种透明或半透明介质缺陷检测系统，其特征在于，该检测系统包括，待检测物品，该物品为透明或半透明介质构成；
至少一个光源，该光源的光线照射至所述的待检测物品；
共聚焦激光器，通过对所述待检测物品的照射，获得所述待检测物品表面相对所述共聚焦激光器的距离数据；
光场相机，拍摄获取所述待检测物品的图像，根据获得的所述待检测物品的图像检测出所述待检测物品透明或半透明介质中存在的三维缺陷。
2.根据权利要求1所述的透明或半透明介质缺陷检测系统，其特征在于，所述光场相机拍摄并检测缺陷的步骤包括：
使用所述光场相机拍摄多张散焦柔光板，进行光场白图像校准，并且完成微透镜中心校准；
对所述光场相机进行尺度校准，搭设、设置适合角度的光源；
用光场相机拍摄被测介质缺陷区域并处理得到多视角及深度图像，基于多视角图像中缺陷的形状及颜色，剔除深度图中非缺陷点，获得所述待检测物品的透明或半透明介质缺陷的三维信息。
3.根据权利要求2所述的透明或半透明介质缺陷检测系统，其特征在于，所述光场相机拍摄并检测缺陷的步骤还包括，
所述共聚焦激光器垂直照射于待测物品上，返回相对于共聚焦激光器坐标下的待检测物品上下表面的高度值；
将共聚焦坐标系下的上下表面的高度值转换到所述光场相机的坐标系，得到光场相机坐标系下的待检测物体上下表面高度值；
生成待测物体上下表面参考面及缺陷点的点云图像，判断出缺陷在待检测物品透明或半透明介质中的位置。
4.根据权利要求1所述的透明或半透明介质缺陷检测系统，其特征在于，所述检测系统检测缺陷的步骤包括，
A1，根据待测物品透明或半透明介质的测量区域大小和测量深度范围，选择适合焦距和放大倍率的光学镜头，
调节镜头光圈至光场相机光圈匹配，为所述光场相机拍摄散焦柔光纯色校准板图像，完成光场白图像校准，
对光场白图像使用滤波器进行处理，去除光场白图像噪声，并对滤波后的光场图像进行非极大值抑制；
根据处理后的图像取局部最大值，以整数级微透镜中心作为初始迭代值，迭代优化微透镜排列网格，最终获得微透镜排列的角度及间距，获得亚像素级微透镜中心；
A2，对所述光场相机进行尺度校准步骤，首先固定尺度校准板在光场相机焦平面区域，从焦平面处不断移动校准板到固定空间距离，并进行拍摄，校准板上点的空间位置已知，得到整个移动过程中校准板上点的空间位置，
获得圆点校准点在光场图像上形成的弥散圆的直径，进而计算得到弥散圆的视差值及弥散圆的像素坐标，根据光场相机尺度校准模型，拟合得到空间中三维坐标和光场相机像素坐标和视差值的关系；
A3，根据被测物品的透明或半透明介质的测量需求进行多个角度光源照射，使其能被所述光场相机成像；
A4，对含有缺陷信息的从所述光场相机原始获得的光场图像，进行常规光场渲染及深度估计，首先进行光场多视角渲染，得到具有缺陷信息的光场多视角图像；然后进一步计算获得光场视差图像，根据光场相机尺度校准结果，将光场视差图像转为光场深度图像，该深度图像中包含有缺陷的深度信息；
A5，对所述多视角图像进行缺陷提取；
A6，基于步骤A2的光场尺度校准结果，将仅剩余缺陷区域的深度图像映射至空间坐标系中，最终形成缺陷的三维点云，获得所述缺陷的灰度数据、三维坐标数据和形状数据；
A7，所述共聚焦激光器照射待测物品透明或半透明介质时获得透明或半透明介质表面在共聚焦激光器坐标下的深度信息，将所述共聚焦激光器坐标下的待测物品透明或半透明介质上、下表面深度值转换到所述光场相机坐标系下，得到待测物品透明或半透明介质中的缺陷在介质中的相对位置。
5.一种透明或半透明介质缺陷检测系统，其特征在于，该检测系统包括，待检测物品，该物品为透明或半透明介质构成；
至少一个光源，该光源的光线照射至所述的待检测物品；
共聚焦激光器，通过对所述待检测物品的照射，获得所述待检测物品表面相对所述共聚焦激光器的距离数据；
光场相机，拍摄获取所述待检测物品的图像，
图像处理器，与所述光场相机耦接，获得所述光场相机提供的图像，根据获得的所述待检测物品的图像判断检测出所述待检测物品透明或半透明介质中存在的三维缺陷，以及该三维缺陷的位置。
6.一种透明或半透明介质缺陷检测方法，其特征在于，该方法包括，
设置至少一个光源，该光源的光线照射至所述的待检测物品，该待检测物品由透明或半透明介质构成；
设置共聚焦激光器，通过对所述待检测物品的照射，获得所述待检测物品表面相对所述共聚焦激光器的距离数据；
采用光场相机拍摄获取所述待检测物品的图像，根据获得的所述待检测物品的图像检测出所述待检测物品透明或半透明介质中存在的三维缺陷，获得该三维缺陷在介质中的相对位置。
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