CN113281343A - 一种对多层透明材料进行缺陷检测的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对多层透明材料进行缺陷检测的系统,包括:复色光源、色散光学器件、相机以及控制及数据处理单元;利用色散共焦的原理对透明材料内部分层进行线扫描,利用线扫描得到的多帧图像进行处理之后得到透明材料各层的立体图像,并且能对材料表面或者透明材料某一层进行缺陷(突起或者凹陷)的尺寸进行计算。本发明的能定量测量出材料表面缺陷的尺寸,同时实现了对材料表面全覆盖测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像处理技术,具体涉及一种对多层透明材料进行缺陷检测的系统及方法。
背景技术
多层透明材料进行缺陷检测与测量的方法可以应用于半导体检测、手机屏幕的缺陷检测等领域,这些领域对材料表面的光滑以及平整程度要求很高。
目前这些应用领域常见的检测技术是利用高分辨率相机或者线共焦等技术对材料表面或者内部进行直接成像或者测量的。
利用高分辨率相机的方法可以通过对材料表面的成像的方式,直观地观察到材料表面的平整程度。这种方法通常使用的是面光源照射到材料表面,相机通过接收反射光进行成像,在图像中可以通过灰度值的明暗变化直观的检查材料表面的光滑、平整的程度,就像人们通常利用一个角度对着光纤观察某个物体的表面一样。这种方法可以直观地检查材料表面的光滑程度,但是不能定量的测量出材料表面缺陷的尺寸。
另外一种利用线共焦技术对透明材料厚度进行测量的方法是利用点光源色散之后的光照射在透明材料表面,利用光谱仪测量接收到的发射光的波长来计算处透明材料的厚度。这种方法可以精确的测量出透明材料被测位置的厚度,但是只能对单点进行测量,不能对材料表面实现全覆盖测量以及成像。
发明内容
为了解决现有高分辨率相机检测方法不能定量测量出材料表面缺陷的尺寸,以及现有线共焦技术方法不能对材料表面实现全覆盖测量以及成像的问题,本发明提供了一种对多层透明材料进行缺陷检测的系统及方法。
本发明的基本原理为:
利用色散共焦的原理对透明材料内部分层进行线扫描,利用线扫描得到的多帧图像进行处理之后得到透明材料各层的立体图像,并且能对材料表面或者透明材料某一层进行缺陷(突起或者凹陷)的尺寸进行计算。
本发明的具体技术方案是:
提供了一种对多层透明材料进行缺陷检测的系统,包括:
复色光源,用于发射一束宽光谱的复色光;
色散光学器件,设置于所述复色光源与被测多层透明物体之间,用于使所述复色光发生光谱色散后入射被测多层透明物体;
相机,用于获取被测多层透明物体反射的色散光;
控制及数据处理单元,用于控制所述放置被测多层透明材料的稳定平台平行于复色光源与相机,沿轴向运动,并读取相机拍摄的每帧图像;其中,每帧图像中具有i条直线,i表示多层透明材料的层数;第i条直线对应多层透明材料的第i层在当前帧图像的表征,将所有帧图像中用于表征同一层材料的直线进行拼接,得到用于表征多层透明材料的立体图像,通过该立体图像判断被测多层透明物体各个分层材料表面是否有缺陷及缺陷的分布位置,并计算缺陷尺寸。
进一步地,上述缺陷尺寸的具体计算过程为:
设相机的单个像元对应被测多层透明物体的实际分辨率为M;
则:
当多层透明材料具有突起或凹陷时,立体图像中某一条直线会出现缺口,而在该缺口处上方或下方会出现一条线段;缺口处所占像元个数为N1,缺口上方或下方的线段到该直线的垂直像元个数为N2,缺口位置在立体图像中存在的帧数为N3;计算突起或凹陷的长度L、宽度W、高度H;L=N1*M,W=N3*M,H=N2*M。
进一步地,上述控制及数据处理单元还用于计算多层透明材料中每个分层的厚度,具体计算过程为;假设实际分辨率为M,稳定平台移动的速度为V,相机的帧频为F,且需满足F/V=M,从而确保获得的长、宽、高的数据是在相同的单位长度下测量得到的;在这样的情况下,立体图像中的连续直线就代表一层材料边缘,两条相邻直线之间的垂直像元个数为N,每个分层的厚度T=N*M。
进一步地,上述色散光学器件为色散棱镜或者光栅。
进一步地,上述复色光为白光。
同时,本发明还提供了采用上述检测系统进行检测的方法,其具体实现步骤如下:
步骤1:驱动放置被测透明材料的稳定平台沿平行于复色光源与相机的方向运动,实现对被测多层透明材料的线扫描;
步骤2:读取线扫描的每帧图像,其中,每帧图像中具有i条直线,i表示多层透明材料的层数;第i条直线对应多层透明材料的第i层在当前帧图像的表征;
步骤3:将所有帧图像中用于表征同一层材料的直线进行拼接,得到用于表征多层透明材料的立体图像;
步骤4:根据立体图像判断被测多层透明物体各个分层材料是否有缺陷及缺陷的分布位置;
步骤5:计算缺陷的尺寸;
设相机的单个像元对应被测多层透明物体的实际分辨率为M,稳定平台移动的速度为V,相机的帧频为F,且满足F/V=M,;
当多层透明材料具有突起或凹陷时,立体图像中某一条直线会出现缺口,而在该缺口处上方或下方会出现一条线段;缺口处所占像元个数为N1,缺口上方或下方的线段到该直线的垂直像元个数为N2,缺口位置在立体图像中存在的帧数为N3;
计算突起或凹陷的长度L、宽度W、高度H;
L=N1*M,W=N3*M,H=N2*M。
进一步地,上述方法还包括计算多层透明材料中每个分层的厚度:具体计算过程为;假设实际分辨率为M,立体图像中的连续直线就代表一层材料边缘,两条相邻直线之间的垂直像元个数为N,每个分层的厚度T=N*M。
本发明的有益效果是:
1、本发明通过一次轴向的推扫,利用不同波长光的成像特征,可以直观的看出被测多层透明材料各层表面的平整度和缺陷的分布。
2、本发明还可准确计算出被测透明物体各层材料的厚度信息和缺陷的三维数据,精度可达亚微米级。
3、本发明利用多幅线扫描图像中的灰度信息,可形成材料表面的三维立体图像。
4、本发明利用可见光对材料表面进行检测,对于操作人员的没有伤害。
附图说明
图1为本发明检测系统的原理结构图。
图2为检测系统检测无缺陷材料时原理结构图;
图3为图2拍摄到的某一帧图像的示意图;
图4为检测系统检测具有突起缺陷材料时原理结构图;
图5为图4拍摄到的某一帧图像的示意图;
图6为检测系统检测具有凹陷缺陷材料时原理结构图;
图7为图6拍摄到的某一帧图像的示意图;
具体实施方式
以下结合附图,通过实施例进一步详述本发明。
本发明提出一种对多层透明材料进行缺陷检测的系统及方法,其原理基础是色散共焦技术,即根据光的色散原理,由光源发射一束宽光谱的复色光,通过色散棱镜或者光栅等光学器件发生光谱色散。这样,在一条轴线上形成一系列不同波长的单色光。每一个波长遇到对应被测物体的表面会被反射回来。如果将一台检测相机放在光线的反射路径进行接收,那么将会在图像上显示出被测物体表面反射的光。利用这种技术不仅可以检测物体表面的平整程度,对于透明的材料,还可以测量出材料的厚度,以及表面缺陷(凹陷和突起)的尺寸。
实施例
本实施例提供了该缺陷检测系统的一种具体实现形式,如图1所示,主要包括以下组成部分:
复色光源1,用于发射一束宽光谱的复色光,本实施例采用的复色光为白光;
色散光学器件2,设置于所述复色光源与被测多层透明物体之间,用于使所述复色光发生光谱色散后入射被测多层透明物体;本实施例中色散光学器件选用的是色散棱镜;
相机3,用于获取反射自被测多层透明物体的色散光;
控制及数据处理单元,用于控制所述放置被测多层透明材料的稳定平台平行于复色光源与相机,沿轴向运动,并读取相机拍摄的每帧图像;如图2和图3所示,每帧图像中具有i条直线,i表示多层透明材料的层数;第i条直线对应多层透明材料的第i层在当前帧图像的表征,将所有帧图像中用于表征同一层材料的直线进行拼接,得到用于表征多层透明材料的立体图像,通过该立体图像判断被测多层透明物体各个分层材料表面是否有缺陷及缺陷的分布位置,并计算缺陷尺寸。
本实施例的具体实施过程主要包括以下环节:
一、确定构建三维立体图像需要的设备参数。
通过实验得到相机的单个像元对应被测物体的实际分辨率M;这个参数存在一个理论设计值,通过实际光学设计的参数确定。通过实验得到的实际分辨率M是为了验证实际值与理论值是否相同。
稳定平台移动的速度V,相机的帧频F;通过这两个参数,可以计算出相机对被测平面的检测密度(F/V)。检测密度越大,测量处的结果越精确,即要求V尽量小,F尽量大。
二、具体检测过程
1、驱动放置被测透明材料的稳定平台沿平行于复色光源与相机的方向运动,实现对被测多层透明材料的线扫描;
由于光源通过色散器件色散成不同波段的光照射到被测物体,在不同的分层的交界处会反射相应波长的光,反射光会被相机接受并成像,保存所有图像直至对被测物体扫描完成;
2、读取线扫描的每帧图像,其中,每帧图像中具有i条直线,i表示多层透明材料的层数;第i条直线对应多层透明材料的第i层在当前帧图像的表征;如果每层材料是平整的,那么所得到的每一帧图像显示的应该是一定间隔的直线,当某个分层出现缺陷,比如凹陷或者突起。那么对应的扫描图像就不是连续的直线,直线之间就会出现缺口;
3、将所有帧图像中用于表征同一层材料的直线进行拼接,得到用于表征多层透明材料的立体图像;
4:根据立体图像判断被测多层透明物体各个分层材料是否有缺陷及缺陷的分布位置;如图3-7所示,当某一层材料表面出现突起或凹陷时,线扫描得到的单幅图像中会出现不连续的直线,而缺口处上方或下方会出现长度较短的线段;
5、计算缺陷的尺寸;
设相机的单个像元对应被测多层透明物体的实际分辨率为M,稳定平台移动的速度为V,相机的帧频为F,且满足F/V=M,;
当多层透明材料具有突起或凹陷时,立体图像中某一条直线会出现缺口,而在该缺口处上方或下方会出现一条线段;缺口处所占像元个数为N1,缺口上方或下方的线段到该直线的垂直像元个数为N2,缺口位置在立体图像中存在的帧数为N3;
计算突起或凹陷的长度L、宽度W、高度H;
L=N1*M,W=N3*M,H=N2*M。
6、计算多层透明材料中每个分层的厚度:具体计算过程为;假设实际分辨率为M,立体图像中的连续直线就代表一层材料边缘,两条相邻直线之间的垂直像元个数为N,每个分层的厚度T=N*M。
Claims (7)
1.一种对多层透明材料进行缺陷检测的系统,其特征在于,包括:
复色光源,用于发射一束宽光谱的复色光;
色散光学器件,设置于所述复色光源与被测多层透明物体之间,用于使所述复色光发生光谱色散后入射被测多层透明物体;
相机,用于获取被测多层透明物体反射的色散光;
控制及数据处理单元,用于控制所述放置被测多层透明材料的稳定平台平行于复色光源与相机,沿轴向运动,并读取相机拍摄的每帧图像;其中,每帧图像中具有i条直线,i表示多层透明材料的层数;第i条直线对应多层透明材料的第i层在当前帧图像的表征,将所有帧图像中用于表征同一层材料的直线进行拼接,得到用于表征多层透明材料的立体图像,通过该立体图像判断被测多层透明物体各个分层材料表面是否有缺陷及缺陷的分布位置,并计算缺陷尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种对多层透明材料进行缺陷检测的系统,其特征在于,缺陷尺寸的具体计算过程为:
设相机的单个像元对应被测多层透明物体的实际分辨率为M;
则:
当多层透明材料具有突起或凹陷时,立体图像中某一条直线会出现缺口,而在该缺口处上方或下方会出现一条线段;缺口处所占像元个数为N1,缺口上方或下方的线段到该直线的垂直像元个数为N2,缺口位置在立体图像中存在的帧数为N3;计算突起或凹陷的长度L、宽度W、高度H;L=N1*M,W=N3*M,H=N2*M。
3.根据权利要求2所述的一种对多层透明材料进行缺陷检测的系统,其特征在于:控制及数据处理单元还用于计算多层透明材料中每个分层的厚度,具体计算过程为;假设实际分辨率为M,稳定平台移动的速度为V,相机的帧频为F,且需满足F/V=M,从而确保获得的长、宽、高的数据是在相同的单位长度下测量得到的;在这样的情况下,立体图像中的连续直线就代表一层材料边缘,两条相邻直线之间的垂直像元个数为N,每个分层的厚度T=N*M。
4.根据权利要求1所述的一种对多层透明材料进行缺陷检测的系统,其特征在于,所述色散光学器件为色散棱镜或者光栅。
5.根据权利要求1所述的一种对多层透明材料进行缺陷检测的系统,其特征在于,所述复色光为白光。
6.一种对多层透明材料进行缺陷检测的方法,其特征在于,基于权利要求1所述的一种对多层透明材料进行缺陷检测的系统,按照以下步骤实现:
步骤1:驱动放置被测透明材料的稳定平台沿平行于复色光源与相机的方向运动,实现对被测多层透明材料的线扫描;
步骤2:读取线扫描的每帧图像,其中,每帧图像中具有i条直线,i表示多层透明材料的层数;第i条直线对应多层透明材料的第i层在当前帧图像的表征;
步骤3:将所有帧图像中用于表征同一层材料的直线进行拼接,得到用于表征多层透明材料的立体图像;
步骤4:根据立体图像判断被测多层透明物体各个分层材料是否有缺陷及缺陷的分布位置;
步骤5:计算缺陷的尺寸;
设相机的单个像元对应被测多层透明物体的实际分辨率为M,稳定平台移动的速度为V,相机的帧频为F,且满足F/V=M,;
当多层透明材料具有突起或凹陷时,立体图像中某一条直线会出现缺口,而在该缺口处上方或下方会出现一条线段;缺口处所占像元个数为N1,缺口上方或下方的线段到该直线的垂直像元个数为N2,缺口位置在立体图像中存在的帧数为N3;
计算突起或凹陷的长度L、宽度W、高度H;
L=N1*M,W=N3*M,H=N2*M。
7.根据权利要求6所述的一种对多层透明材料进行缺陷检测的方法,其特征在于,还包括计算多层透明材料中每个分层的厚度:具体计算过程为;假设实际分辨率为M,立体图像中的连续直线就代表一层材料边缘,两条相邻直线之间的垂直像元个数为N,每个分层的厚度T=N*M。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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