CN113607748B - 透明或半透明物品的光学相干断层扫描检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种透明或半透明物品的光学相干断层扫描检测系统和方法，涉及视觉检测领域，其中检测系统包括光学相干断层扫描成像装置、图像处理算法模块、上料机构、承载机构、分拣机构和控制单元；所述控制单元用于控制光学相干断层扫描成像装置、图像处理算法模块、上料机构、承载机构和分拣机构；所述光学相干断层扫描成像装置用于获取被测物的3D解析图，用于将3D解析图传输给图像处理算法模块；所述图像处理算法模块用于对3D解析图进行处理并进行缺陷的识别及分类，并输出检测结果。本发明能够精确识别被测物上缺陷的空间位置和缺陷类别，从而不仅能够将具有缺陷的被测物筛选出来，而且方便后续工艺改进和调整。

Description

透明或半透明物品的光学相干断层扫描检测系统和方法

技术领域

本发明涉及视觉检测领域，特别涉及一种基于光学相干断层扫描的被测物检测系统及检测方法。

背景技术

随着机器视觉的发展及其在工业应用的纵深，越来越多的解决方案可用来实现透明或半透明材质的自动化检测。从国外从事玻璃在线检测的资深公司（如ISRA和SynergX）到国内活跃在玻璃检测领域的各大企业（如天准和凌云），常规的检测方法为2D机器视觉检测，其通过不同的透射或反射照明方式，采用线扫相机（大幅面检测）或面阵相机（高精度二次检测）获得被测物的平面图像，从而实现对透明或半透明材质的缺陷及尺寸自动检测。此类方法可在适应生产节拍、节约人工的同时，提供高质量的稳定检测。但是因为其光学机理为二维成像，无法获得厚度方向上的信息，所有厚度方向上的内部缺陷或黏附于被测物上下表面的外来物，都将被囊括于被测物的缺陷范畴，引起质量误判或过杀。同时由于无法进行分层识别，很难关联到引起质量缺陷的生产工艺，无法指导进一步的工艺改进。虽然有方法通过调整打光角度，以及多光学方案组合获取同一缺陷在不同打光方式下的不同特征类型的图像，来区别深度层上的缺陷，但由于光学和环境干扰，以及不同缺陷间的相似性，并不能彻底解决问题。还有通过后期图像处理，获得缺陷图像的物理形态，对识别出来的缺陷进一步划分，但由于缺陷的类似性效果不太显著。

3D检测可以获得被测物的三维信息，可实现三维尺寸测量或不同深度位置的缺陷检测，目前在工业中不乏应用实例。但不论是双目视觉、3D结构光、点或线激光还是ToF技术，由于其自身均基于电磁波反射原理，对于不透明物体有很好的检测效果，而对于透明或半透明物体，电磁波透过被测物导致没有或只有少量反射波被接收到，无法实现检测。超声波技术可用于物体内部缺陷的检测，但由于需要在被测物表面涂敷或将被测物浸泡于耦合介质，工业应用受到极大限制。X射线也可用于内部缺陷3D无损检测，但由于辐射影响，仅用于特定场合。

目前对于透明或半透明材质的高精度3D测量或（内部或表面）3D缺陷检测，可采用光谱共聚焦技术。但由于光学设计复杂，对应用环境要求苛刻，主要集中在高校、研究所实验室应用。在工业中，由于造价昂贵，可测视野有限（仅几毫米），主要用于实验室抽样检测，在线应用并不广泛。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种透明或半透明物品的光学相干断层扫描检测系统，该系统能够实现对透明或半透明物品的自动化缺陷检测，并且能够精确识别被测物上缺陷的空间位置和缺陷类别，从而不仅能够将具有缺陷的被测物筛选出来，而且方便后续工艺改进和调整。

实现本发明第一个目的的技术方案是：本发明中透明或半透明物品的光学相干断层扫描检测系统，包括光学相干断层扫描成像装置、图像处理算法模块、上料机构、承载机构、分拣机构和控制单元；所述控制单元用于控制光学相干断层扫描成像装置、图像处理算法模块、上料机构、承载机构和分拣机构；

所述承载机构包括用于放置被测物的承载平台，以及用于驱动承载平台依次从上料区至检测区再至分拣区并可进行往复运动的驱动装置；所述被测物为透明或半透明物品；

所述光学相干断层扫描成像装置用于获取被测物的3D解析图，用于将3D解析图传输给图像处理算法模块；

所述图像处理算法模块用于对3D解析图进行处理获得被测物的3D灰度图像，用于抽取3D灰度图像的不同断层的图像，用于进行结构化缺陷非结构化缺陷的识别及分类，并输出检测结果；

所述上料机构设置在上料区，并用于将被测物转移至承载平台；所述光学相干断层扫描成像装置位于检测区；所述分拣机构设置在分拣区；所述分拣机构根据图像处理算法模块输出的检测结果，将移动至分拣区的承载平台上的被测物进行分拣归类。

上述光学相干断层扫描成像装置包括设置在机架上的宽带光源、分光镜、安装有参考镜面组的参考臂、光电探测器、参考臂驱动装置和机架驱动装置；所述宽带光源用于发出低相干光；所述分光镜用于将低相干光分成两束同步照射到承载平台上被测物上和参考镜面组上；从被测物各感兴趣层产生的反射光与参考镜面组反射回来的延迟光耦合干涉，并产生含有时域和频域特征的干涉光谱信号；参考臂驱动装置用于驱动参考臂沿Z轴方向移动；机架驱动装置用于驱动机架在X轴和Y轴方向移动；所述光电探测器用于接收干涉光谱信号，且在参考臂驱动装置和机架驱动装置的配合运动下获取被测物的3D解析图。

上述上料机构包括用于将被测物转移至承载平台的第一机械手。

上述分拣机构包括分类仓和第二机械手；图像处理算法模块输出的一种检测结果对应一个分类仓；所述第二机械手设置在分拣区，用于将承载平台上的被测物根据其检测结果转移至相应的分类仓。

上述驱动装置包括驱动电机、丝杆、滑轨和滑块；所述滑轨与丝杆平行设置；驱动电机的输出端与丝杆传动连接，滑块上设有与丝杆螺纹配合的螺纹孔；所述滑块滑动设置在滑轨上，且随丝杆的正转和反转实现往复直线运动；所述承载平台固定设置在滑块上。

上述承载平台上设有用于固定吸附被测物的真空吸头，或者用于固定被测物的夹持组件。

本发明的第二个目的是提供一种利用上述的透明或半透明物品的光学相干断层扫描检测系统进行的检测方法，该方法能够对透明或半透明物品的具体缺陷进行有效识别。

实现本发明第二个目的的技术方案是：本发明中利用上述的透明或半透明物品的光学相干断层扫描检测系统进行的检测方法，包括以下步骤：

S1、通过上料机构将被测物放置在承载机构的承载平台上；

S2、承载平台上的被测物在驱动装置驱动下进入检测区；

S3、光学相干断层扫描成像装置对被测物进行断层扫描，获取被测物的3D解析图，并将3D解析图传输给图像处理算法模块；

S4、图像处理算法模块接收到3D解析图后，对3D解析图进行处理获得被测物的3D灰度图像，然后进行结构化缺陷非结构化缺陷的识别及分类，并输出检测结果；

S5、承载机构带着已经检测完成的被测物进入分拣区；

S6、分拣机构将位于分拣区的被测物从承载平台上取下，并根据其检测结果对该被测物进行分拣归类。

进一步，上述步骤S4的具体步骤如下：

A、图像处理算法模块接收到3D解析图后，对3D解析图经三维重构获得3D原始图像；

B、对3D原始图像进行滤波去噪及信号增强处理，获得处理后的3D灰度图像；

C、对3D灰度图像经空间域图像处理后，结构化缺陷将得以识别；同时对该3D灰度图像进行断层抽取，获得预处理后的2D灰度图像；

D、将2D灰度图像输入已采用标注样本训练过的深度学习网络，非结构化缺陷得以识别，并进一步采用图像分割算法，将其抽取；

E、对已识别的结构化缺陷和非结构化缺陷进行特征提取，获得其空间位置及特征物理量信息；

F、对空间位置和物理量信息进行分类和质量评判，获得缺陷特征标签；

G、对标签化后的缺陷进行数理分析，获得整个被测物的缺陷分类、分布拓扑图；

H、比对质量规范，决策被测物的最终质量，输出检测结果。

本发明具有积极的效果：本发明通过光学相干断层扫描技术实现透明或半透明材质的缺陷检测，不仅能够实现工业领域内微米级的高精度3D检测，而且能够实现对缺陷在不同深度层的层析识别，可用于结构性缺陷（如外观形状）和非结构性缺陷（如表面划痕、内部气泡等）及被测物表面的伪缺陷（如表面附着物等）的识别分类。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明中透明或半透明物品的光学相干断层扫描检测系统的结构示意图；

图2为本发明中光学相干断层扫描成像装置的结构示意图；

图3为本发明中被测物为表面划伤缺陷的光学相干断层扫描图像；

图4为本发明中被测物为内部气泡缺陷的光学相干断层扫描图像；

图5为本发明中被测物为内部杂质缺陷的光学相干断层扫描图像；

图6为本发明中被测物为表面灰尘的伪缺陷光学相干断层扫描图像。

具体实施方式

见图1和图2，本发明中透明或半透明物品的光学相干断层扫描检测系统，包括光学相干断层扫描成像装置1、图像处理算法模块2、上料机构3、承载机构4、分拣机构5和控制单元6；所述控制单元6用于控制光学相干断层扫描成像装置1、图像处理算法模块2、上料机构3、承载机构4和分拣机构5。

所述承载机构4包括用于放置被测物的承载平台41，以及用于驱动承载平台41依次从上料区至检测区再至分拣区并可进行往复运动的驱动装置42；所述被测物为透明或半透明物品。

所述光学相干断层扫描成像装置1用于获取被测物的3D解析图，用于将3D解析图传输给图像处理算法模块2。

所述图像处理算法模块2用于对3D解析图进行处理获得被测物的3D灰度图像，用于抽取3D灰度图像的不同断层的图像，用于进行结构化缺陷非结构化缺陷的识别及分类，并输出检测结果。

所述上料机构3设置在上料区，并用于将被测物转移至承载平台41；所述光学相干断层扫描成像装置1位于检测区；所述分拣机构5设置在分拣区；所述分拣机构5根据图像处理算法模块2输出的检测结果，将移动至分拣区的承载平台41上的被测物进行分拣归类。

所述光学相干断层扫描成像装置1包括设置在机架上的宽带光源11、分光镜12、安装有参考镜面组13的参考臂、光电探测器14、参考臂驱动装置和机架驱动装置；所述宽带光源11用于发出低相干光；所述分光镜12用于将低相干光分成两束同步照射到承载平台41上被测物上和参考镜面组13上；从被测物各感兴趣层产生的反射光与参考镜面组13反射回来的延迟光耦合干涉，并产生含有时域和频域特征的干涉光谱信号；参考臂驱动装置用于驱动参考臂沿Z轴方向移动；机架驱动装置用于驱动机架在X轴和Y轴方向移动；所述光电探测器14用于接收干涉光谱信号，且在参考臂驱动装置和机架驱动装置的配合运动下获取被测物的3D解析图。

所述上料机构3包括用于将被测物转移至承载平台41的第一机械手。

所述分拣机构5包括分类仓51和第二机械手52；图像处理算法模块2输出的一种检测结果对应一个分类仓51；所述第二机械手52设置在分拣区，用于将承载平台41上的被测物根据其检测结果转移至相应的分类仓51。

所述驱动装置42包括驱动电机421、丝杆、滑轨422和滑块423；所述滑轨422与丝杆平行设置；驱动电机421的输出端与丝杆传动连接，滑块423上设有与丝杆螺纹配合的螺纹孔；所述滑块423滑动设置在滑轨422上，且随丝杆的正转和反转实现往复直线运动；所述承载平台41固定设置在滑块423上。

所述承载平台41上设有用于固定吸附被测物的真空吸头，或者用于固定被测物的夹持组件。

本发明中利用上述的透明或半透明物品的光学相干断层扫描检测系统进行的检测方法，包括以下步骤：

S1、通过上料机构3将被测物放置在承载机构4的承载平台41上；

S2、承载平台41上的被测物在驱动装置42驱动下进入检测区；

S3、光学相干断层扫描成像装置1对被测物进行断层扫描，获取被测物的3D解析图，并将3D解析图传输给图像处理算法模块2；

S4、图像处理算法模块2接收到3D解析图后，对3D解析图进行如下处理：

A、图像处理算法模块2接收到3D解析图后，对3D解析图经三维重构获得3D原始图像；

B、对3D原始图像进行滤波去噪及信号增强处理，获得处理后的3D灰度图像；

C、对3D灰度图像经空间域图像处理后，结构化缺陷将得以识别；同时对该3D灰度图像进行断层抽取，获得预处理后的2D灰度图像；

D、将2D灰度图像输入已采用标注样本训练过的深度学习网络，非结构化缺陷得以识别，并进一步采用图像分割算法，将其抽取；

E、对已识别的结构化缺陷和非结构化缺陷进行特征提取，获得其空间位置及特征物理量信息；

F、对空间位置和物理量信息进行分类和质量评判，获得缺陷特征标签；

G、对标签化后的缺陷进行数理分析，获得整个被测物的缺陷分类、分布拓扑图；

H、比对质量规范，决策被测物的最终质量，输出检测结果；

S5、承载机构4带着已经检测完成的被测物进入分拣区；

S6、分拣机构5将位于分拣区的被测物从承载平台41上取下，并根据其检测结果对该被测物进行分拣归类。

其中非结构性缺陷可见图3至图5，图3中圈出部分为表面划伤缺陷，图4中圈出部分为内部气泡缺陷，图5中圈出部分为内部杂质缺陷。而图6中圈出部分为表面灰尘的伪缺陷，该缺陷也能被精确识别，从而避免过杀。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种透明或半透明物品的光学相干断层扫描检测系统，其特征在于：包括光学相干断层扫描成像装置、图像处理算法模块、上料机构、承载机构、分拣机构和控制单元；所述控制单元用于控制光学相干断层扫描成像装置、图像处理算法模块、上料机构、承载机构和分拣机构；

所述承载机构包括用于放置被测物的承载平台，以及用于驱动承载平台依次从上料区至检测区再至分拣区并可进行往复运动的驱动装置；所述被测物为透明或半透明物品；

所述光学相干断层扫描成像装置用于获取被测物的3D解析图，用于将3D解析图传输给图像处理算法模块；

所述图像处理算法模块用于对3D解析图进行处理获得被测物的3D灰度图像，用于抽取3D灰度图像的不同断层的图像，用于进行结构化缺陷非结构化缺陷的识别及分类，并输出检测结果；

所述上料机构设置在上料区，并用于将被测物转移至承载平台；所述光学相干断层扫描成像装置位于检测区；所述分拣机构设置在分拣区；所述分拣机构根据图像处理算法模块输出的检测结果，将移动至分拣区的承载平台上的被测物进行分拣归类。

2.根据权利要求1所述的一种透明或半透明物品的光学相干断层扫描检测系统，其特征在于：所述光学相干断层扫描成像装置包括设置在机架上的宽带光源、分光镜、安装有参考镜面组的参考臂、光电探测器、参考臂驱动装置和机架驱动装置；所述宽带光源用于发出低相干光；所述分光镜用于将低相干光分成两束同步照射到承载平台上被测物上和参考镜面组上；从被测物各感兴趣层产生的反射光与参考镜面组反射回来的延迟光耦合干涉，并产生含有时域和频域特征的干涉光谱信号；参考臂驱动装置用于驱动参考臂沿Z轴方向移动；机架驱动装置用于驱动机架在X轴和Y轴方向移动；所述光电探测器用于接收干涉光谱信号，且在参考臂驱动装置和机架驱动装置的配合运动下获取被测物的3D解析图。

3.根据权利要求1或2所述的一种透明或半透明物品的光学相干断层扫描检测系统，其特征在于：所述上料机构包括用于将被测物转移至承载平台的第一机械手。

4.根据权利要求1或2所述的一种透明或半透明物品的光学相干断层扫描检测系统，其特征在于：所述分拣机构包括分类仓和第二机械手；图像处理算法模块输出的一种检测结果对应一个分类仓；所述第二机械手设置在分拣区，用于将承载平台上的被测物根据其检测结果转移至相应的分类仓。

5.根据权利要求1所述的一种透明或半透明物品的光学相干断层扫描检测系统，其特征在于：所述驱动装置包括驱动电机、丝杆、滑轨和滑块；所述滑轨与丝杆平行设置；驱动电机的输出端与丝杆传动连接，滑块上设有与丝杆螺纹配合的螺纹孔；所述滑块滑动设置在滑轨上，且随丝杆的正转和反转实现往复直线运动；所述承载平台固定设置在滑块上。

6.根据权利要求1所述的一种透明或半透明物品的光学相干断层扫描检测系统，其特征在于：所述承载平台上设有用于固定吸附被测物的真空吸头，或者用于固定被测物的夹持组件。

7.一种利用权利要求1所述的一种透明或半透明物品的光学相干断层扫描检测系统进行的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、通过上料机构将被测物放置在承载机构的承载平台上；

S2、承载平台上的被测物在驱动装置驱动下进入检测区；

S3、光学相干断层扫描成像装置对被测物进行断层扫描，获取被测物的3D解析图，并将3D解析图传输给图像处理算法模块；

S4、图像处理算法模块接收到3D解析图后，对3D解析图进行处理获得被测物的3D灰度图像，然后进行结构化缺陷非结构化缺陷的识别及分类，并输出检测结果；

S5、承载机构带着已经检测完成的被测物进入分拣区；

S6、分拣机构将位于分拣区的被测物从承载平台上取下，并根据其检测结果对该被测物进行分拣归类。

8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于：所述步骤S4的具体步骤如下：

A、图像处理算法模块接收到3D解析图后，对3D解析图经三维重构获得3D原始图像；

B、对3D原始图像进行滤波去噪及信号增强处理，获得处理后的3D灰度图像；

C、对3D灰度图像经空间域图像处理后，结构化缺陷将得以识别；同时对该3D灰度图像进行断层抽取，获得预处理后的2D灰度图像；

D、将2D灰度图像输入已采用标注样本训练过的深度学习网络，非结构化缺陷得以识别，并进一步采用图像分割算法，将其抽取；

E、对已识别的结构化缺陷和非结构化缺陷进行特征提取，获得其空间位置及特征物理量信息；

F、对空间位置和物理量信息进行分类和质量评判，获得缺陷特征标签；

G、对标签化后的缺陷进行数理分析，获得整个被测物的缺陷分类、分布拓扑图；

H、比对质量规范，决策被测物的最终质量，输出检测结果。

Images