CN113740034A - 基于光学干涉的薄膜均匀性检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学干涉的薄膜均匀性检测系统，包括成像单元、采集单元、处理单元、存储单元、控制单元；所述成像单元用于产生均匀照明的平行偏振光经薄膜上下表面反射后，通过透镜阵列形成干涉条纹在线阵相机干涉成像；所述采集单元包括载物台、线阵相机，用于采集所述薄膜干涉图像；所述处理单元用于采用预设的薄膜均匀性检测模型对所述薄膜干涉图像进行识别，检测所述薄膜干涉图像是否发生畸变，从而实现薄膜均匀一致性判别。本发明能够解决现有采集表面反光薄膜图像孤立噪声点多的问题，实现透明薄膜的表面及内部均匀性检测。

Description

基于光学干涉的薄膜均匀性检测系统

技术领域

本发明涉及薄膜均匀性检测技术领域，特别是涉及一种基于光学干涉的薄膜均匀性检测系统。

背景技术

薄膜广泛应用于液晶电视、平板电脑、智能手机、车载显示屏等领域，受生产工艺或生产环境等条件的限制，薄膜在生产过程中容易产生质量缺陷，主要表现在厚度不均匀、表面出现划痕、内部产生气泡，或薄膜内部掺入杂质、尘埃等，因此，薄膜均匀性检测成为薄膜类材料生产质量控制的重要一环。

传统的检测一般由有经验的检测人员目测和简单测量来实现，检测结果缺乏可靠性以及精确性，无法量化评价且难以进行长时间的观测。对于表面反光的透明薄膜，比如聚脂薄膜，存在采集的薄膜图像孤立噪声点多的不足，严重影响图像的后续处理，进而影响薄膜均匀性的判别准确性。

因此亟需提供一种新型的基于光学干涉的薄膜均匀性检测系统来解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于光学干涉的薄膜均匀性检测系统，能够实现透明薄膜的表面及内部均匀性检测。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于光学干涉的薄膜均匀性检测系统，包括成像单元、采集单元、处理单元、存储单元、控制单元；

所述成像单元用于产生均匀照明的平行偏振光经薄膜上下表面反射后，通过透镜阵列形成干涉条纹在线阵相机干涉成像；

所述采集单元包括载物台、线阵相机，用于采集所述薄膜干涉图像；

所述处理单元用于采用预设的薄膜均匀性检测模型对所述薄膜干涉图像进行识别，检测所述薄膜干涉图像是否发生畸变，从而实现薄膜均匀一致性判别；

所述存储单元用于预存各类滤波算法、薄膜均匀性检测模型和所述线阵相机获得的薄膜均匀一致和非一致典型薄膜干涉图像库；

所述控制单元用于对所述成像单元、采集单元和处理单元的各种控制参数进行设定。

在本发明一个较佳实施例中，所述成像单元包括依次设置的光源、偏振片、滤光片、扩束镜、光阑、匀光镜、聚光透镜、分光镜、吸收体和透镜阵列，所述光源、偏振片、滤光片、扩束镜、光阑、匀光镜、聚光透镜和分光镜的中心均位于同一轴线上，匀光镜位于聚光透镜焦点上；所述吸收体设置在所述光源入射至分光镜并经分光镜反射后的光路上；所述透镜阵列设置在经薄膜上下表面反射后的出射光入射至分光镜并经分光镜反射后的光路上，吸收体和透镜阵列分别位于分光镜的两侧。

进一步的，所述分光镜与水平面的夹角范围为45°±2°。

在本发明一个较佳实施例中，所述载物台用于承载待检测薄膜，配合外置的薄膜传送系统实现待检测薄膜的高精度成像，在起始处置和终点位置分别安装有起始位置传感器和终点位置传感器。

在本发明一个较佳实施例中，所述存储单元还用于预存薄膜缺陷类型、薄膜传送速度与光源、线阵相机的参数关系字典。

在本发明一个较佳实施例中，所述薄膜均匀性检测模型提供两种检测模式，包括精准模式和简单模式。

进一步的，所述精准模式使用薄膜均匀性检测模型进行检测，该模型通过标注后的薄膜均匀一致和非一致薄膜干涉图像集进行训练得到。

进一步的，所述简单模式通过将所述线阵相机获得的薄膜被测区域图像与所述典型薄膜干涉图像库中对应线阵相机获得的图像进行相似度比对，按照设定的检测条件给出薄膜均匀一致性与否或者指定缺陷类型的快速简单检测。

在本发明一个较佳实施例中，该检测系统还包括显示单元，用于将每一个薄膜均匀性检测情况进行大屏可视化展示。

在本发明一个较佳实施例中，该检测系统还包括执行单元，用于检测到不合格薄膜后的操作。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过将光源依次通过偏振片、滤光片、扩束镜、光阑、匀光镜和聚光透镜产生均匀照明的平行偏振光，消除薄膜表面的反光，具有图像对比度高、目标的细节清晰等显著优点；优选的，采用正入射角度照明，即平行的入射光垂直入射到薄膜上下表面，原理简单，减少了系统体积，也降低了成本；

(2)本发明通过将线阵相机采集到的薄膜干涉图像使用薄膜均匀性检测模型进行检测，实现了一定厚度的透明薄膜的上下表面及内部均匀性检测；

(3)本发明所述薄膜均匀性检测模型提供了精准模式和简单模式两种检测模式，薄膜均匀性检测更具灵活性。

附图说明

图1是本发明基于光学干涉的薄膜均匀性检测系统一较佳实施例的结构框图；

图2是所述成像单元的光路框图；

图3是所述检测系统的光路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1，本发明实施例包括：

一种基于光学干涉的薄膜均匀性检测系统，包括成像单元、采集单元、处理单元、存储单元、控制单元、显示单元、执行单元。

结合图2，所述成像单元用于产生均匀照明的平行偏振光经薄膜上下表面反射后，通过透镜阵列形成干涉条纹在线阵相机成像，包括依次设置的光源、偏振片、滤光片、扩束镜、光阑、匀光镜、聚光透镜、分光镜、吸收体和透镜阵列。其中，所述光源、偏振片、滤光片、扩束镜、光阑、匀光镜、聚光透镜和分光镜的中心均位于同一轴线上，匀光镜位于聚光透镜焦点上。所述吸收体设置在所述光源入射至分光镜并经分光镜反射后的光路上，所述透镜阵列设置在经薄膜上下表面反射后的出射光入射至分光镜并经分光镜反射后的光路上，吸收体和透镜阵列分别位于分光镜的两侧。所述光源依次经过偏振片、滤光片、扩束镜、光阑、匀光镜和聚光透镜产生均匀照明的平行偏振光，再经过分光镜分为两部分，一部分反射到所述吸收体被完全吸收，另一部分透射出后垂直入射到透明薄膜上下表面。经薄膜上下表面反射后的两束平行的出射光经所述分光镜反射至所述透镜阵列，最后进入到所述透镜阵列焦点处的所述线阵相机进行干涉成像。

优选的，所述分光镜与水平面的夹角范围为45°±2°。

进一步的，所述光源为可见光光源或激光光源或红外光源，用于产生低相干的宽带光。

结合图3，所述采集单元包括载物台、滑动导轨和线阵相机，用于采集所述薄膜干涉图像。所述载物台位于滑动导轨上，可以是滑动导轨的某一区域。外置的薄膜传送系统将待检测薄膜传送至滑动导轨上。所述载物台用于承载待检测薄膜，配合外置的薄膜传送系统可以实现待检测薄膜的高精度成像，如同流水线生产环节，待检测薄膜源源不断地在所述载物台经过，不需要停留便能实现图像采集、检测。

具体的，所述载物台在起始位置和终点位置分别安装有起始位置传感器和终点位置传感器，在传感器的信号辨别下，以自动开启和关闭图像采集、检测。

所述线阵相机可采用线阵CCD相机或/和CMOS相机，以提高成像效率。

所述处理单元用于采用预设的薄膜均匀性检测模型对所述薄膜干涉图像进行识别，检测所述薄膜干涉图像是否发生畸变，从而实现薄膜均匀一致性判别。

为了提高检测准确度，所述处理单元还可对薄膜干涉图像信息进行预处理，预处理包括对获取的监控区域图像进行中值滤波、高斯滤波或小波阈值滤波去噪。

进一步的，所述处理单元还可对所述薄膜干涉图像发生的畸变类别进行判别，给出薄膜缺陷类型。

所述存储单元用于预存各类滤波算法，包括中值滤波、高斯滤波、小波阈值滤波和新息自适应卡尔曼滤波算法，薄膜均匀性检测模型和所述线阵CCD相机获得的薄膜均匀一致和非一致典型薄膜干涉图像库，还用于预存薄膜缺陷类型、薄膜传送速度与光源、线阵CCD相机的参数关系字典。

进一步的，所述薄膜均匀性检测模型提供两种检测模式，包括精准模式和简单模式，用于分别给出更准确但相对耗时的检测结果和较准确但相对快速的检测结果，薄膜均匀性检测更具灵活性。

具体的，所述精准模式使用薄膜均匀性检测模型进行检测，该模型通过标注后的薄膜均匀一致和非一致薄膜干涉图像集进行训练得到。

所述薄膜均匀性检测模型包括使用但不限于CNN、RNN、LSTM等网络模型及其组合或者变体进行训练得到，比如，所述薄膜均匀性检测模型使用的一个轻量级模型压缩网络结构可为ResNeXt改进后的U-Net网络，引入了残差模块，主要包括降采样和上采样两部分。降采样采用典型的卷积网络结构，每个特征尺度采用两个3×3卷积，然后用2×2的最大池化做降采样，每次降采样特征的通道数都会增加一倍。上采样使用最大池化的上卷积(特征通道数量减少一半)，与同尺度的降采样部分的特征图直接拼接，然后再用两个3×3的卷积，最后用1×3卷积将特征图映射到实际需要的分类数目的通道数进行分类检测。

由于生产出来的薄膜产品的缺陷类型是各种各样的，缺陷的形状是可变的，缺陷在薄膜的位置也是随机的，得到的薄膜干涉图像中的缺陷特征的分布是不相同的。因此，对进入网络的每批图像及每层的输入特征图进行批量归一化操作是很有必要的。批量归一化操作的主要作用是对当前卷积操作的输出进行归一化，将所有的数据强制在统一的数据分布下，这样输入到下一层的数值会更稳定，从而使得网络训练时能够更快地收敛，在反向传播的过程中，避免了梯度消失的问题，同时也防止了网络过拟合现象的发生。具体过程为：首先，使用1×1的卷积滤波器来减少输入特征图的通道数，即特征图个数，接着在卷积操作之后进行批量归一化操作和ReLU非线性激活操作；然后，采用1×1和3×3不同尺寸的卷积滤波器来提取输入图像中的缺陷特征而不仅仅是3×3卷积，通过不同尺寸的卷积滤波器进行卷积操作后可以得到不同尺度的缺陷特征，与单一的3×3卷积滤波器相对比，这会使后续的缺陷分类结果更准确。

具体的，所述简单模式通过将每个所述线阵CCD相机获得的薄膜被测区域图像与所述典型薄膜干涉图像库中对应线阵CCD相机获得的图像进行相似度比对，按照设定的检测条件给出薄膜均匀一致性与否或者指定缺陷类型的快速简单检测。例如下表1所示的均匀一致性与否检测，对于判断为待定的结果可通过编码标记、界面弹窗、语音提醒相关人员进行人工再次检测。

所述设定的检测条件可通过定量分析相似度，在此基础上进行检测结果评估并分级判别，比如对于薄膜均匀一致性与否检测，为一致、待定、不一致。

表1

相似度	检测结果
		60～100％	一致
30～60％	待定
		0～30％	不一致

所述控制单元用于对成像单元、采集单元和处理单元的各种控制参数进行设定，包括滤光片带宽、光源照射角度、线阵CCD相机明暗域位置及采集行频和检测模式。特别是控制线阵CCD相机的采集行频，使其与薄膜传送速度匹配，并根据采集行频来限制薄膜的最大传送速度，两者关系满足f＝v*b/s，其中f表示采集行频，v表示薄膜传送速度，b表示成像单元放大率，s表示线阵CCD相机的像元尺寸大小。

进一步的，所述控制单元接收外置的薄膜传送系统中的编码器感知的薄膜传送速度信息，并采用新息自适应卡尔曼滤波算法进行高精度测速，根据薄膜缺陷类型、薄膜传送速度与光源、线阵CCD相机的参数关系字典进行查找，得到当前光源、线阵CCD相机的参数值并进行设定。

所述显示单元用于将每一个薄膜均匀性检测情况进行大屏可视化展示，包括当前检测薄膜的批次编号、系统编号、检测时间、操作员信息等，以及已检测薄膜数目、待检测薄膜数目、合格薄膜数目等。

进一步的，显示单元支持手机、平板、电脑等终端显示，可以一键给出不合格薄膜的批次编号，并支持数据导出。

所述执行单元用于检测到不合格薄膜后的操作。

进一步的，所述执行单元可以按照客户需求定制，如提供一个告警信息，或者进行语音播放不合格薄膜批次编号等。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于光学干涉的薄膜均匀性检测系统，其特征在于，包括成像单元、采集单元、处理单元、存储单元、控制单元；

所述成像单元用于产生均匀照明的平行偏振光经薄膜上下表面反射后，通过透镜阵列形成干涉条纹在线阵相机干涉成像；

所述采集单元包括载物台、线阵相机，用于采集所述薄膜干涉图像；

所述处理单元用于采用预设的薄膜均匀性检测模型对所述薄膜干涉图像进行识别，检测所述薄膜干涉图像是否发生畸变，从而实现薄膜均匀一致性判别；

所述存储单元用于预存各类滤波算法、薄膜均匀性检测模型和所述线阵相机获得的薄膜均匀一致和非一致典型薄膜干涉图像库；

所述控制单元用于对所述成像单元、采集单元和处理单元的各种控制参数进行设定。

2.根据权利要求1所述的基于光学干涉的薄膜均匀性检测系统，其特征在于，所述成像单元包括依次设置的光源、偏振片、滤光片、扩束镜、光阑、匀光镜、聚光透镜、分光镜、吸收体和透镜阵列，所述光源、偏振片、滤光片、扩束镜、光阑、匀光镜、聚光透镜和分光镜的中心均位于同一轴线上，匀光镜位于聚光透镜焦点上；所述吸收体设置在所述光源入射至分光镜并经分光镜反射后的光路上；所述透镜阵列设置在经薄膜上下表面反射后的出射光入射至分光镜并经分光镜反射后的光路上，吸收体和透镜阵列分别位于分光镜的两侧。

3.根据权利要求2所述的基于光学干涉的薄膜均匀性检测系统，其特征在于，所述分光镜与水平面的夹角范围为45°±2°。

4.根据权利要求1所述的基于光学干涉的薄膜均匀性检测系统，其特征在于，所述载物台用于承载待检测薄膜，配合外置的薄膜传送系统实现待检测薄膜的高精度成像，在起始处置和终点位置分别安装有起始位置传感器和终点位置传感器。

5.根据权利要求1所述的基于光学干涉的薄膜均匀性检测系统，其特征在于，所述存储单元还用于预存薄膜缺陷类型、薄膜传送速度与光源、线阵相机的参数关系字典。

6.根据权利要求1所述的基于光学干涉的薄膜均匀性检测系统，其特征在于，所述薄膜均匀性检测模型提供两种检测模式，包括精准模式和简单模式。

7.根据权利要求6所述的基于光学干涉的薄膜均匀性检测系统，其特征在于，所述精准模式使用薄膜均匀性检测模型进行检测，该模型通过标注后的薄膜均匀一致和非一致薄膜干涉图像集进行训练得到。

8.根据权利要求6所述的基于光学干涉的薄膜均匀性检测系统，其特征在于，所述简单模式通过将所述线阵相机获得的薄膜被测区域图像与所述典型薄膜干涉图像库中对应线阵相机获得的图像进行相似度比对，按照设定的检测条件给出薄膜均匀一致性与否或者指定缺陷类型的快速简单检测。

9.根据权利要求1所述的基于光学干涉的薄膜均匀性检测系统，其特征在于，还包括显示单元，用于将每一个薄膜均匀性检测情况进行大屏可视化展示。

10.根据权利要求1所述的基于光学干涉的薄膜均匀性检测系统，其特征在于，还包括执行单元，用于检测到不合格薄膜后的操作。

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