CN113933026B - 一种基于透射反射混合照明的透镜表面瑕疵检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于透射反射混合照明的透镜表面瑕疵检测装置，包括上位机、运动控制器、LED驱动电源、四轴电动平移台、成像系统、环形光源、待测透镜、夹持机构和面光源。本发明的有益效果在于：克服了照明光进入成像系统的影响，实现表面瑕疵的暗场照明，为准确识别表面瑕疵提供高质量图像。

Description

一种基于透射反射混合照明的透镜表面瑕疵检测装置及方法
技术领域
本发明涉及测试计量技术领域，尤其涉及一种基于透射反射混合照明的透镜表面瑕疵检测装置及方法。
背景技术
表面质量是影响光学元件的重要因素。划痕、麻点、灰尘等表面瑕疵易引发散射光，造成系统性能下降，当光束能量过大时甚至可能破坏表面。光学加工中一般需对表面质量进行严格的管控，但由于加工工艺限制，表面瑕疵无法全部避免，因此在质检环节需能够有效测量表面瑕疵。国标与ISO标准均根据瑕疵的尺寸制定等级判定条件，虽然客观，但实际生产中由于难以准确测量尺寸，不易实施，因此目前加工厂家一般使用美国军标，通过人眼在强光下观察透镜，工作环境恶劣，且结果主观性强，一致性较差，成为了高质量透镜加工生产的瓶颈。
由于需求广泛，目前国内外已有多个企业及研究机构基于机器视觉技术开发了表面瑕疵检测设备，比如德国Dioptic公司、美国Savvy Optics公司、西安光衡光电科技有限公司、浙江大学等。但与织物等材料不同，光学元件由于具有极低的表面粗糙度，易产生镜面反射，导致瑕疵图像可能淹没在光源镜面反射光中，无法识别，因此透镜曲率半径、厚度等参数变化时往往需要重新更改光源及镜头位置，适用性较差，难以大规模推广使用，所以迫切需要开发一种高通用性的球面光学元件表面瑕疵检测方法及装置，解决表面质量控制的痛点问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种基于透射反射混合照明的透镜表面瑕疵检测装置及方法，适用于曲面光学元件表面瑕疵的表征与测量，在光学元件表面质量控制中有广阔的应用前景。
具体方案如下：
一种基于透射反射混合照明的透镜表面瑕疵检测装置，通过混合透射式及反射式照明，克服照明光进入成像系统的影响，实现表面瑕疵的暗场照明，为准确识别表面瑕疵提供高质量图像，其特征在于：包括上位机、运动控制器、LED驱动电源、四轴电动平移台、成像系统、环形光源、待测透镜、夹持机构和面光源；所述运动控制器与上位机以及四轴电动平移台信号连接，用于与上位机进行信号传输，以及控制四轴电动平移台的位移运动；所述LED驱动电源与上位机信号连接，用于控制驱动电流的强度；所述四轴电动平移台上配合安装有可分别升降的成像系统和环形光源，以及可在水平面内位移的待测透镜和面光源，其中，成像系统置于环形光源的上方，且成像系统与上位机信号连接，所述待测透镜和面光源上下设置，待测透镜由夹持机构夹持。
作为本发明的进一步改进，所述运动控制器包括电源模块、电机驱动模块和下位机处理模块，其中，电源模块为电机驱动模块和下位机处理模块供电，电机驱动模块用于控制四轴电动平移台的位移，下位机处理模块用于读取四轴电动平移台的升降位移信号，并与上位机以及电机驱动模块信号连接。
作为本发明的进一步改进，所述电源模块提供24V电源与5V电源，其中24V电源用于电机驱动模块，5V电压用于下位机处理模块，所述电机驱动模块使用步进电机闭环控制器，提供电机编码器输入接口，使用方向及脉冲方式进行驱动，所述下位机处理模块由单片机及FPGA组成，其中，单片机提供电机驱动信号I/O口、上位机通信及逻辑处理功能，FPGA读取位移计信号，并通过内存形式与单片机通信，以提高通信速度。
作为本发明的进一步改进，所述LED驱动电源为连续可调电流光源，具有至少两个控制通道，分别控制环形光源以及面光源，并通过串口与上位机进行通信，控制驱动电流的强度。
作为本发明的进一步改进，所述四轴电动平移台由四个独立的单轴电动平移台拼接组成，包括X轴电动平移台、Y轴电动平移台、Z轴电动平移台和Z1轴电动平移台，并均使用带有编码器的步进电机进行驱动，其中，X轴电动平移台和Y轴电动平移台置于水平面中，且相互垂直连接，用于安装定位待测透镜，Z轴电动平移台和Z1轴电动平移台均竖直设置，Z轴电动平移台安装成像系统，Z1轴电动平移台安装环形光源，所述X轴电动平移台、Y轴电动平移台和Z轴电动平移台行程不小于50mm，Z1轴电动平移台行程不小于100mm，所述四轴电动平移台每一轴均配置有光栅尺，光栅尺分辨率为1微米，行程与平移台行程相匹配，所述四轴电动平移台在近端及远端均安装限位开关，并将信号引入运动控制器，防止撞机，造成损害。
作为本发明的进一步改进，所述成像系统由物方远心镜头和工业相机组成，其中，物方远心镜头的光圈及像距可手动调整，改变曝光量及放大倍数，工业相机用于记录待测透镜图像，并通过USB或千兆网接口与上位机连接传输图像，相机可自定义增益、曝光时间及感兴趣像素区域。
作为本发明的进一步改进，所述环形光源为LED环形阵列，出射面处加入光学弥散板及环形孔径，产生环形线光源，环形光源安装在电动平移台上，可上下移动改变环形光源与所述待测透镜之间的距离，当距离变化时，照明角度发生变化，光源在透镜表面形成像的位置同样发生变化。
作为本发明的进一步改进，所述待测透镜已经过抛光处理，具有较低的表面粗糙度，不限制曲率半径。
作为本发明的进一步改进，所述夹持机构为自定心透镜架，可确保放置圆形孔径待测透镜时，待测透镜位于成像系统视场中心附近。
作为本发明的进一步改进，所述面光源为LED面阵列组成，出光口处加入光学弥散板，所述光学弥散板尺寸大于待测透镜口径，确保透射光能够覆盖透镜。
作为本发明的进一步改进，所述上位机包括用于成像系统数据的图像获取模块、用于与运动控制器进行通信的运动通信模块、用于与LED驱动电源通信的光源通信模块，用于人机界面交互的界面模块、用于图像处理及表面质量判断的数据处理模块，以及用于保存数据及配置参数的文件模块，所述图像获取模块、运动通信模块、光源通信模块、界面模块和文件模块均与数据处理模块信号连接。
一种基于透射反射混合照明的透镜表面瑕疵检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：复位系统，将环形光源移动至初始设定位置，待测透镜移动至成像系统视场中心；
步骤2：打开面光源，关闭环形光源，成像系统采集保存明场图像；
步骤3：关闭面光源，打开环形光源，每移动环形光源一定距离，成像系统采集保存暗场图像；
步骤4：当待测透镜口径内表面起伏超过成像系统景深时，根据离焦表面位置移动成像系统，确保口径内表面各点均被清晰成像；
步骤5：融合处理明场图像及多幅暗场图像，获得全口径暗场图像，开展缺陷识别及检测图像处理；
步骤6：根据检测标准，判断待测透镜是否满足表面质量要求。
本发明的有益效果在于：通过使用移动环形线光源及面光源混合照明的方式，可获得透镜全口径暗场图像，便于后续图像处理及缺陷识别，有利于准确测量透镜表面缺陷；相比传统机器视觉设备，本发明对透镜曲率半径没有限制，适用性广，具有较高性价比，在光学加工企业具有广阔的市场前景。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中透射反射混合照明的原理图。
图3是本发明中面光源照明时形成的明场图像。
图4是本发明中四个不同位置环形光源照明时形成的暗场图像。
图5是本本发明中形成的全口径暗场图像。
附图标记列表：
1-上位机，2-运动控制器，3-LED驱动电源，4-四轴电动平移台，5-成像镜头，6-环形光源，7-待测透镜，8-夹持机构，9-面光源。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1和2所示，一种基于透射反射混合照明的透镜表面瑕疵检测装置，包括上位机1、运动控制器2、LED驱动电源3、四轴电动平移台4、成像系统5、环形光源6、待测透镜7、夹持机构8和面光源9；所述运动控制器与上位机以及四轴电动平移台信号连接，用于与上位机进行信号传输，以及控制四轴电动平移台的位移运动；所述LED驱动电源与上位机信号连接，用于控制驱动电流的强度；所述四轴电动平移台上配合安装有可分别升降的成像系统和环形光源，以及可在水平面内位移的待测透镜和面光源，其中，成像系统置于环形光源的上方，且成像系统与上位机信号连接，所述待测透镜和面光源上下设置，待测透镜由夹持机构夹持。本发明中环形光源与待测透镜之间的距离可调节，改变照明角度，通过混合透射式及反射式照明，融合多角度环形光源照明图像及面光源照明图像，克服照明光进入成像系统的影响，实现表面瑕疵的暗场照明，生成全表面暗场图像，为准确识别表面瑕疵提供高质量图像。
在本实施例中，所述运动控制器包括电源模块、电机驱动模块和下位机处理模块，其中，电源模块为电机驱动模块和下位机处理模块供电，电机驱动模块用于控制四轴电动平移台的位移，下位机处理模块用于读取四轴电动平移台的升降位移信号，并与上位机以及电机驱动模块信号连接。
在本实施例中，所述电源模块提供24V电源与5V电源，其中24V电源用于电机驱动模块，5V电压用于下位机处理模块，所述电机驱动模块使用步进电机闭环控制器，提供电机编码器输入接口，使用方向及脉冲方式进行驱动，所述下位机处理模块由单片机及FPGA组成，其中，单片机提供电机驱动信号I/O口、上位机通信及逻辑处理功能，FPGA读取位移计信号，并通过内存形式与单片机通信，以提高通信速度。
其中，运动控制一般流程为上位机发送命令，下位机处理模块的单片机读取FPGA实时记录的电动平移台位置并通过串口传送至上位机，上位机根据当前位置及目标位置计算需移动距离，将信息发送至单片机，单片机根据移动方向及距离发送脉冲及方向信号至电机驱动模块，控制电机转动。当要求定位精度较高时，完成运动后上位机读取电动平移台位置，进一步根据误差重复上述流程，实现闭环控制。
在本实施例中，所述LED驱动电源为连续可调电流光源，具有至少两个控制通道，具有至少两个控制通道，分别控制所述环形光源6及面光源9，两个通道互相独立，可通过串口与上位机进行通信，控制驱动电流的强度，改变光源亮度，通过串口与上位机进行通信，控制驱动电流的强度。
在本实施例中，所述四轴电动平移台由四个独立的单轴电动平移台拼接组成，包括X轴电动平移台、Y轴电动平移台、Z轴电动平移台和Z1轴电动平移台，并均使用带有编码器的步进电机进行驱动，其中，X轴电动平移台和Y轴电动平移台置于水平面中，且相互垂直连接，用于安装定位待测透镜，Z轴电动平移台和Z1轴电动平移台均竖直设置，Z轴电动平移台安装成像系统，Z1轴电动平移台安装环形光源，所述X轴电动平移台、Y轴电动平移台和Z轴电动平移台行程不小于50mm，Z1轴电动平移台行程不小于100mm，所述四轴电动平移台每一轴均配置有光栅尺，光栅尺分辨率为1微米，行程与平移台行程相匹配，所述四轴电动平移台在近端及远端均安装限位开关，并将信号引入运动控制器，防止撞机，造成损害。
在本实施例中，所述成像系统由物方远心镜头和工业相机组成，其中，物方远心镜头的光圈及像距可手动调整，改变曝光量及放大倍数，工业相机用于记录待测透镜图像，并通过USB或千兆网接口与上位机连接传输图像，相机可自定义增益、曝光时间及感兴趣像素区域，通过调节镜头，可是单幅图像视场从5*5 mm2至25*25 mm2连续变化。
在本实施例中，所述环形光源为LED环形阵列，出射面处加入光学弥散板及环形孔径，产生环形线光源，口径一般大于40 mm。环形光源安装在电动平移台上，可上下移动改变环形光源与所述待测透镜之间的距离，当距离变化时，照明角度发生变化，光源在透镜表面形成像的位置同样发生变化。
在本实施例中，所述待测透镜已经过抛光处理，具有较低的表面粗糙度，不限制曲率半径。
在本实施例中，所述夹持机构为自定心透镜架，可确保放置圆形孔径待测透镜时，待测透镜位于成像系统视场中心附近。
在本实施例中，所述面光源为LED面阵列组成，出光口处加入光学弥散板，所述光学弥散板尺寸大于待测透镜口径，确保透射光能够覆盖透镜。
在本实施例中，所述上位机为一般桌面式或手提式个人计算机，使用Windows操作系统，包括用于成像系统数据的图像获取模块、用于与运动控制器进行通信的运动通信模块、用于与LED驱动电源通信的光源通信模块，用于人机界面交互的界面模块、用于图像处理及表面质量判断的数据处理模块，以及用于保存数据及配置参数的文件模块，所述图像获取模块、运动通信模块、光源通信模块、界面模块和文件模块均与数据处理模块信号连接，其中，上位机1需提供至少2个USB口，分别与运动控制器2及LED驱动电源3进行串行通信，当成像系统5使用USB接口时，上位机应提供另一USB3.0接口，以进行高速图像传输。当成像系统5使用千兆网接口时，上位机应提供千兆网接口。
一种基于透射反射混合照明的透镜表面瑕疵检测方法，包括以下步骤：
步骤1：复位系统，将环形光源移动至初始设定位置，待测透镜移动至成像系统视场中心；
步骤2：打开面光源，关闭环形光源，成像系统采集保存明场图像；
步骤3：关闭面光源，打开环形光源，每移动环形光源一定距离，成像系统采集保存暗场图像；
步骤4：当待测透镜口径内表面起伏超过成像系统景深时，根据离焦表面位置移动成像系统，确保口径内表面各点均被清晰成像；
步骤5：融合处理明场图像及多幅暗场图像，获得全口径暗场图像，开展缺陷识别及检测图像处理；
步骤6：根据检测标准，判断待测透镜是否满足表面质量要求。
一种透射反射混合照明的透镜表面瑕疵检测方法，其图像处理一般思路为：
步骤（1）：根据明场图像，见图3，确定透镜边缘及中心位置，并寻找口径内是否有大块黑色图像，若存在，则可认为透镜不满足要求，存在大尺寸缺陷；
步骤（2）：读取环形光源初始位置时的暗场图像，见图4，利用连通域处理识别口径内的明亮区域，当存在大块明亮区域时，读取明场图像对应位置处的图像强度，若图像强度与背景一致，则认为该明亮区域为光源镜面反射光造成，不计入缺陷；
步骤（3）：将去除了明亮区域及背景的图像累加至全口径暗场图像；
步骤（4）：重复步骤(2)-(3)，循环读取环形光源不同位置时的暗场图像进行处理，最终获得全口径暗场图像，见图5，图中不出现镜面反射光造成的明亮区域；
步骤（5）：对全口径暗场图像进行二值化、连通域及缺陷分类；
步骤（6）根据检测标准，如美军标、国标或俄罗斯标准，判断样品表面质量是否满足要求。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于透射反射混合照明的透镜表面瑕疵检测装置，其特征在于：包括上位机、运动控制器、LED驱动电源、四轴电动平移台、成像系统、环形光源、待测透镜、夹持机构和面光源；
所述运动控制器与上位机以及四轴电动平移台信号连接，用于与上位机进行信号传输，以及控制四轴电动平移台的位移运动；
所述LED驱动电源与上位机信号连接，用于控制驱动电流的强度；
所述四轴电动平移台上配合安装有可分别升降的成像系统和环形光源，以及可在水平面内位移的待测透镜和面光源，其中，成像系统置于环形光源的上方，且成像系统与上位机信号连接，所述待测透镜和面光源上下设置，待测透镜由夹持机构夹持；
其检测方法包括如下步骤：
步骤1：复位系统，将环形光源移动至初始设定位置，待测透镜移动至成像系统视场中心；
步骤2：打开面光源，关闭环形光源，成像系统采集保存明场图像；
步骤3：关闭面光源，打开环形光源，每移动环形光源一定距离，成像系统采集保存暗场图像；
步骤4：当待测透镜口径内表面起伏超过成像系统景深时，根据离焦表面位置移动成像系统，确保口径内表面各点均被清晰成像；
步骤5：融合处理明场图像及多幅暗场图像，获得全口径暗场图像，开展缺陷识别及检测图像处理；缺陷识别及检测图像处理过程包括以下子步骤：
步骤(1)：根据明场图像，确定透镜边缘及中心位置，并寻找口径内是否有大块黑色图像，若存在，则可认为透镜不满足要求，存在大尺寸缺陷；
步骤(2)：读取环形光源初始位置时的暗场图像，利用连通域处理识别口径内的明亮区域，当存在大块明亮区域时，读取明场图像对应位置处的图像强度，若图像强度与背景一致，则认为该明亮区域为光源镜面反射光造成，不计入缺陷；
步骤(3)：将去除了明亮区域及背景的图像累加至全口径暗场图像；
步骤(4)：重复步骤(2)-(3)，循环读取环形光源不同位置时的暗场图像进行处理，最终获得全口径暗场图像，图中不出现镜面反射光造成的明亮区域；
步骤(5)：对全口径暗场图像进行二值化、连通域及缺陷分类；
步骤6：根据检测标准，判断待测透镜是否满足表面质量要求。
2.根据权利要求1所述的一种基于透射反射混合照明的透镜表面瑕疵检测装置，其特征在于：所述运动控制器包括电源模块、电机驱动模块和下位机处理模块，其中，电源模块为电机驱动模块和下位机处理模块供电，电机驱动模块用于控制四轴电动平移台的位移，下位机处理模块用于读取四轴电动平移台的升降位移信号，并与上位机以及电机驱动模块信号连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于透射反射混合照明的透镜表面瑕疵检测装置，其特征在于：所述电源模块提供24V电源与5V电源，其中24V电源用于电机驱动模块，5V电压用于下位机处理模块，所述电机驱动模块使用步进电机闭环控制器，提供电机编码器输入接口，使用方向及脉冲方式进行驱动，所述下位机处理模块由单片机及FPGA组成，其中，单片机提供电机驱动信号I/O口、上位机通信及逻辑处理功能，FPGA读取位移计信号，并通过内存形式与单片机通信。
4.根据权利要求1所述的一种基于透射反射混合照明的透镜表面瑕疵检测装置，其特征在于：所述LED驱动电源为连续可调电流光源，具有至少两个控制通道，分别控制环形光源以及面光源，并通过串口与上位机进行通信，控制驱动电流的强度。
5.根据权利要求2所述的一种基于透射反射混合照明的透镜表面瑕疵检测装置，其特征在于：所述四轴电动平移台由四个独立的单轴电动平移台拼接组成，包括X轴电动平移台、Y轴电动平移台、Z轴电动平移台和Z1轴电动平移台，并均使用带有编码器的步进电机进行驱动，其中，X轴电动平移台和Y轴电动平移台置于水平面中，且相互垂直连接，用于安装定位待测透镜，Z轴电动平移台和Z1轴电动平移台均竖直设置，Z轴电动平移台安装成像系统，Z1轴电动平移台安装环形光源，所述X轴电动平移台、Y轴电动平移台和Z轴电动平移台行程不小于50mm，Z1轴电动平移台行程不小于100mm，所述四轴电动平移台每一轴均配置有光栅尺，光栅尺分辨率为1微米，行程与平移台行程相匹配，所述四轴电动平移台在近端及远端均安装限位开关，并将信号引入运动控制器。
6.根据权利要求1所述的一种基于透射反射混合照明的透镜表面瑕疵检测装置，其特征在于：所述成像系统由物方远心镜头和工业相机组成，其中，工业相机用于记录待测透镜图像，并通过USB或千兆网接口与上位机连接传输图像。
7.根据权利要求1所述的一种基于透射反射混合照明的透镜表面瑕疵检测装置，其特征在于：所述环形光源为LED环形阵列，出射面处加入光学弥散板及环形孔径，产生环形线光源。
8.根据权利要求1所述的一种基于透射反射混合照明的透镜表面瑕疵检测装置，其特征在于：所述面光源为LED面阵列组成，出光口处加入光学弥散板，所述光学弥散板尺寸大于待测透镜口径。
9.根据权利要求1所述的一种基于透射反射混合照明的透镜表面瑕疵检测装置，其特征在于：所述上位机包括用于成像系统数据的图像获取模块、用于与运动控制器进行通信的运动通信模块、用于与LED驱动电源通信的光源通信模块，用于人机界面交互的界面模块、用于图像处理及表面质量判断的数据处理模块，以及用于保存数据及配置参数的文件模块，所述图像获取模块、运动通信模块、光源通信模块、界面模块和文件模块均与数据处理模块信号连接。
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