CN114754694A - 一种基于多光谱的材料形变检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于多光谱的材料形变检测设备，包括光源系统、投射系统、样品承载系统、相机和处理器。通过不同波长光束与待形变位置的配合，实现了多种扫描模式的检测，能够实现快速、准确、全面的液晶弹性材料的形变检测。

Description

一种基于多光谱的材料形变检测设备

技术领域

本发明涉及材料形变检测领域，特别涉及一种基于多光谱的材料形变检测设备。

背景技术

液晶弹性体是一种新型材料，它同时具备液晶材料独特的位置序和取向序，又具备一般聚合物的弹性性能，因此具有一些独特的物理应变特性，如软弹性、形状记忆特性、热致应变特性、光致应变特性等。如同液晶对外部刺激敏感一样，液晶弹性体对热、光、电等外部作用场极敏感，可以在外场作用下快速变形，而且在外场刺激撤销后能够恢复到原始状态。并且根据研究液晶弹性体材料对于不同波长的光照形变具有一定差异。因此其对于光照的响应以及对于无光照的恢复是液晶弹性体材料的重要性能之一。

现有技术中通常采用人工目视方法判断液晶弹体材料的形变，但其准确度不够，且某些波长的光长期注视对人眼具有损伤。现有技术中也有使用机器视觉的方式进行材料形变的检测，但图像算法复杂，准确度较低。并且，由于液晶弹体材料的特殊光学特性，一般材料形变图像算法无法准确实现检测，目前还未有也没有专门针对液晶弹体材料的图像处理算法。而且，目前的检测均集中在被光照后是否形变合格，其采用的结构大多数为光源、相机，而从未有考虑不同波长光线条件下液晶弹性体材料形变的性能，更没有适合的解决方案。即使在其他领域，对于不同波长光线条件的满足也是通过多个波长光源来实现，这样对光源一致性要求较高。

发明内容

一种基于多光谱的材料形变检测设备，包括光源系统、投射系统、样品承载系统、相机和处理器；

其中光源系统包括多光谱光源、准直透镜；多光谱光源为线光源，向透镜发射线状光束，准直透镜用于将光源发出的线状光束准直扩束，成为投影面为矩形的光束；

投射系统包括反射棱镜、左反射镜、右反射镜；其中反射棱镜为直角棱镜，矩形光束能够均匀地照射在反射棱镜两个反射斜面上，并被均匀分隔为两部分，分别由两个反射斜面反射，形成两个波长不同的水平方向光束分别射向左反射镜和右反射镜；反射棱镜两个反射斜面上分别设置有能够反射不同波长的反射膜；左反射镜、右反射镜分别与左驱动器、右驱动器连接，通过左反射镜、右反射镜转动分别向样品承载系统投射第一光束和第二光束；

样品承载系统包括承载板、第一波长光传感器、第二波长光传感器；其中第一波长光传感器为多个，依次阵列排布，位于承载板长度方向一侧边缘；第二波长光传感器为多个，依次阵列排布，位于承载板长度方向另一侧边缘；承载板用于承载液晶弹性材料样品；样品阵列排布，宽度方向上每排样品与一个第一波长光传感器和一个第二波长光传感器位置相对应；第一波长光传感器和一个第二波长光传感器用于分别感知投射系统投射的第一光束和第二光束，并将感知信号发送给处理器；

处理器，用于执行如下方法：开启光源的脉冲照射模式，使得光源按照预设脉冲频率周期性地发光，光束经过反射棱镜分光，并经过左、右反射镜反射后，分别形成截面为矩形的第一光束和第二光束，照射在承载板上；第一光束和第二光束的光斑均覆盖承载板边缘的第一波长光传感器和第二波长光传感器；接收到第一光束照射的第一波长光传感器向处理器发送第一传感信号，接收到第二光束照射的第二波长光传感器向处理器发送第二传感信号，处理器根据第一传感信号和第二传感信号判断此时第一光束和第二光束位于预定位置，则控制光源开启固定照射模式，向样品发出恒定功率的连续照射光，从而使得液晶弹性材料样品发生形变，处理器根据采集的形变图像对样品形变进行判断。

相机位于样品承载系统正上方、反射棱镜下，用于拍摄样品图像，并将图像传输至处理器。

多光谱光源包括紫外光、可见光、红外光中任意两个波段。

在使用设备时，选择反射棱镜型号，使得其两个斜面能够反射不同波长的光束。

所述脉冲照射模式为光源按照预设脉冲频率周期性地发光。

所述固定照射为光源向样品发出恒定功率的连续照射光，使得材料发生形变。

处理器还用于执行双光谱独立扫描模式：第一光束和第二光束每次分别投射至样品不同列。

处理器还用于执行双光谱重合扫描模式：第一光束和第二光束每次均投射至样品相同列。

处理器用于通过对采集的形变图像和标准形变图像进行处理得到特征分布图，并由此计算单元响应距离，进而判断形变图像特征分布图和标准形变图像特征分布图的空间相似性和内容相似性。

处理器用于根据空间相似性和内容相似性判断样品是否符合形变要求。

本发明的发明点及技术效果：

1、本发明通过可更换的波长规格的分光棱镜，实现了在单一光源情况下完成双光谱的材料性能检测。更换方便，且可以适用于多种光谱，避免了多光源带来的光源一致性差、成本高的问题，从而提高了检测准确度。

2、通过在承载板上设置不同波长的传感器，并结合反射镜旋转的方式方便快捷地实现了对于不同波长光束的引导，保证了液晶弹性体材料能够快速切换不同光谱条件，实现快速、准确地形变的检测。

3、创造性地提出了多种光照扫描检测模式，从而能够对液晶弹性体材料的性能实现更为全面、准确的检测，避免单一检测带来的误判。

4、提出了专门适用于液晶弹性体材料形变性能检测的图像处理方法，能够结合多光谱设备使用，更加准确、快速、全面实现检测。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是检测设备结构示意图；

图2是样品承载系统结构示意图。

具体实施方式

基于多光谱的液晶弹性材料检测设备，包括光源系统、投射系统、样品承载系统6、相机7和处理器。

其中光源系统包括多光谱光源1、准直透镜2。多光谱光源为线光源，向透镜发射线状光束，该光束包括多波段光谱，例如至少可以包括紫外光、可见光、红外光中任意两个波段。准直透镜用于将光源发出的线状光束准直扩束，成为投影面为矩形的光束。

投射系统包括反射棱镜3、左侧转动的左反射镜4、右侧转动的右反射镜5。其中反射棱镜为直角棱镜，直角向上，从而使得矩形光束均匀地照射在反射棱镜两个反射斜面上。由此，矩形光束被均匀分隔为两部分，分别由两个反射斜面反射，形成水平方向光束。反射棱镜两个反射斜面上分别设置有不同波长的高反射膜，从而使得被反射棱镜分割反射的两部分水平方向光束的波长不同。作为一种举例，水平向左反射的光为可见光波段，水平向右反射的光为紫外光波段。水平向左的光被左反射镜反射后形成第一投射光投射到样品承载系统上，水平向由的光被右反射镜反射后形成第二投射光投射到样品承载系统上。左反射镜、右反射镜分别与左驱动器、右驱动器连接。两个驱动器分别与处理器连接，根据处理器信号驱动反射镜转动。

样品承载系统6包括承载板6-1、第一波长光传感器6-2、第二波长光传感器6-3。其中第一波长光传感器为多个，依次阵列排布，位于承载板长度方向一侧边缘；第二波长光传感器为多个，依次阵列排布，位于承载板长度方向另一侧边缘。承载板用于承载液晶材料样品8，样品阵列排布，宽度方向上每排样品与一个第一波长光传感器和一个第二波长光传感器位置相对应，即一个第一波长光传感器和一个第二波长光传感器分别位于该排样品的两端。第一波长光传感器和一个第二波长光传感器用于分别感知投射系统投射的第一光束和第二光束，并将感知信号发送给处理器。

处理器，用于根据第一波长光传感器和一个第二波长光传感器发送的信号，判断第一光束和第二光束是否已投射至预设位置，即投射光是否照射了固定的样品排。同时，处理器还用于根据光传感器信号，计算左、右反射镜应当转动的角度，并驱动左、右驱动装置进行动作。处理器还能够控制光源的发光模式，进行脉冲照射和固定照射的模式切换。处理器还用于接收相机拍摄的图像，从而对样品形变进行判断。

相机7位于样品承载系统正上方，通常设置于反射棱镜下，用于拍摄样品图像，并将图像传输至处理器。

该设备的工作流程为：

（1）将液晶材料样品按矩形行列排布，放置在承载板上，每一列样品与位于承载板边缘的一个第一波长光传感器和一个第二波长光传感器相对应。

（2）选择反射棱镜型号，使得其两个斜面可以反射不同波长的光束。

（3）开启光源的脉冲模式，使得光源按照预设脉冲频率周期性地发光，光束经过反射棱镜分光，并经过左、由反射镜反射后，分别形成截面为矩形的第一光束和第二光束，照射在承载板上。第一光束和第二光束的光斑均覆盖承载边缘的第一波长光传感器和第二波长光传感器。如此可以避免一直使用大功率照射带来的功耗增加，和样品损坏。

（4）接收到第一光束照射的第一波长光传感器向处理器发送第一传感信号，处理器根据第一传感信号判断此时第一光束照射在承载板上的第一位置；接收到第二光束照射的第二波长光传感器向处理器发送第二传感信号，处理器根据第二传感信号判断此时第二光束照射在承载板上的第二位置。

（5）当第一位置和第二位置均符合预定位置时，则光源开启固定照射模式，向样品发出恒定大功率的连续照射光，从而使得液晶弹性材料发生形变，此时相机采集液晶材料样品的形变图像，并发送给处理器。

（6）处理器根据接收到的形变图像，判断液晶弹性材料是否发生预期形变。

为了准确检测液晶弹性材料的形变性能，需要进行如下多种照射模式的检测。

（1）双光谱独立扫描

第一光束投射至第一位置，第二光束投射至第二位置，且第一位置与第二位置不重合，即第一光束照射液晶弹性材料样品的某一列，第二光束照射液晶弹性材料的另一列。形变完毕并采集形变图像后，第一光束投射至与第一位置相邻的位置，第二光束投射至与第二位置相邻的位置，进行材料形变及图像采集，以此类推。第一光束依次照射射液晶弹性材料样品排布的矩阵的每一列，使得每一列液晶弹性材料样品发生光致形变，同时采集相应形变图像；第二光束依次照射射液晶弹性材料样品排布的矩阵的每一列，使得每一列液晶弹性材料样品发生光致形变，同时采集相应形变图像。第一光束和第二光束每次投射的位置均不重合。作为一种优选，任何一列液晶弹性材料样品发生光致形变后恢复一段时间，材料恢复到未形变状态，再进行第二次投射。以阵列数量为8列的样品阵列为例。第一光束依次投射第1、2、3、4、5、6、7、8列样品，同时第二光束依次投射第5、6、7、8、1、2、3、4列样品。如此，样品能够获得较长的恢复时间。

（2）双光谱重合扫描

第一光束投射至第一位置，第二光束投射至第二位置，且第一位置与第二位置重合，即第一光束照射液晶弹性材料样品的某一列，第二光束同样照射液晶弹性材料的该列，从而使得该列液晶弹性材料受到两个光谱的光照射，发生形变。形变完毕并采集形变图像后，第一光束投射至与第一位置相邻的位置，第二光束同样投射至该位置，进行材料形变及图像采集，以此类推。第一、二光束同时依次照射射液晶弹性材料样品排布的矩阵的每一列，使得每一列液晶弹性材料样品在同时受到两个光谱的光束照射发生光致形变，同时采集相应形变图像。以8列样品阵列为例。第一光束依次投射第1、2、3、4、5、6、7、8列样品，同时第二光束依次投射第1、2、3、4、5、6、7、8列样品。

其中，处理器执行的方法如下所述：

按照上面所述的照射模式，分别采集液晶弹性体阵列在不同光谱照射下产生形变的图案，图案包括多种。例如，以8列样品阵列为例，在双光谱独立扫描模式下，第一光束依次投射第1、2、3、4、5、6、7、8列样品，同时第二光束依次投射第5、6、7、8、1、2、3、4列样品，如此可产生8个形变图像；在双光谱重合扫描模式下，第一光束依次投射第1、2、3、4、5、6、7、8列样品，同时第二光束依次投射第1、2、3、4、5、6、7、8列样品，如此又可以产生8个形变图像。也就是说，经过上述两种模式的操作，一共采集了16个待检测形变图像。为了检测这些形变图像是否符合要求，则事先应当按上述方法采集标准8列样品阵列的16个标准形变图像。从而一方面可以按如下方式通过学习确定算法参数，另一方面可以作为后续待检测图像的参考。下面以其中一个待检测形变图像和其对应的标准形变图像为例，进行算法介绍。可以理解，每个待检测形变图像和其对应的标准图像都需要完成整个算法（即需要对液晶弹性体阵列的每个形变状态进行采集和处理），这样才能检测每种形变状态下阵列是否发生形变异常。通过上述两种模式，能够对材料形变更加全面检测，避免了单一光谱检测带来的性能考察不完整的问题。防止某些异常单元在一些波长条件下形变正常带来的误判。

（1）液晶弹性体阵列模块图像的预处理

利用光学相机采集液晶弹性体阵列模块图像，将采集的图像表示成数字二维矩阵形式；图像内容是液晶弹性体阵列模块，包括若干按行、列分布排列的液晶弹性体单元；每个单元受到独立控制的激发光源影响，当受到光照时，单元逐渐产生形变，当光照解除后，单元逐渐恢复原有形态。形变发生后，所有液晶弹性体单元在图像中反映出的分布特征发生改变，故可通过识别图像分布特征来区分某些单元是否发生形变。

采集一张液晶弹性体阵列模块图像，包括若干按行、列分布排列的液晶弹性体单元，其具有一定的颜色特征，与陈列模块的基板相区分。在图像中，通过预处理方法对图像中的每一个像素作标记，判断其属于液晶弹性体可形变部分的概率，并形成液晶弹性体阵列模块图像的概率图，并对概率图进行滤波优化，获得液晶弹性体阵列模块图像的特征分布图。

设液晶弹性体单元、模块基板的颜色特征分布分别记为

、

，该分布可根据模 块制造材料进行事先测量统计，获得相应的分布函数

、

，或根据现实条件合理预估一 种分布函数，用于构建上述颜色特征分布。

例如，设液晶弹性体单元、模块基板的颜色特征均服从高斯分布，液晶弹性体单元 的颜色服从分布

，模块基板的颜色服从分布

：

(1)、(2)中，x表示颜色值，

、

分别表示分布

、

的均值，

、

分别表示分 布

、

的方差。

表示自然指数。

设图像的一个像素表示为

，

为像素的颜色值，

表示像素在图像中的 空间位置。记图像的概率图

表示如下：

其中，

表示在空间位置

处像素的颜色值，

为概率图在相 应的空间位置

处的像素值。概率图描述了图像中的一个像素属于液晶弹性体单元的 可能性。由于单一像素值容易受到噪声干扰，故进一步的，对概率图作进行如下处理：

(4)中，

、

为两个方阵，

，

为方阵元素的空 间坐标，

、

定义如下：

通过大量实验分析图像特点优化方阵结构和去噪算法，对概率图

作去噪处理， 全面、准确地去除了源图像中存在的像素级噪声，获得源图像的特征分布图

，反映了源图 像中包含液晶弹性体单元的分布特征，当液晶弹性体单元发生形变时，特征分布图亦随之 发生变化，故可通过该特征分布图实施检测。

可以理解，上述预处理方法是基础方法，在学习过程中，需要对采集的标准液晶弹性体阵列在多光谱的各种照射模式下的标准形变图像进行上述预处理。

（2）基于图像特征的液晶弹性体阵列模块形变状态的检测

拍摄液晶弹性体阵列模块的图像，并将拍摄的源图像利用步骤1所述方法获得对应的特征分布图，根据特征分布图检测其形变状态，并与预期的形变状态相比对。

所述液晶弹性体阵列模块形变状态，是指液晶弹性体阵列模块若干单元发生形变，并通过发生形变的单元与未发生形变单元的排列组合，形成具有一定信息含义的物理形态。

对不同光照模式下获得的每一个标准形变图案分别进行如下操作分别确定算法 参数：

当需要检测某一的形变状态时，例如前文中任何一种情况的图案，先准备一幅模 块处于相应形变状态所采集的标准图像

，并根据步骤1所述方法计算对应的特征分布图

。

对特征分布图

中的每个像素

，计算其单元响应距离

，定义如下：

当

时，

(5)中，median表示取一个集合中所有元素的中间值。

为如(6)定义的集合， 集合中包括8个元素，每一个元素

表示当

依次取式(7)的八组值时，使 (6)中条件

成立的

的最大值。T为一经验阈值，经 过实验优选T=0.35。

表示

取八个方向时的最大步长，取经验值

。

单元响应距离

描述了特征分布图中液晶弹性体单元的一部分与其边界 的距离，单元响应距离越大，表示该部分像素越靠近液晶弹性体单元的中央。假设液晶弹性 体阵列共有N个单元，取

中最大的前N个像素的位置，作为对液晶弹性体单元的定 位，记为

、

…、

。

上述计算标准图像参数的过程，称为学习过程。利用特征分布图与单元响应距离提供的信息，首先对标准图像根据式(5)-(7)进行学习，获得相应的标准图像单元响应距离参数，与定位参数，从而获得检测液晶弹性体阵列在该状态下的算法。进一步根据前述参数继续评估一张待检测图像与标准图像的相似性，就可以判断待检测图像中的液晶弹性体阵列是否发生了如预期的形变，具体如下。

采集待检测液晶弹性体阵列的多种形变状态下的形变图像，并分别与对应的标准 图像进行比对处理：

给定一张待检测图像

，根据步骤1所述方法计算其特征分布图

；并根据 式(5)、(6)、(7)计算其每个像素的单元响应距离

。

取

中最大的前N个像素的位置，记为

、

…、

。

定义特征分布图

、

的空间相似性如下：

中，

表示两个位置

、

的相对距离。式(8)表示待检测图像 特征分布图与标准图像特征分布图之间最小单元响应距离的均值，用于度量特征分布图的 空间相似性。

定义特征分布图

、

的内容相似性如下：

中，

、

分别表示

、

像素值的数学期望，即平均值；

表示图中像 素的个数，对于本发明中所有图像是一致的。式(9)描述了特征分布图对应位置像素取值的 相似性。

将特征分布图的空间相似性、内容相似性联合，既可以衡量特征图之间像素纹理和内容的相似性，从而检测出特征图所对应的形变是否一致；又可以排除局部像素异常（如光照不均、阴影等）带来的干扰，增强检测的鲁棒性。

通过比较标准图像与待检测图像特征分布图的相似性度量，判定待检测图像的形变状态是否与标准图像在一定期望下相符，从而推论待检测图像中液晶弹性体阵列的形变状态是否正确发生形变。

对液晶弹性体阵列的多种状态分别进行上述检测步骤，若在多次检测中图像均通过检测，则认为该液晶弹性体材料符合要求。

为了验证该方法的准确性和全面性，本发明进行了比较实验，实验数据如下：

实验例	检测正确率	100样品实验耗时
			本发明算法	98.3%	127秒
现有图像算法	83.5%	304秒
			人工方法	96.7%	2小时

测试结果表明，本发明方法可以自动检测较大规模液晶弹性体材料阵列的形变响应性能，快速、准确、全面，能够取得良好的检测结果。

本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种基于多光谱的材料形变检测设备，其特征在于：包括光源系统、投射系统、样品承载系统、相机和处理器；

其中光源系统包括多光谱光源、准直透镜；多光谱光源为线光源，向透镜发射线状光束，准直透镜用于将光源发出的线状光束准直扩束，成为投影面为矩形的光束；

投射系统包括反射棱镜、左反射镜、右反射镜；其中反射棱镜为直角棱镜，矩形光束能够均匀地照射在反射棱镜两个反射斜面上，并被均匀分隔为两部分，分别由两个反射斜面反射，形成两个波长不同的水平方向光束分别射向左反射镜和右反射镜；反射棱镜两个反射斜面上分别设置有能够反射不同波长的反射膜；左反射镜、右反射镜分别与左驱动器、右驱动器连接，通过左反射镜、右反射镜转动分别向样品承载系统投射第一光束和第二光束；

样品承载系统包括承载板、第一波长光传感器、第二波长光传感器；其中第一波长光传感器为多个，依次阵列排布，位于承载板长度方向一侧边缘；第二波长光传感器为多个，依次阵列排布，位于承载板长度方向另一侧边缘；承载板用于承载液晶弹性材料样品；样品阵列排布，宽度方向上每排样品与一个第一波长光传感器和一个第二波长光传感器位置相对应；第一波长光传感器和一个第二波长光传感器用于分别感知投射系统投射的第一光束和第二光束，并将感知信号发送给处理器；

处理器，用于执行如下方法：开启光源的脉冲照射模式，使得光源按照预设脉冲频率周期性地发光，光束经过反射棱镜分光，并经过左、右反射镜反射后，分别形成截面为矩形的第一光束和第二光束，照射在承载板上；第一光束和第二光束的光斑均覆盖承载板边缘的第一波长光传感器和第二波长光传感器；接收到第一光束照射的第一波长光传感器向处理器发送第一传感信号，接收到第二光束照射的第二波长光传感器向处理器发送第二传感信号，处理器根据第一传感信号和第二传感信号判断此时第一光束和第二光束位于预定位置，则控制光源开启固定照射模式，向样品发出恒定功率的连续照射光，从而使得液晶弹性材料样品发生形变，处理器根据采集的形变图像对样品形变进行判断。

2.如权利要求1所述的一种基于多光谱的材料形变检测设备，其特征在于：相机位于样品承载系统正上方、反射棱镜下，用于拍摄样品图像，并将图像传输至处理器。

3.如权利要求1所述的一种基于多光谱的材料形变检测设备，其特征在于：多光谱光源包括紫外光、可见光、红外光中任意两个波段。

4.如权利要求1所述的一种基于多光谱的材料形变检测设备，其特征在于：在使用设备时，选择反射棱镜型号，使得其两个斜面能够反射不同波长的光束。

5.如权利要求1所述的一种基于多光谱的材料形变检测设备，其特征在于：所述脉冲照射模式为光源按照预设脉冲频率周期性地发光。

6.如权利要求1所述的一种基于多光谱的材料形变检测设备，其特征在于：所述固定照射为光源向样品发出恒定功率的连续照射光，使得材料发生形变。

7.如权利要求1所述的一种基于多光谱的材料形变检测设备，其特征在于：处理器还用于执行双光谱独立扫描模式：第一光束和第二光束每次分别投射至样品不同列。

8.如权利要求1所述的一种基于多光谱的材料形变检测设备，其特征在于：处理器还用于执行双光谱重合扫描模式：第一光束和第二光束每次均投射至样品相同列。

9.如权利要求1所述的一种基于多光谱的材料形变检测设备，其特征在于：处理器用于通过对采集的形变图像和标准形变图像进行处理得到特征分布图，并由此计算单元响应距离，进而判断形变图像特征分布图和标准形变图像特征分布图的空间相似性和内容相似性。

10.如权利要求9所述的一种基于多光谱的材料形变检测设备，其特征在于：处理器用于根据空间相似性和内容相似性判断样品是否符合形变要求。

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