CN115655151A - 基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置及方法，涉及光学检测领域，其中光学检测装置包括显示屏、超窄带滤光片、供超窄带滤光片放置并带动其转动的旋转镜架、用于放置手机后盖板的第一三维平移台、中性密度衰减片、用于放置中性密度衰减片的第二三维平移台、图像探测器和计算机。本发明可实现手机后盖板的彩色表面形貌再现，解决机器视觉缺陷检测中异色较难检出的问题，并且能够有效解决手机后盖板局部区域可能出现过曝的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测领域，特别涉及基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置及方法。
背景技术
相位测量偏折术是一种基于结构光照明利用解调条纹的变形量来计算待测物体的表面三维形貌的技术，该技术在现代工业检测、文物保护和天文观测等领域的潜在应用而备受关注。在现代工业检测中，相位测量偏折术的三维体积成像可实现手机玻璃面板、汽车车身、超精密加工零件表面等镜面反射物体的三维测量；在文物保护中，相位测量偏折术能够对珍贵物品进行无接触高精度检测，能够实现对文物及建筑物等的数字化留存，能够快速简洁轻松地实现文物的精确复原和屏幕展示；在天文学领域，基于智能相位测量偏折术的斜率检测系统，能够检测任意面型，能够实现纳米级别的高精度动态检测。相位测量偏折术在各个领域中的应用日益增加，而对基于相位测量偏折术的检测装置和检测方法的研究也日趋重要。
近几十年迅速发展的条纹投影法是应用最广、最有应用前景的主动非接触式光学检测技术之一，但其检测精度低，不适合具有高镜面反射率的待测物体。为了克服这一问题，在条纹投影法的基础上提出了一种镜面物体测量方法——相位测量偏折术，其将检测系统中的投影仪换成了显示屏，用相机记录显示屏上结构光条纹在待测镜面中的像，并通过条纹信息解算得到待测镜面的表面形貌。2004年，Knauer M C [Knauer M C, KaminskiJ, Hausler G. Phase measuring deflectometry: a new approach to measurespecular free-form surfaces[J]. Proceedings of SPIE-Optical Metrology inProduction Engineering, Strasbourg, 2004: 366-376]首次提出了相位测量偏折术，该技术动态范围大，测量速度快，不仅能够检测标准平面和球面，还能在无辅助设施情况下实现自由曲面和非球面的高精度检测。
在视觉缺陷检测领域中有一个难题是关于异色的问题，如果使用黑白相机是无法识别的，目前也没有好的办法解决。虽然使用彩色相机，能够很容易检测出异色问题。但是由于彩色的相机通常会比黑白相机贵，所以工业应用中出于成本的考量，通常都会使用黑白相机。还有一个难题就是在同一个被检测的手机后盖板上，不同位置的反光率是不一样的，比如logo位置的反光率通常会比其他位置的反光率高，所以在相同光照条件下，logo位置的反射图像更容易过曝，造成无法检测。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种利用基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置进行的检测方法，该方法基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置的优化设计，并通过优化算法，能够更好地实现手机后盖板的彩色面形重建，并且通过曲率分析来更好地识别缺陷。
实现本发明第一个目的技术方案是：本发明利用基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置进行的检测方法，包括以下步骤：
S1、搭建基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置；所述基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置包括显示屏、超窄带滤光片、供超窄带滤光片放置并带动其转动的旋转镜架、用于放置手机后盖板的第一三维平移台、中性密度滤光片、供中性密度滤光片放置并带动移动的第二三维平移台、图像探测器和计算机；
所述计算机分别与旋转镜架、第一三维平移台和第二三维平移台通信连接，并用于控制旋转镜架转动，用于控制第一三维平移台和第二三维平移台的移动；
所述显示屏与所述的计算机通信连接；所述显示屏用于显示计算机编码生成的条纹结构光，并作为光源透过超窄带滤光片形成入射条纹光束；
所述超窄带滤光片通过旋转镜架的转动，用于分别形成红色波长的入射条纹光束、绿色波长的入射条纹光束和蓝色波长的入射条纹光束；
所述图像探测器与计算机通信连接；所述图像探测器通过第一三维平移台和第二三维平移台的移动，用于接收经手机后盖板的反射后的不同波长的入射条纹光束，并生成手机后盖板的反射强度图；所述图像探测器还用于将反射强度图传输给计算机；
S2、开启所述的显示屏，该显示屏发出的条纹结构光入射到所述的超窄带滤光片；
S3、通过计算机预设的旋转角度，控制旋转镜架转动，分别形成红色波长的入射条纹光束、绿色波长的入射条纹光束和蓝色波长的入射条纹光束；同时控制第一三维平移台进行移动，使得图像探测器接收经手机后盖板的反射后的红色波长的入射条纹光束、绿色波长的入射条纹光束和蓝色波长的入射条纹光束；并且控制第二三维平移台进行移动，使得中性密度滤光片对经手机后盖板上高反区反射后的入射条纹光束进行光强衰减；并且图像探测器记录所述手机后盖板反射后的反射强度图；
S4、按照多步相移公式计算出所述的手机后盖板的待检测面的相位分布；
S5、在红色波长的入射条纹光束下，相位生成第一伪彩色的三维图；在绿色波长的入射条纹光束下，相位生成第二伪彩色的三维图；在蓝色波长的入射条纹光束下，相位生成第三伪彩色的三维图；将第一伪彩色的三维图、第二伪彩色的三维图和第三伪彩色的三维图进行叠加获得伪彩相位图，然后通过基于Retinex 理论的图像融合算法对伪彩相位图进行调整形成手机后盖板的待检测面的连续彩色相位分布；
其中图像融合算法为：首先在HSV空间对亮度分量V通道进行增强处理, 同时在拉伸得到的对数域反射分量至一定的动态范围时，引入增强调整因子，调整不同亮度值的增强程度来避免噪声放大及色彩失真现象；然后在 RGB 空间，采用高斯滤波器来消除光晕现象，并在计算反射分量时，通过参数调整伪彩相位图颜色的保真度，最后对处理结果进行加权平均形成连续彩色相位分布；
S6、利用相位梯度的关系可以得到手机后盖板的待检测面的梯度分布数据，对梯度分布微分可以得到手机后盖板的待检测面的曲率分布，根据曲率信息获得缺陷检测结果。
其中步骤S3：通过计算机预设的旋转角度
，旋转所述的旋转镜架，经过所述的超窄带滤光片后出射得到中心波长分别为
的红色波长的入射条纹光束、绿色波长的入射条纹光束、蓝色波长的入射条纹光束，并由所述的图像探测器（8）分别记录所述的手机后盖板的反射强度图
，其中，n=1,2,3，分别代表红色波长的入射条纹光束、绿色波长的入射条纹光束和蓝色波长的入射条纹光束；k=1,2,...m，代表在一个中心波长的入射条纹光束下的相移次数；
为手机后盖板的待检测面的空间坐标分布；
所述的显示屏引入m次相移的入射条纹光束，其中，m=3或4或5，中心波长分别为
的红色波长的入射条纹光束、绿色波长的入射条纹光束、蓝色波长的入射条纹光束入射至所述的手机后盖板的待检测面形成不同的反射强度图
、
，所述的图像探测器记录所述手机后盖板在不同中心波长的入射条纹光束下的多幅反射强度图；
同时，控制第一三维平移台进行移动，使得图像探测器接收经手机后盖板的反射后的不同中心波长的入射条纹光束；控制第二三维平移台进行移动，使得中性密度滤光片对经手机后盖板上高反区反射后的入射条纹光束进行光强衰减；
所述步骤S4：根据记录下来的不同中心波长的入射条纹光束下的多幅反射强度图
，按照多步相移公式计算出所述的手机后盖板的待检测面的相位分布
；
所述步骤S5：第一伪彩色的三维图、第二伪彩色的三维图和第三伪彩色的三维图的相位分布分别为
，手机后盖板的连续彩色相位分布
。
其中步骤S4中按照多步相移公式计算出所述的手机后盖板的待检测面的相位分布
，具体公式如下：
当m=3时，
当m=4时，
；
当m=5时，
。
本发明的第二个目的是提供一种基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置，其对环境要求低、操作方便，可实现手机后盖板的彩色表面形貌再现，解决机器视觉缺陷检测中异色较难检出的问题，并且能够有效解决同一被检测物体局部区域可能出现过曝的问题；同时该光学检测装置成本低、检测精度高、鲁棒性高，可避免使用价格昂贵的激光光源，为相位测量偏折术的民用化、商业化之路提供了新技术方案，同时能够有效。
实现本发明第二个目的的技术方案是：本发明中基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置为用于实现上述步骤S2至S6的基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置。
进一步，上述中性密度滤光片为用于防止手机后盖板上高反区过度曝光的阶跃式中性密度滤光片。阶跃式中性密度滤光片可采用晶萃光学JCOPTIX提供的阶跃型中性密度滤光片。晶萃光学JCOPTIX提供的阶跃型中性密度滤光片由圆形紫外熔融石英基底上镀270°不同厚度Inconel金属膜制成。Inconel合金在紫外到近红外波段具有平坦的光谱响应，以实现宽带范围内光束的均匀衰减。滤光片表面共有8或10个灰阶，灰阶之间光密度急剧变化。通过旋转滤光片，即可实现光密度的调节，适用于需要变密度的应用和需要知道密度值的场合。同时晶萃光学JCOPTIX提供的阶跃型中性密度滤光片还可根据客户需求，对每个灰阶上进行图案定制。
针对不同类型的手机后盖板，在中性密度滤光片可在不同阶上加工出不同的图案，用于防止手机后盖板上局部区域因高反被过度曝光而影响缺陷检测，如logo图案通常具有较高的反射率，因此可在某个灰阶上定制一个logo图案的不同灰阶图案，以保证图像探测器接收到的整个图像强度较为均衡。相当于，当前相移位采图时，会有高反区，此时第二三维平台驱动中性密度
进一步，上述计算机包括存储器、处理器以及存储在存储器内并能通过处理器运行上述步骤S2至S6步骤的程序。
本发明具有积极的效果：（1）本发明基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板光学缺陷检测装置及检测方法，通过旋转超窄带滤波片以获得不同中心波长的入射条纹光束，通过阶跃性中性密度滤光片的转动和移动，对手机后盖板上容易过曝的区域进行一定程度的光强衰减，通过利用图像探测器记录不同颜色的强度信息，并结合多步相移算法恢复出物体的彩色相位，实现手机后盖板表面的缺陷检测。
（2）本发明采用相位偏折术需要满足仅仅是反射定律，同时所用的光学元件数量也是非常有限的；因此基于相位偏折术的本发明具有结构简单、体积小、操作简单以及环境要求低等优势。
（3）本发明通过三色合成的方式，能够让黑白相机取代彩色相机，并融合出彩色图片，不仅有效解决了异色问题，成本也能得到有效控制；同时，通过引入中性密度滤光片，有效解决了局部过曝光的问题，能一次性对被检测的手机后盖板成像。
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为本发明基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板光学缺陷检测装置结构示意图；
图2为本发明的电路连接示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1和图2，图1为本发明基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置的结构示意图。图2为本发明的电路连接示意图。
本发明中一种利用基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置进行的检测方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、搭建基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置；如图1和图2所示，所述基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置包括显示屏1、超窄带滤光片2、供超窄带滤光片2放置并带动其转动的旋转镜架3、用于放置手机后盖板4的第一三维平移台5、中性密度滤光片6、供中性密度滤光片6放置并带动移动的第二三维平移台7、图像探测器8和计算机9；
所述计算机9分别与旋转镜架3、第一三维平移台5和第二三维平移台7通信连接，并用于控制旋转镜架3转动，用于控制第一三维平移台5和第二三维平移台7的移动；
所述显示屏1与所述的计算机9通信连接；所述显示屏1用于显示计算机9编码生成的条纹结构光，并作为光源透过超窄带滤光片2形成入射条纹光束；
所述超窄带滤光片2通过旋转镜架3的转动，用于分别形成红色波长的入射条纹光束、绿色波长的入射条纹光束和蓝色波长的入射条纹光束；
所述图像探测器8与计算机9通信连接；所述图像探测器8通过第一三维平移台5和第二三维平移台7的移动，用于接收经手机后盖板4的反射后的不同波长的入射条纹光束，并生成手机后盖板4的反射强度图；所述图像探测器8还用于将反射强度图传输给计算机9；
S2、开启所述的显示屏1，该显示屏1发出的条纹结构光入射到所述的超窄带滤光片2；
S3、通过计算机9预设的旋转角度
，旋转所述的旋转镜架3，经过所述的超窄带滤光片2后出射得到中心波长分别为
的红色波长的入射条纹光束、绿色波长的入射条纹光束、蓝色波长的入射条纹光束，并由所述的图像探测器8分别记录所述的手机后盖板4的反射强度图
，其中，n=1,2,3，分别代表红色波长的入射条纹光束、绿色波长的入射条纹光束和蓝色波长的入射条纹光束；k=1,2,...m，代表在一个中心波长的入射条纹光束下的相移次数；
为手机后盖板4的待检测面的空间坐标分布；
所述的显示屏1引入m次相移的入射条纹光束，其中，m=3或4或5，中心波长分别为
的红色波长的入射条纹光束、绿色波长的入射条纹光束、蓝色波长的入射条纹光束入射至所述的手机后盖板4的待检测面形成不同的反射强度图
、
，所述的图像探测器8记录所述手机后盖板4在不同中心波长的入射条纹光束下的多幅反射强度图；
同时，控制第一三维平移台5进行移动，使得图像探测器8接收经手机后盖板4的反射后的不同中心波长的入射条纹光束；控制第二三维平移台7进行移动，使得中性密度滤光片6对经手机后盖板4上高反区反射后的入射条纹光束进行光强衰减；
S4、根据记录下来的不同中心波长的入射条纹光束下的多幅反射强度图
，按照多步相移公式计算出所述的手机后盖板4的待检测面的相位分布
；按照多步相移公式计算出所述的手机后盖板4的待检测面的相位分布
，具体公式如下：
当m=3时，
当m=4时，
；
当m=5时，
；
S5、在红色波长的入射条纹光束下，相位生成第一伪彩色的三维图；在绿色波长的入射条纹光束下，相位生成第二伪彩色的三维图；在蓝色波长的入射条纹光束下，相位生成第三伪彩色的三维图；将第一伪彩色的三维图、第二伪彩色的三维图和第三伪彩色的三维图进行叠加获得伪彩相位图，然后通过基于Retinex 理论的图像融合算法对伪彩相位图进行调整形成手机后盖板4的待检测面的连续彩色相位分布；
其中第一伪彩色的三维图、第二伪彩色的三维图和第三伪彩色的三维图的相位分布分别为
，手机后盖板4的连续彩色相位分布
；
其中图像融合算法为：首先在HSV空间对亮度分量V通道进行增强处理, 同时在拉伸得到的对数域反射分量至一定的动态范围时，引入增强调整因子，调整不同亮度值的增强程度来避免噪声放大及色彩失真现象；然后在 RGB 空间，采用高斯滤波器来消除光晕现象，并在计算反射分量时，通过参数调整伪彩相位图颜色的保真度，最后对处理结果进行加权平均形成连续彩色相位分布；
S6、利用相位梯度的关系可以得到手机后盖板4的待检测面的梯度分布数据，对梯度分布微分可以得到手机后盖板的待检测面的曲率分布，根据曲率信息获得缺陷检测结果。
本发明中基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置，用于实现上述步骤S2至S6。其中中性密度滤光片6为用于防止手机后盖板4上高反区过度曝光的阶跃式中性密度滤光片。
所述计算机9包括存储器、处理器以及存储在存储器内并能通过处理器运行上述步骤S2至S6步骤的程序。
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 (6)
1.一种利用基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置进行的检测方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、搭建基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置；所述基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置包括显示屏（1）、超窄带滤光片（2）、供超窄带滤光片（2）放置并带动其转动的旋转镜架（3）、用于放置手机后盖板（4）的第一三维平移台（5）、中性密度滤光片（6）、供中性密度滤光片（6）放置并带动移动的第二三维平移台（7）、图像探测器（8）和计算机（9）；
所述计算机（9）分别与旋转镜架（3）、第一三维平移台（5）和第二三维平移台（7）通信连接，并用于控制旋转镜架（3）转动，用于控制第一三维平移台（5）和第二三维平移台（7）的移动；
所述显示屏（1）与所述的计算机（9）通信连接；所述显示屏（1）用于显示计算机（9）编码生成的条纹结构光，并作为光源透过超窄带滤光片（2）形成入射条纹光束；
所述超窄带滤光片（2）通过旋转镜架（3）的转动，用于分别形成红色波长的入射条纹光束、绿色波长的入射条纹光束和蓝色波长的入射条纹光束；
所述图像探测器（8）与计算机（9）通信连接；所述图像探测器（8）通过第一三维平移台（5）和第二三维平移台（7）的移动，用于接收经手机后盖板（4）的反射后的不同波长的入射条纹光束，并生成手机后盖板（4）的反射强度图；所述图像探测器（8）还用于将反射强度图传输给计算机（9）；
S2、开启所述的显示屏（1），该显示屏（1）发出的条纹结构光入射到所述的超窄带滤光片（2）；
S3、通过计算机（9）预设的旋转角度，控制旋转镜架（3）转动，分别形成红色波长的入射条纹光束、绿色波长的入射条纹光束和蓝色波长的入射条纹光束；同时控制第一三维平移台（5）进行移动，使得图像探测器（8）接收经手机后盖板（4）的反射后的红色波长的入射条纹光束、绿色波长的入射条纹光束和蓝色波长的入射条纹光束；并且控制第二三维平移台（7）进行移动，使得中性密度滤光片（6）对经手机后盖板（4）上高反区反射后的入射条纹光束进行光强衰减；并且图像探测器（8）记录所述手机后盖板（4）反射后的反射强度图；
S4、按照多步相移公式计算出所述的手机后盖板（4）的待检测面的相位分布；
S5、在红色波长的入射条纹光束下，相位生成第一伪彩色的三维图；在绿色波长的入射条纹光束下，相位生成第二伪彩色的三维图；在蓝色波长的入射条纹光束下，相位生成第三伪彩色的三维图；将第一伪彩色的三维图、第二伪彩色的三维图和第三伪彩色的三维图进行叠加获得伪彩相位图，然后通过基于Retinex 理论的图像融合算法对伪彩相位图进行调整形成手机后盖板（4）的待检测面的连续彩色相位分布；
其中图像融合算法为：首先在HSV空间对亮度分量V通道进行增强处理, 同时在拉伸得到的对数域反射分量至一定的动态范围时，引入增强调整因子，调整不同亮度值的增强程度来避免噪声放大及色彩失真现象；然后在 RGB 空间，采用高斯滤波器来消除光晕现象，并在计算反射分量时，通过参数调整伪彩相位图颜色的保真度，最后对处理结果进行加权平均形成连续彩色相位分布；
S6、利用相位梯度的关系可以得到手机后盖板（4）的待检测面的梯度分布数据，对梯度分布微分可以得到手机后盖板的待检测面的曲率分布，根据曲率信息获得缺陷检测结果。
2.根据权利要求1所述的一种利用基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置进行的检测方法，其特征在于：
所述步骤S3：通过计算机（9）预设的旋转角度，旋转所述的旋转镜架（3），经过所述的超窄带滤光片（2）后出射得到中心波长分别为
的红色波长的入射条纹光束、绿色波长的入射条纹光束、蓝色波长的入射条纹光束，并由所述的图像探测器（8）分别记录所述的手机后盖板（4）的反射强度图
，其中，n=1,2,3，分别代表红色波长的入射条纹光束、绿色波长的入射条纹光束和蓝色波长的入射条纹光束；k=1,2,...m，代表在一个中心波长的入射条纹光束下的相移次数；
为手机后盖板（4）的待检测面的空间坐标分布；
所述的显示屏（1）引入m次相移的入射条纹光束，其中，m=3或4或5，中心波长分别为
的红色波长的入射条纹光束、绿色波长的入射条纹光束、蓝色波长的入射条纹光束入射至所述的手机后盖板（4）的待检测面形成不同的反射强度图
、
，所述的图像探测器（8）记录所述手机后盖板（4）在不同中心波长的入射条纹光束下的多幅反射强度图；
同时，控制第一三维平移台（5）进行移动，使得图像探测器（8）接收经手机后盖板（4）的反射后的不同中心波长的入射条纹光束；控制第二三维平移台（7）进行移动，使得中性密度滤光片（6）对经手机后盖板（4）上高反区反射后的入射条纹光束进行光强衰减；
所述步骤S4：根据记录下来的不同中心波长的入射条纹光束下的多幅反射强度图
，按照多步相移公式计算出所述的手机后盖板（4）的待检测面的相位分布
；
所述步骤S5：第一伪彩色的三维图、第二伪彩色的三维图和第三伪彩色的三维图的相位分布分别为
，手机后盖板（4）的连续彩色相位分布
。
3.根据权利要求2所述的一种利用基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置进行的检测方法，其特征在于：所述步骤S4中按照多步相移公式计算出所述的手机后盖板（4）的待检测面的相位分布
，具体公式如下：
当m=3时，
当m=4时，
；
当m=5时，
。
4.一种基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置，其特征在于：用于实现权利要求1中步骤S2至S6的基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置。
5.根据权利要求4所述的一种基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置，其特征在于：所述中性密度滤光片（6）为用于防止手机后盖板（4）上高反区过度曝光的阶跃式中性密度滤光片。
6.根据权利要求4所述的一种基于彩色相位测量偏折术的手机后盖板检测装置，其特征在于：所述计算机（9）包括存储器、处理器以及存储在存储器内并能通过处理器运行权利要求1中步骤S2至S6步骤的程序。
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