一种兼容光度立体法和相位偏折法的物体表面特征检测装置及检测方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种兼容光度立体法和相位偏折法的物体表面特征检测装置，包括显示装置，设于第一方向上，用于输出变化的发光图像；成像装置，设于第二方向上，用于随着显示装置的发光图像的变化同步拍摄多张图像；被测物，朝向显示装置；半反半透镜，设于与第二方向相交的第三方向；显示装置输出的发光图像经过半反半透镜透射、沿第一方向至被测物的被测面作为照明光路，经过被测面反射的光路经过半反半透镜反射至成像装置；计算单元。本发明专利技术还公开了分别应用光度立体法、应用相位偏折法、兼容式检测物体表面特征的方法。本发明专利技术用显示装置来做同轴照明，实现相位偏折的光路垂直，可拍摄正视图，在同一光路中可实现光度立体法和/或相位偏折法检测。或相位偏折法检测。或相位偏折法检测。

An object surface feature detection device and method compatible with photometric stereo method and phase deflection method

【技术实现步骤摘要】
一种兼容光度立体法和相位偏折法的物体表面特征检测装置及检测方法


[0001]本专利技术属于视觉检测
，尤其是涉及一种兼容光度立体法和相位偏折法的物体表面特征检测装置及检测方法。

技术介绍

[0002]在工业视觉检测领域，检测物体表面的瑕疵是一类普遍的需求。由于瑕疵往往难以被单一且不变的照明直接呈现，通过采用控制照明光源在拍摄过程中变化来增强检测效果，常用的方法主要有两种：光度立体法和相位偏折法。
[0003]光度立体法使用多个点光源对被测物体进行分时照明，通过相机分别在各光源照明时同步拍摄被测物体以获得多张不同光源照明的图像，然后对每个图像像素基于朗伯仿射模型建立各光源照明时的反射亮度方程组，如图1所示。通过求解方程组，可以得到该像素所对应的被测物体表面位置的反射率和法向量。由于方程组基于朗伯仿射模型建立，当物体表面的镜面反射程度高，即光源照射到物体表面后的出射光线能量更向镜面反射角聚集时，该方法的结果误差较大。对于主要呈镜面反射的物体，还可能出现任何一个光源都不处于镜面反射角，导致捕获的图像数据接近于0，传感器噪音主导测量结果的问题。
[0004]在工程实践中，光度立体法的光源设置往往和该方法的原始定义有所区别。光度立体法要求光源为理想的点光源，但在实践中，往往为条状光源或分区的环形光源。这些光源的面积更大，有利于消除图像中颗粒状的纹理。细微的纹理往往由物体的材质特性决定而非表面几何特性，不在瑕疵检测的考虑范畴，其存在反而会降低瑕疵检测的准确性。使用面积较大的光源进行照明虽然会导致表面法向量数值不准确，但对于瑕疵检测而非测量应用来说，数值仅用于定性分析而非定量分析，不准确的数值是可以接受的。
[0005]在一些应用场合，并不通过解算方程组得到表面特征信息，而是通过对多张图像对应的像素值进行简单的四则运算来获取表面特征信息。比如，将两个光源的对应图像相减，以获得法向量在其中一个方向的分量的近似数值。这种简化方法可以大大降低系统的计算负荷，缩短检测周期以满足流水线在线检测的要求，其原理仍应被归类于光度立体法。
[0006]通常而言，光度立体系统中相机位于被测物体正上方，光源相对于相机对称分布。这种布局的好处是，相机可以拍摄到正视的物体图像，便于检测，且焦平面与被测物体平行。若相机不处于被测物体正上方，对物体为朗伯反射的假设将造成与方向相关且不对称的误差，该误差可能降低检测的准确性。
[0007]相位偏折法被应用于镜面反射物体的表面测量和瑕疵检测。它通过一个显示装置显示多张相位不同的的正弦条纹图案，并通过一个相机同步拍摄被测物体，获得多张条纹图案在物体表面的倒影图像。通过联立多个相位图像在同一像素的亮度方程，可以解得包裹相位，再通过解包裹，得到连续相位。连续相位正比于显示装置所对应的坐标数值，通过该坐标数值和系统的几何信息(被测物位置信息，各部件位置信息，镜头标定参数，连续相位的周期和起始点)，可解得此点的法向量。通过对法向量的积分并假设被测物外形轮廓与
姿态和预期相近，可以得到被测物的表面轮廓信息。对于镜面反射很小的物体，不同相位的条纹照明下所反射的亮度值也将很小，此时系统信噪比很低，相位偏折法的测量结果没有意义，因此相位偏折法不能测量非镜面反射的物体。
[0008]如图2所示，在相位偏折法系统中，相机和显示装置通常对称放置，二者的中心线交汇于被测物表面附近，以构成镜面反射光路。为了检测物体表面的瑕疵，相机应当对焦于物体表面，而非倒影中的显示装置。而相对于被测物体倾斜安装的相机，必须采用成本更高的沙姆镜头才能使焦平面与被测物平行，以实现对物体表面的对焦。或者，可以缩小相机光圈来增大景深，使倾斜的物体在相机的景深范围之内，但这种方法将牺牲镜头的光学分辨率，延长曝光时间，对检测的精度和速度有一定的负面影响。
[0009]此外，由于相机倾斜放置，相机所拍摄到的被测物经过投影变换，长方形的被测物将呈现为梯形。若直接以未经处理的原始数据进行瑕疵检测，当采用固定的判断阈值时，由于在视野中不同位置的放大倍率存在差异，系统对不同图像位置的瑕疵容忍度不同，可能导致误判。若进行计算处理恢复为正视图像后再用于检测，图像数据的质量将因为插值的原因下降，且将消耗额外的计算资源和时间。
[0010]综上所述，光度立体法擅长检测漫反射物体，不能检测镜面反射物体；相位偏折法擅长检测镜面反射物体，不能检测漫反射物体。二者虽然相互互补，但由于现有技术的光路结构不同，难以将二者在同一光路中实现。除此以外，相位偏折法的图像不是正视视角，限制了其性能和使用场景。

技术实现思路

[0011]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种在一套物理系统下、同一光路中可以实现光度立体法和/或相位偏折法检测，且实现正视视角的拍摄的兼容光度立体法和相位偏折法的物体表面特征检测装置及检测方法。
[0012]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种兼容光度立体法和相位偏折法的物体表面特征检测装置，包括：
[0013]显示装置，设于第一方向上，用于输出变化的发光图像；
[0014]与显示装置同步的成像装置，设于与第一方向相交的第二方向上，用于随着显示装置的发光图像的变化同步拍摄多张图像；
[0015]被测物，其被测面朝向显示装置；
[0016]半反半透镜，设于第三方向上，其与第二方向相交；
[0017]所述显示装置输出的发光图像经过半反半透镜透射、沿第一方向至被测物的被测面作为照明光路，经过被测面反射的光路经过半反半透镜反射至成像装置；计算单元，根据成像装置获取的图像计算得到被测物的被测面特征。
[0018]进一步的，所述显示装置与成像装置通过同步视频信号发生单元进行同步。
[0019]进一步的，所述显示装置、成像装置和半反半透镜封装于壳体内。
[0020]进一步的，还包括吸光单元，设于第二方向上，用于吸收显示装置经半反半透镜反射至检测装置内的光线。
[0021]进一步的，所述吸光单元为涂覆在壳体内表面的吸光涂层。
[0022]进一步的，所述吸光单元为多个齿状轮廓，相邻的齿状轮廓之间形成吸光区域，反
射至壳体内表面的光线在吸光区域内发生多次反射和衰减。
[0023]进一步的，所述被测面表面关于半反半透镜的镜像与显示装置的成像平面的夹角为0
±
20
°
。
[0024]进一步的，所述成像装置具有图像传感器，该图像传感器所在平面与被测面表面的夹角为0
±
20
°
。
[0025]进一步的，所述被测物存在镜面发射和漫反射。
[0026]本专利技术又公开了一种应用光度立体法检测物体表面特征的方法，包括以下步骤：
[0027]显示装置，按顺序输出变化的发光图像；
[0028]每个发光图像分别经过半反半透镜反射或透射至被测面，作为照明光路；
[0029]光路经过被测面反射至半反半透镜，再透射或反射至成像装置；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种兼容光度立体法和相位偏折法的物体表面特征检测装置，其特征在于，包括：显示装置，设于第一方向上，用于输出变化的发光图像；与显示装置同步的成像装置，设于与第一方向相交的第二方向上，用于随着显示装置的发光图像的变化同步拍摄多张图像；被测物，其被测面朝向显示装置；半反半透镜，设于第三方向上，其与第二方向相交；所述显示装置输出的发光图像经过半反半透镜透射、沿第一方向至被测物的被测面作为照明光路，经过被测面反射的光路经过半反半透镜反射至成像装置；计算单元，根据成像装置获取的图像计算得到被测物的被测面特征。2.根据权利要求1所述的兼容光度立体法和相位偏折法的物体表面特征检测装置，其特征在于：所述显示装置与成像装置通过同步视频信号发生单元进行同步。3.根据权利要求1所述的兼容光度立体法和相位偏折法的物体表面特征检测装置，其特征在于：所述显示装置、成像装置和半反半透镜封装于壳体内。4.根据权利要求3所述的兼容光度立体法和相位偏折法的物体表面特征检测装置，其特征在于：还包括吸光单元，设于第二方向上，用于吸收显示装置经半反半透镜反射至检测装置内的光线。5.根据权利要求4所述的兼容光度立体法和相位偏折法的物体表面特征检测装置，其特征在于：所述吸光单元为涂覆在壳体内表面的吸光涂层。6.根据权利要求4所述的兼容光度立体法和相位偏折法的物体表面特征检测装置，其特征在于：所述吸光单元为多个齿状轮廓，相邻的齿状轮廓之间形成吸光区域，反射至壳体内表面的光线在吸光区域内发生多次反射和衰减。7.根据权利要求1所述的兼容光度立体法和相位偏折法的物体表面特征检测装置，其特征在于：所述被测面与显示装置的成像面的夹角为0
±
20
°
。8.根据权利要求1所述的兼容光度立体法和相位偏折法的物体表面特征检测装置，其特征在于：所述成像装置具有图像传感器，该图像传感器所在平面与被测面关于半反半透镜的镜像的夹角为0
±
20
°
。9...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴笛，
申请(专利权)人：上海盛相工业检测科技有限公司，
类型：发明
国别省市：