一种利用光学成像的镜片表面瑕疵检测方法技术

本发明专利技术公开了一种利用光学成像的镜片表面瑕疵检测方法，从光机电算一体化的角度来设计检测方案，充分利用光学并行计算的能力，实现远小于1秒的检测；发明专利技术方案的设计，是从数学物理理论层面推导与分析获得的，也使得方法本身的理论自洽。本发明专利技术包括如下步骤：(1)构建非相干光照明与成像系统；(2)成像光路中光学操作；(3)成像与图像计算。为了实现镜片的瑕疵检测，本发明专利技术利用光学成像方式，利用光路计算的实时性特征在成像过程中同时进行复杂计算，再结合后处理简单运算，获得瑕疵检测结果。本发明专利技术只需在光路的待测玻璃镜片处放置待测镜片，即可实时得到相应的瑕疵检测结果。即可实时得到相应的瑕疵检测结果。即可实时得到相应的瑕疵检测结果。

【技术实现步骤摘要】
一种利用光学成像的镜片表面瑕疵检测方法


[0001]本专利技术涉及基于光学成像的视觉检测技术，尤其涉及一种利用光学成像的镜片表面瑕疵检测方法。

技术介绍

[0002]中国国内镜片行业保持高速增长的态势，中国已成为世界上最大的镜片生产国，由于光学镜片的质量决定了相机镜头的成像质量,在工业领域对光学镜片的质量要求越来越高。目前，镜片生产企业一方面借助于人工检测，一方面开始引入机器视觉检测。
[0003]当前，人工检测存在以下问题：1、人工检测的精确度低，判定标准很模糊，无法量化判别；2、人工检测速度慢，无法跟流水线上的生产速度；3、人工检测长期成本高；4、由于人眼的分辨率有限，对特殊瑕疵的检测能力不足。
[0004]当前，机器视觉检测常常依托于以下过程。工业相机将被测目标转换成图像信号，并转换像素分布、亮度、颜色和其他信息通过特殊的图像数据处理系统转换成数字信号；图像系统对这些信号执行相应的操作，以提取目标的特征，判断出检测结果，并相应地控制现场设备的剔除动作。当前的机器视觉检测，完全依赖于成像后的图像处理技术，依赖计算机的运算来实现，一方面需要一定算力的计算机，甚至配备较好的GPU等设备，另一方面需要一定时间的运算时间，短的数秒，长的数十秒。
[0005]面对镜片表面瑕疵检测，授权的专利技术专利较为有名的是万新光学集团有限公司2013年申请的系统专利(郭林发,杨尹,沈宝国,等.镜片瑕疵检测系统，CN201310086231.4.2021年，第二十二届中国专利优秀奖)，专利也主要侧重于整体系统的设计与规划。然而，近几年授权的专利主要为技术(如，吴国强.光学镜片缺陷检测系统,2017；王翔宇,孙为民.一种镜片瑕疵精密检测系统，2016；薛萍,刘光大,王宏民.一种镜片瑕疵检测系统，2017。)，少有专利技术专利授权，这是由于专利技术设计人一般只适当改进硬件架构，采用的数学方法还是一般的已有的图像处理手段，未有从数学物理理论层面开发效果好、速度更快的方法，未有从光机电算一体化的角度来设计检测方案，使得创新性不足。总体而言，现有方法，在速度和效果的兼顾性上，成本的控制上，有待改进。

技术实现思路

[0006]在本专利技术中，提出了一种利用光学成像的镜片表面瑕疵检测方法与装置。结合光学成像链路，能有效简化图像计算与视觉检测的复杂度，提高系统处理的速度，快速实现瑕疵的检测定位。该方法与装置主要侧重于瑕疵的检测方法，定位瑕疵位置，后期可结合分拣装置，实现瑕疵镜片剔除和良品的安置等。本专利技术有如下特点：1.从光机电算一体化的角度来设计检测方案，充分利用光学并行计算的能力，实现远小于1秒的检测(一般工控电脑)，若采用FPGA等嵌入式系统，也能满足小于1秒的检测速度；2.本专利技术方案的设计，是从数学物理理论层面推导与分析获得的，也使得方法本身的理论自洽；3.相比于同类型的检测系统，本专利技术主要是多了一片高质量透镜、编码板、光纤光缆(价格有限)，而不需要强大算力
的计算机(计算机配置要求降低了)，对相机的响应速度的要求也大大降低(相机价格也降低了)，因此综合成本也有适当的降低。
[0007]为解决上述问题，本专利技术提出的利用光学成像的镜片表面瑕疵检测方法与装置，简要过程包括：
[0008](1)构建非相干光照明与成像系统
[0009](2)成像光路中光学操作
[0010]光学高质量透镜实现空间域到频率域变换，透镜后焦面处，设置有密集光纤，即光纤耦合面，设置有一编码板紧贴光纤耦合面，编码板展现的是透光矩阵，透光矩阵由工控电脑控制编码板输出。
[0011](3)成像与图像计算
[0012]成像获取图像，并经工控电脑进行计算，实现视觉检测目标。
[0013]本专利技术的详细策略与设计内容具体如下：
[0014](1)构建非相干光照明与成像系统
[0015]构建非相干光照明与成像系统，如图2所示。整个光路系统，从照明、物体端到成像端沿着光轴逐次包括：非相干光源，准直透镜，待测玻璃镜片，高质量透镜，编码板，光纤光缆(左端为光纤耦合面)，成像透镜，成像相机。
[0016]非相干光源经过准直透镜后生成平行光，入射到待测玻璃镜片实现照明，作为物体。非相干光源位于准直透镜前焦面附近。由于从准直透镜出射的光线为平行光，待测玻璃镜片与准直透镜的距离可根据实际需要设置，没有严格限制。
[0017]待测玻璃出射光线仍是平行光，入射焦距为f的高质量透镜后，会聚于高质量透镜的后焦面上，后焦面处为该高质量透镜的频谱面，此处设置有光纤光缆的光纤耦合面，会聚的光纤可以耦合进入密集光纤，密集光纤的最中央对准系统的光轴；并且，紧贴在光纤耦合面前设置有编码板，编码板给出一个透光矩阵，矩阵白色区域透光、黑色区域不透光，该透光矩阵的由工控电脑控制并驱动编码板产生。通过编码板产生的透光矩阵，可以选择空间位置不同的会聚的光线以进入不同的光纤，实现频谱面上的光学操作。
[0018]光纤光缆出射面为密集光纤，为上一阶段选择后的光线，出射为平行光线，经成像透镜成像于成像面(放置有成像相机)，最终可获得通过控制操作后的图像。
[0019](2)成像光路中光学操作
[0020]成像光路中的光学操作，是严格基于数学物理理论设计和推导的，设计和推导的思路如下。
[0021](2
‑
1)从物体到成像的数学物理理论推导分析
[0022]透镜是光学系统中最重要的元件，它既有成像特性又有高质量特性。由于透镜只改变入射光的相位，一般忽略由于透镜反射或吸收而造成的损耗，因此有限孔径薄透镜的透射系数为
[0023][0024]式中，x、y为垂直于光轴的平面的空间坐标(空间域坐标)，k为入射光波数，f0为薄透镜焦距，P(x,y)为孔径函数，孔径边缘内P(x,y)为1，孔径外P(x,y)为0。
[0025]对于这里成像系统，物体由某个入射光照射的，辐射出来的光在空间上都是不相干的，即非相干光。因此，可以把物体看作是一组独立的点辐射体，它们的强度根据物体的某种承载信息的特性(例如反射)而在点与点之间变化。各点产生的辐照度分布线性叠加形成非相干系统的像。因此，从线性系统的角度看，非相干成像系统可以看作是由几何标量、线性移不变系统和乘法器组成的系统，这样可以将薄透镜的透射系数与标量衍射定理统一考虑，最后形成衍射受限系统中的输入(物体)输出(图像)关系。于是，对于衍射受限系统，假设不考虑像差的，通过衍射理论可以得到输出图像I(x,y):
[0026][0027]式中I(x,y)为输出图像的辐照度分布；N(x,y)为物体辐照度分布，即此处待测玻璃片出射光线分布；m
t
是整个系统的整体放大；K则为倍增器常数，其由两个透镜(高质量透镜、成像透镜)的光学厚度B
l1
、B
l2
决定：K＝|B
l1
B
l2
|2，B
l1
、B
l2
分别是高质量透镜、成像透镜的光学厚本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用光学成像的镜片表面瑕疵检测方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)构建非相干光照明与成像系统(2)成像光路中光学操作光学高质量透镜实现空间域到频率域变换，透镜后焦面处，设置有密集光纤，即光纤耦合面，设置有一编码板紧贴光纤耦合面，编码板展现的是透光矩阵，透光矩阵由工控电脑控制编码板输出；(3)成像与图像计算成像获取图像，并经工控电脑进行计算，实现视觉检测目标。2.如权利要求1所述的利用光学成像的镜片表面瑕疵检测方法，其特征在于，步骤(1)中所述的构建非相干光照明与成像系统，具体方案如下：整个光路系统，从照明、物体端到成像端沿着光轴逐次包括：非相干光源，准直透镜，待测玻璃镜片，高质量透镜，编码板，光纤光缆(左端为光纤耦合面)，成像透镜，成像相机；非相干光源经过准直透镜后生成平行光，入射到待测玻璃镜片实现照明，作为物体。非相干光源位于准直透镜前焦面附近；由于从准直透镜出射的光线为平行光，待测玻璃镜片与准直透镜的距离可根据实际需要设置，没有严格限制；待测玻璃出射光线仍是平行光，入射焦距为f的高质量透镜后，会聚于高质量透镜的后焦面上，后焦面处为该高质量透镜的频谱面，此处设置有光纤光缆的光纤耦合面，会聚的光纤可以耦合进入密集光纤，密集光纤的中央对准系统的光轴；并且，紧贴在光纤耦合面前设置有编码板，编码板给出一个透光矩阵，矩阵白色区域透光、黑色区域不透光，该透光矩阵的由工控电脑控制并驱动编码板产生。通过编码板产生的透光矩阵，可以选择空间位置不同的会聚的光线以进入不同的光纤，实现频谱面上的光学操作；光纤光缆出射面为密集光纤，为上一阶段选择后的光线，出射为平行光线，经成像透镜成像于成像面(放置有成像相机)，最终可获得通过控制操作后的图像。3.如权利要求1所述的利用光学成像的镜片表面瑕疵检测方法，其特征在于，步骤(1)中所述的成像光路中光学操作，具体方法方案如下：本发明成像光路中的光学操作，是严格基于数学物理理论设计和推导的，通过推导，从物体辐照度分布N(x,y)到最终获取的图像分布I(x,y)有着如下关系：式中，为物体辐照度...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵巨峰，陈长青，吴嘉航，
申请(专利权)人：苏州宣雄智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：