一种基于暗场显微成像原理的光学镜片表面疵病检测装置的制作方法

专利查询2022-6-12  98



1.本实用新型涉及光学镜片表面疵病检测设备,尤其涉及一种基于暗场显微成像原理的光学镜片表面疵病检测装置。


背景技术:

2.光学镜片是光学系统中的不可缺少的关键器件。光学镜片在加工过程中要经过切削、粗磨、抛光、芯取等“冷加工”工艺环节才能初步成型。在此过程中,受到外界振动、电网波动、人为干扰、切削刃钝化、研抛颗粒大小不均、清洗不净等因素的影响,镜片表面容易形成擦痕、划痕、麻点、破边等表面疵病。这些表面疵病会影响镜片的光学性能,进而影响整个光学系统的性能。因此光学镜片生产企业在镜片多个加工环节完成后,都要进行镜片的表面疵病检测。
3.目前镜片表面疵病检测主要采用传统的人工检测方式。该方法需要检测人员在暗场环境中,按表面疵病的检测标准选择合适的透射或反射打光方式,通过5~10倍的光学放大镜,用肉眼观测被测区域表面缺陷情况,依经验或标准比对图样对疵病的类型、等级进行判定。这种方法带有一定的主观性,受检测人员的经验、注意力、眼睛疲劳程度等因素的影响,检测结果的稳定性和可靠性难以保证。
4.本技术人于2021年6月28日申请一件名为:大曲率光学镜片表面疵病检测中去除光晕影响的方法及装置的专利,申请号202110716475.0。该专利虽实现部分自动化,但是自动化程度有限。


技术实现要素:

5.本实用新型为上述问题,提供一种基于暗场显微成像原理的光学镜片表面疵病检测装置,其可提高检测效率、减少人工参与。
6.为解决上述技术问题,本实用新型提供一种基于暗场显微成像原理的光学镜片表面疵病检测装置,包括起遮挡作用的机柜、设置在所述机柜内的可自动调节高度的透射光源模组和可自动调节高度的反射光源模组、用于采集光学镜片疵病图像的工业相机、用于控制前述两个光源模组的光源控制模组、用于支撑待检测镜片的镜片夹具、用于将所述镜片夹具传递至镜片检测工位的传送模组、用于总体控制及图案分析的总控模块。
7.实施时,在检测状态,所述工业相机位于所述镜片夹具上待检测镜片的正上方,所述透射光源模组的光源位于待检测镜片正下方、反射光源模组的光源位于待检测镜片正上方。
8.实施时,在所述镜片检测工位所述镜片夹具处于悬空状态(即与暗背景有一定的间距),在所述机柜内下方设置有暗背景,所述暗背景位于所述工业相机的景深范围之外。从而保证工业相机拍到的图案除待测镜片、镜片夹具外没有其它物体,使疵病处发出的散射光更为明显。暗背景位于工业相机的景深范围之外,可防止暗背景上的灰尘、反光等在工业相机上呈像,避免干扰疵病识别。
9.实施时,所述总控模块为计算机,所述光源控制模组为单片机、嵌入式系统、plc、或集成在所述计算机中。
10.实施时,所述反射光源模组包括位置固定的直线运动模组,直线运动模组上包括可竖直移动的滑块,一个反射光源通过支架固定在所述滑块上。
11.实施时,所述反射光源为漫反射环形光源,该漫反射环形光源中心线与工业相机的视轴重合。
12.实施时,所述透射光源模组包括位置固定的直线运动模组,直线运动模组上包括可竖直移动的滑块,一个透射光源通过支架固定在所述滑块上。
13.实施时,所述透射光源采用漫反射光源。
14.实施时,所述镜片夹具为平板结构,在其主平面上设有与待检测镜片大小相匹配的一个或多个承托孔。
15.实施时,所述传送模组包括与镜片夹具适配的限位部(起限位作用的部位或器件),并且传送模组带有至少在水平前后及左右方向的移动机构,在传送过程中可将所述镜片夹具送入或送出所述机柜。
16.实施时,所述传送模组为一个机械臂,该机械臂带有夹持所述镜片夹具的机械爪。
17.实施时,所述传送模组还包括有视觉引导机构。
18.实施时,所述机械臂至少为三轴机械臂。
19.实施时,所述传送模组包括基座、固定于基座上的立柱、立柱侧部延伸出的第一连接块、一端可旋转连接在第一连接块下部的第一偏转臂、可旋转连接在第一偏转臂下另一端的第二偏转臂、可旋转连接在第二偏转臂下端部的机械爪、设置在机械爪驱动端的两个可收拢或张开的爪臂。
20.本实用新型的有益效果是:一种基于暗场显微成像原理的光学镜片表面疵病检测装置,包括起遮挡作用的机柜、设置在所述机柜内的可自动调节高度的反射光源模组和透射光源模组、用于采集光学镜片疵病图像的工业相机、用于控制前述两个光源模组的光源控制模组、用于支撑待检测镜片的镜片夹具、用于将所述镜片夹具传递至镜片检测工位的传送模组、用于总体控制及图案分析的总控模块;通过传送模组可实现镜片自动传送,透射光源模组和反射光源模组的照射切换或结合,实现镜片的透射检测及反射检测或结合检测,检测更为全面,工业相机采集疵病图像分析结果一致性好、可靠性高,光源模组可自动调节高度、可实现光晕去除,提高检测准确度。产品整体自动化程度高、可靠性好,减少人工参与,在工业应用中降低了检测成本并提高了检测效率。
附图说明
21.为了更清楚地说明本技术的技术方案,下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以用这些附图获得其他的附图。
22.图1为本实用新型一种实施例的结构示意图;
23.图2为本实用新型一种实施例反射光源模组结构示意图;
24.图3为本实用新型一种实施例透射光源模组结构示意图;
25.图4为本实用新型一种实施例镜片夹具及传送模块示意图;
1,直线运动模组1-1上包括可竖直移动的滑块,一个透射光源1-2通过支架1-3固定在所述滑块上。优选的,所述透射光源1-2采用漫反射光源。该结构简单、高度可调,可以实现与镜片保持合适的间距。漫反射环形光源,使得镜片获得更充足角度更多的光照,提高瑕疵部分的呈现度。
35.在一种实施例中,所述镜片夹具7为平板结构,在其主平面上设有与待检测镜片大小相匹配的一个或多个承托孔。通过该结构可实现一个或多个镜片的定位及方便在加工检测过程中流转,且保护镜片安全。特别是多个镜片时,提高流转效率。
36.在一种实施例中,所述传送模组4包括与镜片夹具7适配的限位部(对镜片夹具7起限位作用的部位或器件),并且传送模组4带有至少在水平前后及左右方向的移动机构,在传送过程中可将所述镜片夹具7送入或送出所述机柜5。例如采用类似传送带机构,其除传送方向外,在横向位置可设置移动机构,方便并列的镜片进行切换检测。又例如采用可在x、y方向移动的双丝杆滑块机构。极端改劣情况,传送模组4可以只有一个自由度的移动机构,用于将单个镜片串行送入/送出所述机柜5进行检测,但是这种情况无法并行送入镜片,且降低了镜片夹具7的装载量。并且镜片夹具7甚至可以是与传送模组4一体的,降低成本,但是对镜片的清洁保持及流转便利性会有负面影响。
37.在一种实施例中,所述传送模组4为一个机械臂,该机械臂带有夹持所述镜片夹具7的机械爪。机械臂技术成熟响应迅速,并且依据不同的检测需要及设备设计调整要求,适用性及可调校性好。
38.在一种实施例中,所述传送模组4还包括有视觉引导机构。通过视觉引导机构配合,可实现机柜5外部的镜片/镜片夹具7自动拾取,输入设备进行检测,以及检测完成后输出设备进行适当位置的摆放,提高自动化程度。
39.在一种实施例中,所述机械臂至少为三轴机械臂。从而至少实现镜片/镜片夹具7自动拾取、传递入/传递出机柜5、以及在一个方向上的位置调节。
40.参照图1所示本实用新型的一种具体实施例,一种基于暗场显微成像原理的光学镜片表面疵病检测装置,主要包括机柜5,机柜内部配备有工业相机3、反射光源模组2、透射光源模组1、镜片夹具7及传送模组4、光源控制模组8、计算机9。
41.其中,机柜5:主要用来遮挡外部杂光,实现暗场的观测环境,避免室内其他光源的干扰,此外还用来固定设备。
42.其中,工业相机3:可采用带有显微镜头的工业相机,用于采集光学镜片疵病图像,工业相机3采用相机支架固定于机柜5内部。相机支架底部与机柜5固连;相机视场范围内的机柜内壁为黑色,即被测镜片的观测背景为黑色(设置暗背景6),避免杂光干扰。
43.其中,镜片夹具7及传送模组4:本实用新型中所检测的镜片使用镜片夹具7固定,镜片夹具材质为塑料或金属,夹具上有与镜片大小相匹配的孔洞,可以将一个或多个镜片固定(镜片夹具7可以根据情况制作,也可以使用其它镜片加工工序已有的夹具。)。镜片夹具7由传送模组4传送到检测位置。传送模组4由一个带有机械爪4-6的多自由度机械臂及其驱动机构构成。传送模组4可以抓取镜片夹具7,控制夹具姿态并按照预定路径将夹具移动到工业相机3的景深范围内,使镜片夹具7中的镜片10依次在相机靶面成像,检测完成后再将镜片夹具7放置到指定位置。当然实施时,传送模组4也可以采用带镂空嵌入工位的传送带等其它传送结构。
44.其中,如图2所示,反射光源模组2:检测过程中,以被测镜片主平面为参考平面,处于工业相机3同侧,提供反射光的可移动光源模组。本实用新型中反射光源2-2最优方案采用漫反射环形光源,环形光源中心线与相机视轴重合。该光源通过支架2-3固定在直线运动模组2-1的滑块上,直线运动模组2-1的基座与机柜5固连(或通过透射光源模组1的主体连接后间接的与机柜5连接)。观测过程中,通过控制滑块的位置,控制光源与被测镜片10的相对位置,进而控制光源的照射角度。
45.其中,如图3所示,透射光源模组1:在检测过程中,以被测镜片主平面为参考平面,处于工业相机3对侧,提供透射光的可移动光源模组。本实用新型中透射光源1-2最优方案采用漫反射光源。该光源通过支架1-3固定在直线运动模组1-1的滑块上,直线运动模组1-1的基座与机柜5固连。观测过程中,通过控制滑块的位置,控制光源与被测镜片10的相对位置,进而控制光源的照射角度。
46.光源控制模组8:是用于控制反射光源模组2、透射光源模组1协调工作的器件。光源控制模组8的核心控制器件可以但不限于采用以下类型的设备进行实现:单片机、嵌入式系统、plc、个人计算机、工业控制计算机。光源控制模组8主要功能包括:根据镜片类型进行光源模组的切换、控制光源运动至指定高度、将光源的状态发送至上位机(计算机)等。
47.计算机9:主要负责向工业相机3、传送模组4、光源控制模组8发送指令,保证本装置中各组成部分协调工作,同时对工业相机3采集的镜片表面图像进行分析,识别图像中的疵病。
48.如图1、2、3、4、5、6所示具体实施例。一种基于暗场显微成像原理的光学镜片表面疵病检测装置,包括机柜5、工业相机3、镜片夹具7及传送模组4、反射光源模组2、透射光源模组1、光源控制模组8、计算机9。
49.首先,搭建一个外形尺寸1m
×
1m
×
1m的铝型材机柜5,机柜5表面采用不透光材质用来遮挡杂光,避免室内其他光源的干扰,同时结合设置在机柜5内底部的黑色暗背景6实现暗场的观测环境。
50.在本实施例中,工业相机3镜头选用是显微镜头。相机采用支架固定于机柜内部。支架基座采用压铸铝板,并对表面实施黑色喷砂处理,避免发生反射光对镜片疵病检测环境干扰。支架基座向上连接不锈钢螺纹管,螺纹管外径25mm、内径20mm、壁厚4mm、高度为600mm,不锈钢螺纹管上使用实心镀铬棒连接相机夹持装置,便于调整相机前伸距离。相机夹持装置位于不锈钢螺纹管的上半部分,带有旋钮,方便微调相机高度,相机夹持装置夹持间距20-85mm,并采用pu材质保护相机。透射光源模组1和反射光源组2均由直线运动模组1-1、2-1,支架1-3、2-3,环形光源构成。两个直线运动模组1-1、2-1的基座均与机柜5底部相对固连,即基座相对于机柜5是固定不动的,环形光源通过支架1-3、2-3固连在直线运动模组1-1、2-1的滑块上。环形光源均采用24v供电的环形光源。为保证光线在被测镜片透射均匀,环形光源的中心轴线与工业相机3视轴重合。
51.在本实施例中,被测镜片10被镜片夹具7固定,夹具外轮廓为一个边长8.14cm的正方形,材质为金属或塑料。镜片夹具7上有与镜片10大小相匹配的孔洞,每片夹具上有5行5列共25个孔洞,可以固定25块镜片(根据镜片大小,每种夹具可以单独定制孔洞数量)。
52.在本实施例中,传送模组4采用五自由度的机械臂及配套的机械爪4-6用来夹持镜片夹具7,并将镜片夹具7的传送至检测位。传送模组4可由一个scara构型的桌面机器人改
装而来,增加了一个第五轴旋转装置、一个爪臂4-7、具有张开/夹紧功能的机械爪4-6。机械爪4-6的爪臂4-7外形根据镜片夹具7的形状设置。(传送模组4结构:基座4-1,固定于基座4-1上的立柱4-2,立柱4-2侧部延伸出的第一连接块4-3,一端可旋转连接在第一连接块4-3下部的第一偏转臂4-4,可旋转连接在第一偏转臂4-4下另一端的第二偏转臂4-5,可旋转连接在第二偏转臂4-5下端部的机械爪4-6,机械爪4-6驱动端设置两个可收拢或张开的爪臂4-7)。
53.进一步的,依据需要,机械爪4-6自身还可带动爪臂4-7进行旋转,以调节镜片夹具7与光源之间的夹角。
54.进一步的,虽说反射光源模组2、透射光源模组1的光源具有高度调节功能,但是依据需要传送模组4/机械臂上可包括有垂直方向的高度调节机构,方便镜片夹具7的高度调节。
55.在检测过程中,夹持装置应保证被测镜片悬空,在工业相机3景深范围内没有镜片及夹具以外的物体。景深范围内没有包括背景在内的其它物体。不然背景上的灰尘、反光会影响观测效果。
56.在本实施例中,光源控制模块8用于控制透射光源模组1、反射光源模组2,并将光源状态上传,计算机9负责协调光源控制模组8、传送模组4、镜片夹具7、工业相机3协调工作,并对采集到的镜片10图像进行分析。
57.本专利实施时,如图5所示,检测流程为:
58.1、操作人员在计算机9应用软件的人机交互界面中选择镜片类型、夹具类型。
59.2、计算机9向光源控制模组8发出指令,根据镜片类型选择将透射光源模组1或反射光源模组2打开,并将光源移动至相应高度,并加载镜片夹具7相关参数;
60.3、将镜片夹具7放置在待检测台上,传送模组4的机械臂移动到相应位置,机械爪4-6的爪臂4-7自动抓取镜片夹具7;
61.4、抓取镜片夹具7后,通过预设路径将镜片夹具7移动到工业相机3前方的待测位置,使首个镜片在相机靶面中心成像。
62.5、计算机9对工业相机3采集到的镜片图像进行分析,依据检测标准识别其中的表面疵病,将疵病信息储存并在人机交互界面中展示。
63.6、首片镜片检测完成后,依据镜片夹具7的信息,移动机械臂,依次将夹具中的其他镜片移动到待测位置,重复步骤5,进行疵病检测。所有镜片检测完成后,传送装置4将检测完成后的镜片夹具7从检测位置移出,放置到指定位置。(判断是否夹具上最后一片镜片,若否将下一个镜片移到待测位置,若是将夹具移出。)
64.实施时,前述步骤5中,被测镜片为大曲率镜片时,在反射光源2-2的照射下,疵病表面会有光晕,需要将反射光源2-2置于不同的高度,拍摄两张图片,然后用图像处理的方法消除光晕。该步骤可分为以下10个子步骤,详见图6所示的单个镜片分析子流程:
65.(1)打开透射光源1-2,将其移动到预先设定的观测位置;
66.(2)工业相机3拍摄透射光源1-2照射下的镜片表面图像,得到图片p1;
67.(3)计算机9分析图片p1,识别其中的表面疵病;
68.(4)关闭透射光源1-2,将其移动到起始位置;
69.(5)打开反射光源2-2,将其移动到照射位置a;
70.(6)拍摄镜片表面图像,得到图片p2;
71.(7)将反射光源2-2移动到照射位置b;
72.(8)拍摄镜片表面图像,得到图片p3;
73.(9)合并分析图片p2、p3,消除光晕影响,识别表面疵病;
74.(10)综合步骤(3)和步骤(9)的分析结果,记录并显示。
75.实施时,进一步拓展步骤(9)中合并分析图片p2、p3方法,可参照申请号为202110716475.0的一种大曲率光学镜片表面疵病检测中去除光晕影响的方法及装置,方法流程为:
76.步骤一、在暗场散射显微成像法基础上,为照明光源选择两个不同的高度,确保当光源处于这两个高度照明时,镜片表面的光晕可以错开位置;
77.步骤二、在光源处于这两个高度时分别拍下被测镜片的图片-图片p2和图片p3;
78.步骤三、通过覆盖的方式将光晕部分消除,得到没有光晕影响的镜片表面图像-图片p4。
79.优选的,所述暗场散射显微成像法具体为:在暗场环境下,将待测光学镜片置于成像系统下方,照明系统发出的光束照射到待测光学镜片表面;若镜片表面没有疵病,照明光束将从另一侧出射,不会进入上方成像系统中;当光学元件表面存在疵病时,由于疵病的局部微观结构,入射光束将产生一个较大范围的散射,部分散射光会进入到成像系统中,从而获得暗背景下的疵病亮像。
80.优选的,在所述步骤二与步骤三之间,还需要对图像进行预处理,实现图片降噪和位置对准。
81.优选的,所述步骤三具体为:分别在p2、p3两张图片中寻找光晕位置,再依据光晕形状构造掩膜;同时,利用两种不同的合并方法得到合并后图片s
max
和s
min
,其中图片s
max
中每个像素取p2和图片p3中对应像素中的灰度值最大的那个,即:s
max
(i,j)=max(a(i,j),b(i,j)),图片s
min
中每个像素为p2和图片p3中对应像素中的灰度值最小的那个:s
min
(i,j)=min(a(i,j),b(i,j));利用掩膜和合并后的图片s
max
和s
min
进行运算覆盖光晕,得到无光晕的图片p4;利用边缘检测、阈值分割等图像处理方法或人工智能方法在图p4中提取疵病图像。
82.优选的,所述利用掩膜和合并后的图片s
max
和s
min
进行运算覆盖光晕,得到无光晕的图片p4步骤;其具体做法为:光晕处c(i,j)=s
min
(i,j),其它位置c(i,j)=s
max
(i,j)。
83.对应一种基于暗场显微成像原理的光学镜片表面疵病检测装置,其光源控制模组8包括高度控制模块,用于在大曲率光学镜片反射光测试时,调节反射光源组2中的光源到两个不同高度分别进行拍照(工业相机3),所述总控模块还包括光晕去除模块,用于将前述两个不同高度拍得的照片进行合并去光晕处理。
84.本实用新型使用镜片夹具固定被测镜片,并使用机械爪夹持夹具,在检测过程中保证被测镜片悬空,在相机景深范围内没有其它物体,背景为黑色,使疵病处发出的散射光更为明显。相比于以往技术中将镜片放置在不透明固体、载玻片等载体上的方法,可以杜绝载体表面凹凸不平、载体表面存在灰尘等因素的干扰。
85.本实用新型采用可以移动的透射光源、反射光源进行打光,可以切换打光方式,打光角度,针对不同的应用场景而言,灵活性更高,能够获得更好的观测效果。如划痕等疵病,
适合反射光与透射光结合观测;大曲率镜片在反射光照射下会产生光晕,会影响观测效果,需要反射光源在不同高度两次照射,再通过图像处理的方法消除光晕影响;色斑等疵病则在反射光照射下有较好的观测效果。
86.本实用新型采用多自由度机械臂、机械爪夹持镜片夹具,可以调整镜片的姿态,便于获得更好的观测角度。检测中,对于划痕,在透射光和反射光相结合的照射条件下有较好的观测效果,而对于色斑则在反射光观测下有较好的观测效果。本专利兼具可控可调的透射光源和反射光源,在光源控制模组8及总控模块额控制下可实现自动化的最优检测。
87.所属领域的技术人员可以清楚地了解到,为了描述的方便和简洁,上述描述的方法、设备和单元的具体工作过程,可以参考前述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。本领域普通技术人员可以意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现,为了清楚地说明硬件和软件的可互换性,在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本实用新型的范围。
88.以上所述,仅为本实用新型的具体实施方式,但本实用新型的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内,可轻易想到各种等效的修改或替换,这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此,本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

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