自動(dòng)光譜測(cè)試分篩系統(tǒng)研制

王小輝,曹一鳴,莫 忠

（廣州市光機(jī)電技術(shù)研究院，廣東 廣州 510663）

自動(dòng)光譜測(cè)試分篩系統(tǒng)研制

王小輝,曹一鳴,莫 忠

（廣州市光機(jī)電技術(shù)研究院，廣東 廣州 510663）

為實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的自動(dòng)光譜測(cè)試分篩，研制自動(dòng)光譜測(cè)試分篩系統(tǒng)。該文采用光譜曲線重合度算法及顏色判定方法，根據(jù)采集光譜曲線參數(shù)研究光譜曲線重合度算法，包括重合度函數(shù)法、尋峰法和固定點(diǎn)特征值法等，同時(shí)研究利用色差值進(jìn)行顏色判定的方法。實(shí)驗(yàn)表明：光譜測(cè)量精度達(dá)到納米級(jí)，樣品測(cè)試錯(cuò)誤率小于0.5%，該方法高效、穩(wěn)定可靠、精度高。

光譜測(cè)試；自動(dòng)測(cè)試；自動(dòng)分篩；顏色判定

0 引 言

在光學(xué)薄膜制備及其應(yīng)用行業(yè)（如舞臺(tái)燈光、數(shù)碼光學(xué)、光通信、生物檢測(cè)、平板顯示、特種玻璃、太陽能電池板及LED產(chǎn)品制造等），其光學(xué)器件產(chǎn)品光學(xué)性能的檢測(cè)，光學(xué)薄膜產(chǎn)品的譜線分析、分篩篩選均依賴于光譜儀器來完成。由于涉及的技術(shù)參數(shù)、產(chǎn)品種類和數(shù)量多，且此類產(chǎn)品具有高精密性、高附加值性，必須對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行逐一檢測(cè)[1]。故有針對(duì)性地研制一種高精密、高效率且自動(dòng)化程度較高的光譜測(cè)試分篩系統(tǒng)是非常必要的。

目前，國(guó)內(nèi)外同類研究領(lǐng)域有各種光纖光譜儀，但它們都不能自動(dòng)檢測(cè)分篩，且不能自動(dòng)成批量檢測(cè)[2-4]。Lee.B等[5-6]詳細(xì)評(píng)述光纖光譜儀現(xiàn)狀，提出光纖光譜儀應(yīng)向高效率、高精度、智能化等方向發(fā)展。本文在國(guó)內(nèi)外光纖光譜檢測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，研制批量自動(dòng)光譜測(cè)試分篩系統(tǒng)，突破光學(xué)精密檢測(cè)因高精密化低效低產(chǎn)而不能充分應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)的局限。

1 自動(dòng)光譜測(cè)試分篩系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作原理

1.1 自動(dòng)光譜測(cè)試分篩系統(tǒng)硬件構(gòu)成

圖1為自動(dòng)光譜測(cè)試分篩系統(tǒng)原理圖，它由機(jī)械

運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)、光譜采集子系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)等組成。其中，光譜采集子系統(tǒng)由光源、光纖光譜儀構(gòu)成；機(jī)械運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)由多軸工作臺(tái)、Z軸運(yùn)動(dòng)部件、底座、支撐座和伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成。進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)精確定位，光譜采集系統(tǒng)獲取樣品光譜數(shù)據(jù)，由軟件進(jìn)行測(cè)量及結(jié)果判定。

1.2 自動(dòng)光譜測(cè)試分篩系統(tǒng)工作原理

自動(dòng)光譜測(cè)試分篩系統(tǒng)工作路線如圖2所示，光源發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)光經(jīng)輸入光纖傳輸?shù)街糜谂繙y(cè)試機(jī)械平臺(tái)上的待測(cè)樣品上方，標(biāo)準(zhǔn)光從樣品透射或者反射后變?yōu)閿y帶該樣品光譜信息的信號(hào)光，其進(jìn)入輸出光纖后傳入可實(shí)時(shí)讀取光譜的光纖光譜儀，信號(hào)光被CCD器件檢測(cè)后變成光電信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/ D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后由集成軟件從USB口讀入，通過集成軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計(jì)算、分析后，得到測(cè)試樣品的光譜曲線數(shù)據(jù)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

2 光譜判定分篩標(biāo)準(zhǔn)的選取

在光學(xué)鍍膜行業(yè)的顏色濾光片出貨過程中，由于鍍膜機(jī)鍍膜時(shí)各種條件如基片加熱溫度、鍍室潔凈程度等的差別，導(dǎo)致每一爐產(chǎn)品的顏色不一致，同時(shí)由于鍍膜時(shí)均勻性控制問題，也使得同一爐產(chǎn)品顏色不一致，故需對(duì)出廠的每一片產(chǎn)品進(jìn)行顏色測(cè)量與評(píng)價(jià)判定。

顏色濾光片等級(jí)自動(dòng)判定主要有兩種方法：一種是測(cè)量顏色濾光片的可見光范圍內(nèi)的光譜曲線，然后與標(biāo)準(zhǔn)樣板顏色濾光片的光譜曲線進(jìn)行對(duì)比；另一種是測(cè)量顏色濾光片的Lab值，計(jì)算出與標(biāo)準(zhǔn)樣板顏色濾光片之間的色差。

2.1 根據(jù)光譜曲線自動(dòng)判定

圖3為某公司紅色樣板的光譜曲線，圖4、圖5分別是質(zhì)控人員目測(cè)判定合格的樣品1和樣品2與樣板的光譜曲線比較圖。圖6為質(zhì)控人員目測(cè)不合格的樣品3與樣板的光譜曲線比較圖（樣板光譜曲線為黑色曲線，目測(cè)判定合格與不合格的光譜曲線為紅色曲線）。

判定兩條曲線的重合度可采用重合度函數(shù)、尋峰法、固定點(diǎn)特征值法3種評(píng)價(jià)方法[7-8]。

2.1.1 用重合度函數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)

重合度評(píng)價(jià)函數(shù)公式為

式中：n1——樣品測(cè)量值；

n2——樣板測(cè)量值。

用此函數(shù)可以計(jì)算出f（1）=1.37，f（2）=1.60，f（3）= 2.04。如果以目測(cè)為標(biāo)準(zhǔn)，可取f（x）=1.60為門限值，低于該值合格，高于該值不合格，但仍存在著異譜同色的可能。目測(cè)顏色相同的兩塊濾光片，有可能光譜曲線完全不同，在這種情況下用重合度評(píng)價(jià)函數(shù)來進(jìn)行評(píng)價(jià)，是不合理的。只有在同一廠家用同一種膜系生產(chǎn)出來的顏色濾光片之間，才適合用重合度評(píng)價(jià)函數(shù)來對(duì)濾光片進(jìn)行自動(dòng)判定。

2.1.2 用尋峰法進(jìn)行評(píng)價(jià)

表1為樣板與各樣品峰值點(diǎn)的數(shù)據(jù)，從表中可以看出，各光譜曲線的峰值點(diǎn)數(shù)量不一，且特征峰值點(diǎn)不明顯，不適用于計(jì)算機(jī)自動(dòng)判定。

2.1.3 用固定點(diǎn)特征值法進(jìn)行評(píng)價(jià)

從表2和圖3～圖6可以看出，根據(jù)樣板的光譜曲線所獲取的特征值點(diǎn)，在各樣品曲線中不是特征值點(diǎn)。獨(dú)立取樣板光譜曲線幾個(gè)點(diǎn)的數(shù)值沒有意義，在這幾個(gè)點(diǎn)之間的光譜曲線有可能發(fā)生變化而完全不同，計(jì)算機(jī)的自動(dòng)判定結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大誤差。

2.2 根據(jù)色差值自動(dòng)判定

1976年CIE推出了新的顏色空間及有關(guān)色差公式，即CIE1976LAB（或L*a*b*）系統(tǒng)，現(xiàn)在已為世界各國(guó)正式采納，成為國(guó)際通用的測(cè)色標(biāo)準(zhǔn)[9]。它適用于一切光源色或物體色的表示與計(jì)算。色差公式為

根據(jù)式（2）計(jì)算出在2°視角D65光源條件下的色差值，見表3?？梢钥闯?，如果將色差門限值設(shè)為2.0，那么自動(dòng)判定的結(jié)果將與目測(cè)結(jié)果相同。

3 測(cè)試與結(jié)果

根據(jù)上述判定標(biāo)準(zhǔn)的研究，最終采用光譜曲線分級(jí)判定與顏色Lab值分級(jí)判定兩種方法，且同時(shí)采用這兩種分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 測(cè)試方法

首先測(cè)試樣板的光譜曲線，作為標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線。然后根據(jù)樣板光譜曲線的特征和Lab值，設(shè)置光譜曲線判定條件和色差值判定條件。待電腦采集數(shù)據(jù)，檢測(cè)分類完成后，發(fā)出分類指令，最后拾取裝置與樣品，通過運(yùn)送裝置將樣品運(yùn)送到分類區(qū)放置。

3.2 測(cè)試結(jié)果

從表4可以看出，自動(dòng)測(cè)試的錯(cuò)誤率低于0.5%，遠(yuǎn)小于目測(cè)的錯(cuò)誤率。

3.3 第三方測(cè)試結(jié)果

廣州計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)（測(cè)試報(bào)告編號(hào)CG-20110711）：檢測(cè)100次，檢測(cè)總時(shí)間28s，正確識(shí)別100次，識(shí)別誤判率為0%。

Research and development of automatic spectral test and classification system

WANG Xiao-hui，CAO Yi-ming，MO Zhong
（Guangzhou Research Institute of Optics-Mechanics-Electricity Technology，Guangzhou 510663，China）

To realize automatic spectral test and classification for workpieces，an automatic system for spectral test and classification is researched and developed.The system uses spectral curve matching algorithm and color decision method to do the research.Firstly，mechanical motion and spectral acquisition subsystems were developed.The spectral curve matching algorithm was studied according to the parameters of captured spectral curve，which includes coincidence function，peak search method and the fixed-point characteristics value method.Then，the color difference value was used for studying the color determination method.Finally，through experimental tests，the spectral measurement accuracy reaches to the nanoscale，the test error is in the range of 0.5%.The results indicate this automatic spectral test and classification system is able to meet the requirements of efficient，stable and reliable，high precision.

spectral test；automatic measuring；automatic classification；color decision

O433.1；TN911.7；TP274+.3；TP753

：A

：1674-5124（2014）04-0087-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.022

2014-01-11；

：2014-04-05

廣東省部產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目（2012B091100057）

王小輝（1963-），男，廣東廣州市人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事光學(xué)鍍膜及光機(jī)電一體化研究。