光學(xué)鏡片外觀瑕疵視覺檢測方法

朱宇棟，陳於學(xué)

（華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 精密儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

引言

光學(xué)玻璃鏡片是光學(xué)玻璃經(jīng)過切割、研磨、清洗、鍍膜等操作后得到的鏡片[1-2]。在加工和處理的過程中稍有不慎便容易在鏡片上形成瑕疵，如劃痕、麻點(diǎn)、毛刺、破邊等[3]。這些瑕疵既影響鏡片美觀又影響鏡片的基本功能[4-5]，而且這些瑕疵使光發(fā)生散射，會造成能量損失并且會使鏡片發(fā)熱[6-7]。傳統(tǒng)的光學(xué)玻璃鏡片瑕疵檢測采用人工檢測的方法。人工檢測不僅效率低而且容易造成誤判，今后光學(xué)鏡片外觀瑕疵檢測將朝著自動化檢測的方向發(fā)展[8]。

目前已有鏡片瑕疵視覺在線檢測方法[9],其采用了兩級采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，雖然提高了采集精度，但使用了2 套視覺系統(tǒng)，增加了檢測的經(jīng)濟(jì)成本；還有基于顯微散射暗場成像的球面光學(xué)元件表面缺陷評價(jià)系統(tǒng)[10-12]，該方法在鏡片表面拍攝多張子孔徑圖像，經(jīng)過矯正和拼接后再進(jìn)行特征提取，其檢測速度為6 s/片，檢測速度較慢；以及透鏡的磁懸浮檢測[13-14]，該方法檢測的精度不高，只能檢測外形缺陷以及氣泡等缺陷，無法檢測透鏡表面細(xì)微的瑕疵。本文提出了一種新的通過計(jì)算機(jī)視覺采集玻璃鏡片表面圖像，然后進(jìn)行圖像分析來檢測光學(xué)玻璃鏡片表面瑕疵的方法。該方法簡便實(shí)用，成本低，準(zhǔn)確率高，且檢測速度可達(dá)5 s/片。

圖 1 檢測鏡片瑕疵的方案圖Fig. 1 Schematic diagram for detecting glasses flaws

1 檢測原理

根據(jù) GB/T 1185-2006（光學(xué)零件表面疵病）[15]，光學(xué)零件的表面疵病分類有麻點(diǎn)、斑點(diǎn)、擦痕、破邊等，該方法可用于檢測麻點(diǎn)、劃痕、毛刺和破邊等瑕疵。檢測方案如圖1 所示。

利用光在麻點(diǎn)表面發(fā)生漫反射，在劃痕表面發(fā)生漫反射或鏡面反射，在毛刺和破邊表面發(fā)生漫反射的特點(diǎn)，如圖2 所示。在側(cè)面光源的作用下，瑕疵會在CCD 表面形成亮斑或亮光帶。由于光在劃痕表面可能會發(fā)生鏡面反射，只有朝垂直于劃痕延伸的方向打光才能在圖像上凸顯出劃痕，所以應(yīng)選用低角度的環(huán)形光源打光。

瑕疵檢測方法為反射法檢測，采用的是低角度環(huán)形光源（角度為0°）。在上述的檢測方案中使用到了黑體，放置于玻璃鏡片下方。黑體的作用是吸收玻璃鏡片周圍的環(huán)境光，形成暗背景，入射光線進(jìn)入黑體，經(jīng)過多次反射后被吸收，以熱的形式向外輻射。

圖 2 瑕疵特性分析Fig. 2 Characteristic analysis of flaws

2 外觀瑕疵檢測方法

鏡片檢測過程分為4 步，分別為注冊基準(zhǔn)圖像、位置偏移補(bǔ)正、總面積瑕疵檢測以及邊緣瑕疵檢測，如圖3 所示。

2.1 位置偏移補(bǔ)正

進(jìn)行位置偏移補(bǔ)正是檢測移動物體必要的操作，在實(shí)驗(yàn)中依托的CV-X 視覺系統(tǒng)的位置偏移補(bǔ)正分3 步進(jìn)行，分別是：圖形搜索、X/Y 位置補(bǔ)正和角度補(bǔ)正。

2.2 圖像預(yù)處理

進(jìn)行圖像預(yù)處理是為了改善圖像品質(zhì)和性能，為下一步瑕疵檢測做準(zhǔn)備。

圖 3 鏡片檢測流程圖Fig. 3 Flow chart of optical glasses inspection

2.3 總面積瑕疵檢測法

總面積瑕疵檢測法是將檢測范圍內(nèi)與背景相比存在一定灰度差的像素點(diǎn)識別為瑕疵。其過程分為3 步，分別為設(shè)定檢測范圍、設(shè)定檢測條件、設(shè)定判定條件，如圖4 所示。

圖 4 總面積檢測法Fig. 4 Total area detection method

首先設(shè)定檢測范圍，由于鏡片俯視圖呈圓形，有明顯的邊緣分界，在設(shè)定檢測范圍時(shí)應(yīng)設(shè)定為圓。其次設(shè)定檢測條件，檢測條件有檢測方向，瑕疵大小和瑕疵等級3 項(xiàng)。檢測方向由于X 和Y 方向都需要進(jìn)行檢測，所以選擇XY 方向；設(shè)定瑕疵的大小指的是設(shè)定所檢測的最高精度瑕疵的像素值；設(shè)定瑕疵的等級指的是設(shè)定所檢測瑕疵的最低灰度值，只有灰度值大于該瑕疵等級的瑕疵才能被檢測出來。最后設(shè)定判定條件，由OK 鏡片的參數(shù)決定，主要的判定條件為瑕疵總量的上限值。

2.4 邊緣瑕疵檢測法

邊緣瑕疵檢測法針對毛刺和破邊兩類瑕疵，其原理是將擬合圓輪廓信息與待測圓輪廓信息相比較，出入較大的位置設(shè)定為瑕疵，并且輸出瑕疵總量和瑕疵數(shù)。其檢測過程分為4 步，分別是設(shè)定檢測范圍、設(shè)定邊緣檢測條件、設(shè)定缺陷檢測條件和設(shè)定判定條件。如圖5 所示。

圖 5 邊緣瑕疵檢測法Fig. 5 Edge flaws detection method

第一，設(shè)定檢測范圍，進(jìn)行邊緣毛刺和破邊檢測時(shí)，檢測的范圍是鏡片的邊緣輪廓，所以檢測范圍應(yīng)設(shè)定為圓環(huán)。第二，設(shè)定邊緣檢測條件，需要設(shè)定檢測方向和邊緣方向。其作用是選擇檢測鏡片輪廓的內(nèi)邊界或外邊界。第三，設(shè)定缺陷檢測條件，需要設(shè)定基準(zhǔn)模型線、缺陷檢測方向和檢測閾值?；鶞?zhǔn)模型線是指通過待測鏡片的外形輪廓數(shù)據(jù)生成的擬合信息，該試驗(yàn)中設(shè)定為圓；缺陷檢測方向設(shè)定為雙方向，因?yàn)樾枰瑫r(shí)檢測凸起和下凹缺陷。檢測閾值通過試驗(yàn)得來。第四，設(shè)定判定條件，由OK 鏡片的參數(shù)決定，主要的判定條件為瑕疵數(shù)和瑕疵總量

3 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果分析

設(shè)計(jì)了試驗(yàn)檢測裝置，總體機(jī)械方案如圖6 所示，共有鏡片上料，前預(yù)置，鏡片檢測，后預(yù)置和鏡片下料5 個(gè)工位。使用三菱PLC 實(shí)現(xiàn)自動化檢測[16-17]，工作節(jié)拍不超過5 s/片。

使用上面提到的檢測方法，我們檢測了53 塊直徑10 mm 的鏡片，準(zhǔn)確率達(dá)到100%。檢測結(jié)果如表1 所示。

部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

以上面檢測的53 塊鏡片的總瑕疵量（單位為pixel）為縱坐標(biāo)，以鏡片編號為橫坐標(biāo)繪制如圖7所示的總瑕疵量散點(diǎn)圖。其中鏡片編號1～10 為麻點(diǎn)鏡片，鏡片編號11～15 為劃痕鏡片，鏡片編號16～18 為毛刺/破邊鏡片，鏡片編號19～53 為OK 鏡片。如圖7 所示，麻點(diǎn)鏡片和劃痕鏡片的總瑕疵量明顯比毛刺/破邊鏡片和OK 鏡片高。麻點(diǎn)、劃痕和破邊的檢測圖像如圖8 所示。

圖 6 總體機(jī)械方案Fig. 6 Overall mechanical scheme

表 1 鏡片瑕疵檢測結(jié)果Table 1 Result of optical glasses flaws inspection

表 2 鏡片瑕疵檢測數(shù)據(jù)Table 2 Data of optical glasses flaws inspections

圖 7 總瑕疵量散點(diǎn)圖Fig. 7 Scatter diagram of total number of flaws

圖 8 鏡片檢測結(jié)果Fig. 8 Detection result of optical glasses

由圖8 所示的檢測圖像可以清晰地看到鏡片表面的麻點(diǎn)、劃痕，破邊等瑕疵。檢測精度可達(dá)到1 個(gè)像素（具體精度由CCD 決定）。

4 結(jié)論

該檢測系統(tǒng)利用視覺檢測技術(shù)檢測光學(xué)鏡片表面瑕疵，在檢測結(jié)構(gòu)中使用了黑體來制造暗背景，取得良好的效果；在檢測系統(tǒng)中使用了總面積瑕疵檢測法來檢測麻點(diǎn)和劃痕，使用了邊緣瑕疵檢測法來檢測毛刺和破邊，檢測精度可達(dá)1 個(gè)像素。檢測速度可達(dá)5 s/片。最后給出了基于31 萬像素CCD 的檢測結(jié)果，其中OK 鏡片總瑕疵量≤100 pixel，最高灰度值≤80，麻點(diǎn)和劃痕鏡片的總瑕疵量介于200 pixel～600 pixel 之間，最高灰度值≤210，毛刺/破邊鏡片總瑕疵量≤100 pixel，最高灰度值介于200～255 之間，在檢測圖像中能夠清晰地檢測出麻點(diǎn)、劃痕和破邊。并且發(fā)現(xiàn)麻點(diǎn)鏡片和劃痕鏡片的總瑕疵量明顯比毛刺/破邊鏡片和OK鏡片高。