CN106226327B - 一种弧面物体外表面缺陷检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种弧面物体外表面缺陷检测方法及系统，具体的，将弧面物体的弧面置于凹面反射镜的焦点以内，并通过光源为检测系统提供照明，利用凹面反射镜对弧面物体的弧面进行成像放大，并通过凹面反射镜、图像采集装置以及弧面物体的弧面的位置设计，将被测弧面的像转换至合适的角度，使图像采集装置采集被测弧面在凹面反射镜中的虚像。由于被测弧面在凹面反射镜所成的像为放大的虚像，根据成像原理，该虚像的曲率小于被测弧面的曲率，并且该虚像的弧所对圆心角小于被测弧面的弧所对圆心角，所以利用本实施例提供的弧面物体外表面缺陷检测方法，可以减轻图像采集装置的成像边缘压缩问题。

Description

一种弧面物体外表面缺陷检测方法及系统

技术领域

本发明涉及电光学器件检测技术领域，尤其涉及一种弧面物体外表面缺陷检测方法及系统。

背景技术

在工业生产中，由于产品的外表面存在生产缺陷(比如凹坑、凸起)或划伤等缺陷，因此，为保证产品质量，通常采用工业相机对产品的外表面进行采图检测，以将外表面存在缺陷的产品进行剔拣。

现有技术中，很多设备为追求外观美感和握持舒适感，其外壳以及屏幕等产品的边角均会设计成具有一定弧度的弧面。由于传统的相机镜头的景深有限，所以对物体的弧面进行采图时，相机无法将弧面中的所有点成像在同一对焦面上，进而导致整个弧面中处于对焦面内的部分成像清晰、而处于焦面以外的部分成像不清晰。基于上述原因，现有技术中，通常使用远心镜头对弧面产品的弧面进行采图，利用远心镜头具有超宽景深的特点，来保证弧面的各个部分均能清晰成像。

但是，无论是传统镜头还是大景深镜头，其镜头对焦面均为平面，所以导致弧面的成像是被压缩的，并且，当弧面的的圆弧角越大、或者同样弧长的弧面其圆弧曲率越大时，靠近弧面边缘的成像压缩情况越严重。所以，上述成像压缩会使弧面的实际尺寸与成像幅面尺寸不对应，导致对弧面上的缺陷尺寸判断有误，缺陷不易被识别，进而导致检测精度较低。另外，当产品的弧面尺寸比较大时，需定制大通光口径的大景深镜头，其价格通常较高，进而导致生产成本提高。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本发明提供一种弧面物体外表面缺陷检测方法及系统。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种弧面物体外表面缺陷检测系统，包括：

光源，用于为所述检测系统提供照明，弧面物体的弧面位于所述光源的照射区域范围内；

凹面反射镜，用于对所述弧面拉伸成像，所述弧面位于所述凹面反射镜的焦点以内，所述弧面的曲率半径小于所述凹面反射镜的曲率半径，所述弧面的弧长小于或等于所述凹面反射镜的弧长，所述凹面反射镜的光轴和所述弧面的中轴线之间具有一定的夹角；

图像采集装置，用于采集所述弧面在所述凹面反射镜中所成的像，所述图像采集装置的光轴与所述弧面的中轴线之间具有一定的夹角。

优选地，所述凹面反射镜由两个或两个以上的凹面反射镜单元组成，其中：

所述凹面反射镜中凹面反射镜单元的曲率随着所述凹面反射镜单元与所述弧面之间间距的增大而逐渐减少；

所述弧面中的点分别位于对所述点进行成像的凹面反射镜单元的焦距范围内。

优选地，所述光源为凹面环形光源，所述凹面环形光源的凹面发光面朝向所述弧面。

优选地，所述光源由三个凹面环形光源组成，其中：

三个所述凹面环形光源沿所述弧面的圆弧方向排列，分别用于照射所述弧面的两侧边缘区域和中心区域。

优选地，所述凹面反射镜的曲率半径为所述弧面曲率半径的3～20倍。

优选地，所述凹面反射镜的光轴和所述弧面的中轴线之间的夹角为15°～50°，所述图像采集装置的光轴与所述弧面的中轴线之间的夹角65°～100°。

优选地，所述凹面反射镜的光轴和所述弧面的中轴线之间的夹角度数为30°～45°，所述图像采集装置的光轴与所述弧面的中轴线之间的夹角85°～100°。

优选地，所述凹面反射镜通过连接件设置在所述图像采集装置上。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种弧面物体外表面缺陷检测方法，利用本发明实施例第一方面任一所述的检测系统，包括：

利用光源照射弧面物体的弧面，所述弧面位于所述光源的照射区域范围内；

利用凹面反射镜对所述弧面进行成像，其中，所述弧面在所述凹面反射镜中的像为放大的虚像；

利用图像采集装置采集所述弧面在所述凹面反射镜中所成的虚像，得到所述弧面的检测图像。

优选地，利用图像采集装置采集所述弧面在所述凹面反射镜中所成的虚像，包括：

利用面阵相机拍摄所述弧面在所述凹面反射镜中所成的虚像，或者利用线阵相机扫描所述弧面在所述凹面反射镜中所成的虚像。

由以上技术方案可见，本发明实施例提供的一种弧面物体外表面缺陷检测方法及系统，将弧面物体的弧面置于凹面反射镜的焦点以内，并通过光源为检测系统提供照明，利用凹面反射镜对弧面物体的弧面进行成像放大，并通过凹面反射镜、图像采集装置以及弧面物体的弧面的位置设计，将被测弧面的像转换至合适的角度，使图像采集装置采集弧面在凹面反射镜中的像。由于被测弧面在凹面反射镜所成的像为放大的虚像，根据成像原理，该虚像的曲率小于被测弧面的曲率，并且该虚像的弧所对圆心角小于被测弧面的弧所对圆心角，所以被测弧面在凹透镜中所成的虚像相对被测弧面被拉伸展平，进而减轻图像采集装置的成像边缘压缩问题。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种弧面物体外表面缺陷检测系统的第一基本结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种弧面物体外表面缺陷检测系统的第二基本结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种弧面物体外表面缺陷检测方法的流程示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本发明实施例利用反射镜的放大成像原理，使用凹面反射镜将弧面物体的弧面进行放大成像，使被测弧面在凹面镜中所成的像相对被测弧面弯曲度减小，进而减轻图像采集装置的成像边缘压缩问题。

参见图1，为本发明实施例提供的一种弧面物体外表面缺陷检测系统的第一基本结构示意图，该系统包括光源、凹面反射镜2和图像采集装置3。

具体的，光源用于为所述检测系统提供照明，被测弧面物体4的弧面41位于所述光源的照射区域范围内，本实施例以直角弧面物体为例进行说明，即其弧面对应的圆心角为90°为例，但并不限于该面型，还可以为其它任意角度的弧面物体，以及对非标准的椭圆弧、曲线弧等。同时，凹面反射镜2也并不限于球面的凹面反射镜2，也可以设计为其它的面型，并且还可以以由多个凹面反射镜单元组成，其中，当凹面反射镜由多个凹面反射镜单元组成时，由于每个凹面反射镜单元都有一个焦点，所以其焦点由多个子焦点组成。

凹面反射镜2用于对弧面41拉伸成像，其中，根据反射镜放大成像条件，弧面41位于凹面反射镜2的焦点以内，这样，弧面41在凹面反射镜2中所成的像便为正立放大的虚像。

根据弧面41的面型结构特点，弧面41上的不同位置的点与凹面反射镜之间的间距并不相同，为使弧面41上所有不同位置点均处于凹面反射镜2的焦点范围(即满足成放大虚像条件)，所以本实施例中弧面41的曲率半径小于凹面反射镜2的曲率半径；同时，为了使弧面41能够在凹面反射镜2中能够完整成像，且弧面41的弧长小于或等于凹面反射镜的弧长。

为使弧面41在凹面反射镜2中所成的像能够被图像采集装置3采集到，凹面反射镜2的光轴和弧面41的中轴线之间具有一定的夹角。

图像采集装置3用于采集弧面41在凹面反射镜2中所成的像，同样的，图像采集装置3的光轴与弧面的中轴线之间也具有一定的夹角。

参见图2，为本发明实施例提供的一种弧面物体外表面缺陷检测系统的第二基本结构示意图，考虑到系统各组件的易于布置性，本实施例中凹面反射镜2的光轴和弧面41的中轴线之间的夹角θ1为15°～50°，图像采集装置3的光轴与弧面41的中轴线之间的夹角θ2为65°～100°，对应在本实施例的中的直角弧面物体，凹面反射镜2的光轴与被测弧面物体4的垂直边(Y轴)的夹角为15°～50°、图像采集装置3的光轴与被测弧面物体4的垂直边(Y轴)的夹角为50°～85°。

进一步的，为使系统布置更为紧凑、同时保证采集图像的效果，凹面反射镜2的光轴和弧面41的中轴线之间的夹角度数为30°～45°，图像采集装置3的光轴与弧面41的中轴线之间的夹角85°～100°，对应在本实施例中的直角弧面物体，凹面反射镜2的光轴与被测弧面物体4的垂直边(Y轴)的夹角为10°～25°、图像采集装置3的光轴与被测弧面物体4的垂直边(Y轴)的夹角为70°～85°。

本实施例中，由于凹面反射镜2的光轴和弧面41的中轴线之间具有一定的夹角，所以弧面的两端与凹面反射镜2之间的间距不同，根据凹面镜成像公式：

公式(1)中，u为物距、即物体至凹面反射镜顶点的距离，v为像距、即所成的像至凹面反射镜顶点的距离，f为凹面反射镜顶点的焦距，R为凹面反射镜的曲率半径，凹面反射镜的焦距与其曲率半径的关系为

同时，凹面反射镜成像的垂轴放大率公式：

根据公式(1)和(2)，可得出弧面越靠近凹面反射镜的焦点，其放大率越大，所成的虚像也越大，所以弧面的两端与凹面反射镜2之间的间距不同，会导致弧面41在凹面反射镜2中所成的像是不对称的，给后续的图像分析带来困难。

为了解决上述问题，本实施例中，将凹面反射镜2设计为由两个或两个以上的凹面反射镜单元拼接形成，其中，凹面反射镜2中凹面反射镜单元的曲率随着该凹面反射镜单元与弧面之间间距的增大而逐渐减少，即凹面反射镜2中凹面反射镜单元的曲率半径随着该凹面反射镜单元与弧面之间间距的增大而逐渐增大，弧面41的各点也对应的位于对其成像的凹面反射镜单元的焦距范围内，进而可以弥补上述因弧面41中不同的位置与凹面反射镜2之间的间距不同导致的成像不对称的问题，最终达到整个弧面放大率较一致的效果。

需要说明的，凹面反射镜2中各凹面反射镜单元可以是独立的结构也可以是一体成型的结构，本实施例在此不做具体限定。

进一步的，由于凹面反射镜的焦距与其曲率半径的关系为所以凹面反射镜2的曲率半径越大，对应其焦距越大。根据上述分析，为使弧面41更为靠凹面反射镜2的焦点，来获得更大的放大率，凹面反射镜2的曲率半径越大，弧面41与凹面反射镜2之间的间距也越大，整个系统占用的空间也会变大，所以为节省系统占用空间，应当在满足成像条件下，将凹面反射镜2的曲率半径设计的尽可能小。

同时，根据成像公式(1)和(2)，在弧面41与凹面反射镜2之间的间距相同的条件下，凹面反射镜2的曲率半径越大，凹面镜成像的垂轴放大率越大。

综合考虑上述两个因素，本实施例中，将凹面反射镜2的曲率半径设计为弧面41曲率半径的3～20倍。

由于平面结构的光源所发射出的光较为发散，不能够有选择的为系统补光，所以本实施例将光源设计为凹面环形光源，同时凹面环形光源的凹面发光面朝向弧面41。利用凹面环形光源能将光更好的反射进图像采集装置3，能更好的将弧面41表面的缺陷表现出来。

结合弧面的弯曲面型特点，为使弧面41上的所有点都能够被均匀照射到，以及更方便系统装置的布置，如图1所示，本实施例中光源由三个凹面环形光源组成，分别为第一凹面环形光源1、第二凹面环形光源2和第三凹面环形光源3，三个所述凹面环形光源沿所述弧面的圆弧方向排列，分别用于照射所述弧面的两侧边缘区域和中心区域，进一步的，上述三个凹面环形光源还可以由两个或两个以上的凹面环形光源单元组成。

在本发明实施例提供的另一种可能的实现方式中，凹面反射镜2还可以通过连接件设置在所述图像采集装置上，选择合适的图像传感器尺寸，可实现弧面物体的一次成像，提高检测效率，降低设备复杂度。

利用上述系统，本实施例还提供了一种弧面物体外表面缺陷检测方法，图3为本发明实施例提供的一种弧面物体外表面缺陷检测方法的流程示意图，所述方法具体包括如下步骤：

S110；利用光源照射弧面物体的弧面，所述弧面位于所述光源的照射区域范围内。

具体的，利用光源照射被检测弧面，使足够的光线反射进图像采集装置，使图像采集装置能采集到较为清晰的图像。

S120：利用凹面反射镜对所述弧面进行成像，其中，所述弧面在所述凹面反射镜中的像为放大的虚像。

具体的，将被测弧面设置在凹面反射镜的焦距范围内，根据反射镜成像条件，被测弧面在凹面反射镜中可以成放大的虚像。

其中，为了弥补述因弧面中不同的位置与凹面反射镜之间的间距不同导致的成像不对称的问题，本实施例中，凹面反射镜由多个凹面反射镜单元组成，并且凹面反射镜中凹面反射镜单元的曲率半径随着该凹面反射镜单元与被测弧面之间间距的增大而逐渐增大，通过多个凹面反射镜单元对弧面进行成像，同样的被测弧面的各点也对应的位于各凹面反射镜单元的焦距范围内。

同时，还可以根据被测弧面在凹面反射镜中所成虚像的放大倍数要求、以及虚像的曲率要求，对被测弧面与凹面反射镜之间的位置关系、以及对凹面反射镜的曲率半径、面型等进行设计。

S130：利用图像采集装置采集所述弧面在所述凹面反射镜中所成的虚像，得到所述弧面的检测图像。

其中，根据被测弧面的结构不同，可以采用不同的图像采集装置采集被测弧面在凹面反射镜中所成的虚像，例如，弧面物体的长度较长时，可以利用线阵相机扫描逐帧扫描被测弧面在凹面反射镜中所成的虚像，然后吐过后续处理获得被测弧面的完整图像；当弧面物体为较短时，则可以直接利用面阵相机拍摄被测弧面在所述凹面反射镜中所成的虚像。

由以上技术方案可见，本发明提供一种弧面物体外表面缺陷检测方法及系统，将弧面物体的弧面置于凹面反射镜的焦点以内，并通过光源为检测系统提供照明，利用凹面反射镜对弧面物体的弧面进行成像放大，然后，通过凹面反射镜、图像采集装置以及弧面物体的弧面的位置设计，将被测弧面的像转换至合适的角度，使图像采集装置采集弧面在凹面反射镜中的像。

同时，还可以根据需求对对被测弧面与凹面反射镜之间的位置关系、以及对凹面反射镜的曲率半径、面型等进行设计，这样可以实现对被测弧面所成的像有不同程度的放大拉伸，例如，使被测弧面在凹面反射镜中所成的像为平面。

根据高斯光学,物像垂轴放大率为:β＝y′/y＝-(f/x)，其中，f是凹面反射镜焦距，x是弧面到焦点的距离，由于被测弧面位于凹面反射镜的焦点以内，因此f大于x，所以弧面的垂轴放大率大于1，同时，由于物像角放大率为垂轴放大率的倒数，所以被测面的角放大率小于1，因此，被测弧面在凹面反射镜所成的像为放大的虚像，并且，该虚像的曲率小于被测弧面的曲率，该虚像的弧所对圆心角小于被测弧面的弧所对圆心角，进而被测弧面经过凹面反射镜放大成像后，可以减轻图像采集装置的成像边缘压缩问题。

另外，本实施例还提供了凹面反射镜由凹面反射镜单元拼接形成的结构，通过凹面反射镜单元的面型设计，改变被测弧面的不同部分的成像位置，使所成虚像的圆弧对应的矢高相对被测弧面对应的矢高减小，进而使所成虚像相对被测弧面被拉伸展平，所以采用普通镜头对该虚像进程图像采集，便可以使被测弧面对应虚像的各个部分均能清晰成像，因此，可在保证检测效果的情况下，降低生产成本。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种弧面物体外表面缺陷检测系统，包括光源，所述光源用于为所述检测系统提供照明，其特征在于，还包括：

弧面物体(4)，所述弧面物体(4)的弧面(41)位于所述光源的照射区域范围内；

凹面反射镜(2)，用于对所述弧面(41)拉伸成像，所述弧面(41)位于所述凹面反射镜(2)的焦点以内，所述弧面(41)的曲率半径小于所述凹面反射镜(2)的曲率半径，所述弧面(41)的弧长小于或等于所述凹面反射镜(2)的弧长，所述凹面反射镜(2)的光轴和所述弧面(41)的中轴线之间具有一定的夹角；

图像采集装置(3)，用于采集所述弧面(41)在所述凹面反射镜(2)中所成的像，所述图像采集装置(3)的光轴与所述弧面(41)的中轴线之间具有一定的夹角。

2.根据权利要求1所述弧面物体外表面缺陷检测系统，其特征在于，所述凹面反射镜(2)由两个或两个以上的凹面反射镜单元组成，其中：

所述凹面反射镜(2)中凹面反射镜单元的曲率随着所述凹面反射镜单元与所述弧面(41)之间间距的增大而逐渐减少；

所述弧面(41)中的点分别位于对所述点进行成像的凹面反射镜单元的焦距范围内。

3.根据权利要求1所述弧面物体外表面缺陷检测系统，其特征在于，所述光源为凹面环形光源，所述凹面环形光源的凹面发光面朝向所述弧面(41)。

4.根据权利要求1所述弧面物体外表面缺陷检测系统，其特征在于，所述光源由三个凹面环形光源组成，其中：

三个所述凹面环形光源沿所述弧面(41)的圆弧方向排列，分别用于照射所述弧面(41)的两侧边缘区域和中心区域。

5.根据权利要求1所述弧面物体外表面缺陷检测系统，其特征在于，所述凹面反射镜(2)的曲率半径为所述弧面(41)曲率半径的3～20倍。

6.根据权利要求1所述弧面物体外表面缺陷检测系统，其特征在于，所述凹面反射镜(2)的光轴和所述弧面(41)的中轴线之间的夹角为15°～50°，所述图像采集装置(3)的光轴与所述弧面(41)的中轴线之间的夹角65°～100°。

7.根据权利要求1所述弧面物体外表面缺陷检测系统，其特征在于，所述凹面反射镜(2)的光轴和所述弧面(41)的中轴线之间的夹角度数为30°～45°，所述图像采集装置(3)的光轴与所述弧面(41)的中轴线之间的夹角85°～100°。

8.根据权利要求1所述弧面物体外表面缺陷检测系统，其特征在于，所述凹面反射镜(2)通过连接件设置在所述图像采集装置(3)上。

9.一种弧面物体外表面缺陷检测方法，其特征在于，利用权利要求1-8任一所述的检测系统，包括：

利用光源照射弧面物体的弧面，所述弧面位于所述光源的照射区域范围内；

利用凹面反射镜对所述弧面进行成像，其中，所述弧面在所述凹面反射镜中的像为放大的虚像；

利用图像采集装置采集所述弧面在所述凹面反射镜中所成的虚像，得到所述弧面的检测图像。

10.根据权利要求9所述的弧面物体外表面缺陷检测方法，其特征在于，利用图像采集装置采集所述弧面在所述凹面反射镜中所成的虚像，包括：

利用面阵相机拍摄所述弧面在所述凹面反射镜中所成的虚像，或者利用线阵相机扫描所述弧面在所述凹面反射镜中所成的虚像。