衛(wèi) 紅,曹一鳴,王小輝,范衛(wèi)星,董興華

（1.廣州市光機(jī)電技術(shù)研究院，廣東 廣州 510663；2.奧普鍍膜技術(shù)（廣州）有限公司，廣東 廣州 510730）

光通信濾光片外觀特性及缺陷的視覺(jué)檢測(cè)

衛(wèi) 紅1,曹一鳴1,王小輝1,范衛(wèi)星2,董興華2

（1.廣州市光機(jī)電技術(shù)研究院，廣東 廣州 510663；2.奧普鍍膜技術(shù)（廣州）有限公司，廣東 廣州 510730）

針對(duì)目前光通信濾光片外觀檢測(cè)及篩選仍依賴(lài)人工的情況，提出利用機(jī)器視覺(jué)與軟件分析方法，通過(guò)光通信濾光片與系統(tǒng)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)濾光片模板外觀特性進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)光通信光學(xué)薄膜元器件外觀缺陷的高效、準(zhǔn)確檢測(cè)，并在檢測(cè)線(xiàn)上根據(jù)設(shè)定類(lèi)別進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)及產(chǎn)品自動(dòng)裝盒，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)分類(lèi)，提高生產(chǎn)效率。

精密工程；光學(xué)薄膜；外觀特性；視覺(jué)檢測(cè)

0 引 言

光通信濾光片作為光通信中最關(guān)鍵的光學(xué)元器件[1-2]，其制備過(guò)程非常復(fù)雜。光學(xué)通信濾光片具有鍍膜周期長(zhǎng)（多腔窄帶濾光片常常要蒸鍍100多層，時(shí)間要十幾小時(shí)以上）、加工檢測(cè)工序多、精度要求高、切割尺寸細(xì)小等特點(diǎn)，能否對(duì)其進(jìn)行快速準(zhǔn)確外觀檢測(cè)及篩選成為保證濾光片光學(xué)性能、產(chǎn)量的前提，也是有效降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率重要因素。當(dāng)前光通信濾光片的外觀檢測(cè)及篩選仍依賴(lài)人工逐片檢測(cè)，其檢測(cè)效率低、誤檢率高、人為影響因素大，而生產(chǎn)企業(yè)需要投入大量的檢測(cè)人員，這也使得光通信濾光片的檢測(cè)成為企業(yè)大規(guī)模化生產(chǎn)的“瓶頸”。雖然目前光通信濾光片的光學(xué)性能檢測(cè)技術(shù)已比較成熟，但發(fā)展高效、精密的外觀檢測(cè)系統(tǒng)仍然是一個(gè)亟待解決的課題[3-4]。

本文設(shè)計(jì)一種利用機(jī)器視覺(jué)及軟件分析控制技術(shù)對(duì)光通信濾光片進(jìn)行外觀檢測(cè)的系統(tǒng)。

1 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光學(xué)濾光片視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由機(jī)械臂、上料盤(pán)、檢測(cè)臺(tái)、三架CCD工業(yè)相機(jī)（定位CCD1、外觀CCD2和CCD3）、分裝盤(pán)、CCD支架等主要部件組成。

系統(tǒng)具體工作流程為：

（1）將光學(xué)濾光片無(wú)序載入濾光片上料盒。

（2）工業(yè)相機(jī)CCD1對(duì)載入的濾光片拍照，通過(guò)對(duì)所獲照片分析計(jì)算，視覺(jué)定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)濾光片的坐標(biāo)定位[5]。

（3）通過(guò)坐標(biāo)換算，將每個(gè)濾光片的圖像坐標(biāo)換算到世界坐標(biāo)。

（4）通信控制系統(tǒng)將每個(gè)濾光片的坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)傳遞給機(jī)械控制系統(tǒng)。

（5）機(jī)械控制系統(tǒng)指引機(jī)械手1到濾光片的坐標(biāo)位置處拾取待檢濾光片，將其放置到檢測(cè)平臺(tái)。

（6）工業(yè)相機(jī)CCD2結(jié)合CCD3對(duì)濾光片膜面進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)其外觀進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分辨出濾光片等級(jí)、類(lèi)別。

（7）通信控制系統(tǒng)將濾光片檢測(cè)的等級(jí)類(lèi)別信號(hào)傳送給控制系統(tǒng)。

（8）機(jī)械手2根據(jù)收到的系統(tǒng)等級(jí)類(lèi)別信息把檢測(cè)后的濾光片放置到相應(yīng)等級(jí)濾光片裝載盒中。

光學(xué)濾光片外觀特性視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)采用模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路：整體系統(tǒng)可分解為視覺(jué)定位系統(tǒng)、膜面判定系統(tǒng)、外觀缺陷檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)械控制系統(tǒng)及通信控制系統(tǒng)共5個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)。各個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立完成相應(yīng)工序，并通過(guò)相互間通信協(xié)議關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)，最終完成光學(xué)濾光片整體檢測(cè)分析。具體工藝流程如圖2所示。

2 主要模塊功能

文中系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，通過(guò)獨(dú)立子系統(tǒng)各自功能的協(xié)同配合實(shí)現(xiàn)光學(xué)濾光片外觀特性視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的最終檢測(cè)目的。

2.1 視覺(jué)定位模塊

視覺(jué)定位系統(tǒng)從獲取的圖像信息中分析計(jì)算每個(gè)濾光片圖像坐標(biāo)，視覺(jué)定位系統(tǒng)工作流程為：

（1）采集原始圖像信息。

（2）對(duì)圖像信息進(jìn)行有效范圍鎖定。

（3）對(duì)圖像信息進(jìn)行顏色處理。

（4）鎖定圖像信息中分析目標(biāo)。

（5）對(duì)圖像中的分析目標(biāo)進(jìn)行圖像坐標(biāo)計(jì)算。

圖3為視覺(jué)定位系統(tǒng)上位機(jī)操作界面。

在獲取濾光片位于圖像坐標(biāo)系中的圖像坐標(biāo)后，通過(guò)轉(zhuǎn)換計(jì)算將圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為世界坐標(biāo)系中的物理坐標(biāo)，并通過(guò)信息交互系統(tǒng)將求取的坐標(biāo)信息傳送給機(jī)械控制系統(tǒng)，根據(jù)坐標(biāo)信息控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，拾取濾光片。圖4展示了視覺(jué)系統(tǒng)的工作特點(diǎn)：可以通過(guò)機(jī)械控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取真空吸附拾取吸頭的中空軸心與世界坐標(biāo)系交點(diǎn)處的坐標(biāo)；讀取該坐標(biāo)后把吸嘴上銜接的氣管取走，背光通過(guò)吸頭的中空軸可以在圖像坐標(biāo)中形成一個(gè)圓孔光斑像，通過(guò)圖像處理分析算法對(duì)圓孔光斑像進(jìn)行分析，計(jì)算出圓孔光斑像中心點(diǎn)的圖像坐標(biāo)[6]（即光斑圖像坐標(biāo)）。

2.2 膜面分辨識(shí)別模塊

根據(jù)濾光片的光譜特性，選擇濾光片在光譜中透射能力最低或比較低的波譜段，作為膜面正反面識(shí)別的特征波譜段[7]。

當(dāng)濾光片的膜面朝上時(shí)，若特征波譜以一定的角度θ從下往上入射，大部分入射光線(xiàn)進(jìn)入有一定厚度的玻璃片內(nèi)部，到達(dá)上表面的膜層時(shí)，已進(jìn)行多次反射及散射，使得濾光片的內(nèi)部及邊緣充滿(mǎn)了光亮；當(dāng)濾光片的膜面朝下時(shí)，如果特征波譜以一定的角度θ從下往上入射，入射光到達(dá)濾光片下表面（即膜面）時(shí)，大部分入射光被反射而無(wú)法進(jìn)入濾光片內(nèi)部，從而導(dǎo)致濾光片的內(nèi)部及邊緣基本沒(méi)有光亮。CCD2采集濾光片圖像，分析入射光斑點(diǎn)之外的亮度，與設(shè)置的亮度值進(jìn)行比較，據(jù)此識(shí)別出濾光片正反面[8]。圖5為濾光片正反面分析測(cè)定示意圖。

2.3 視覺(jué)外觀特性檢測(cè)模塊

濾光片表面常見(jiàn)的缺陷有：麻點(diǎn)缺陷、劃傷缺陷、蹦邊缺陷、表面臟污缺陷，在所獲取的濾光片表面圖像中，這些缺陷處的灰度值與正常濾光片表面處的灰度值有明顯區(qū)別。根據(jù)灰度值的變化，可以對(duì)濾光片的外觀特性進(jìn)行檢測(cè)。選擇表面有缺陷區(qū)域作為分析目標(biāo)，計(jì)算出每個(gè)表面缺陷的面積，據(jù)此將濾光片表面范圍劃分為有效范圍和無(wú)效范圍，計(jì)算有效范圍內(nèi)的缺陷面積總和Ai與表面無(wú)效范圍內(nèi)的缺陷面積總和Ao；有效范圍內(nèi)的判別臨界值為L(zhǎng)i，無(wú)效范圍內(nèi)的判別臨界值為L(zhǎng)o；通過(guò)比較Ai與Li值的大小、Ao與Lo的值大小，判別產(chǎn)品缺陷等級(jí)。如現(xiàn)有判別標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

外觀檢測(cè)流程為：

（1）采集原始圖像，進(jìn)行閾值分割[9-10]。

（2）對(duì)分割后圖像設(shè)置有效范圍和無(wú)效范圍。

（3）選定濾光片表面無(wú)效范圍。

（4）選定濾光片表面有效范圍。

（5）進(jìn)行無(wú)效范圍內(nèi)的缺陷分析。

（6）有效范圍內(nèi)的缺陷分析。

在機(jī)操作界面如圖6所示。

3 系統(tǒng)性能指標(biāo)

經(jīng)廣州計(jì)量檢測(cè)研究院檢測(cè)，系統(tǒng)濾光片元器件視覺(jué)定位坐標(biāo)準(zhǔn)確度達(dá)到0.2mm、濾光片元器件膜面正反識(shí)別錯(cuò)誤率小于0.5%、濾光片元器件外觀缺陷檢測(cè)精度達(dá)30μm；正反面外觀檢測(cè)效率達(dá)每小時(shí)900片以上。此外，系統(tǒng)能全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)濾光片外觀的特性檢測(cè)，還可根據(jù)客戶(hù)設(shè)定的檢測(cè)等級(jí)要求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分類(lèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用模塊化思路，視覺(jué)定位模塊通過(guò)圖像坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的關(guān)系獲取光學(xué)濾光片的物理坐標(biāo)；膜面分辨識(shí)別模塊利用圖像亮度大小判斷濾光片的正反面；視覺(jué)外觀特性檢測(cè)模塊利用圖像處理中的閾值分割實(shí)現(xiàn)對(duì)濾光片表面缺陷的識(shí)別測(cè)量，并據(jù)此結(jié)果對(duì)濾光片自動(dòng)分類(lèi)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光通信光學(xué)濾光片的自動(dòng)檢測(cè)分類(lèi)，提高了生產(chǎn)效率，對(duì)現(xiàn)有光通信濾光片制造企業(yè)進(jìn)行自動(dòng)化轉(zhuǎn)型升級(jí)具有示范意義，并可在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的延伸和拓展。

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Visual test system of optical communication filter’s appearance characteristic and defects

WEI Hong1，CAO Yi-ming1，WANG Xiao-hui1，F(xiàn)AN Wei-xing2，DONG Xing-hua2
（1.Guangzhou Institute of Optical Mechanical and Electrical Technology，Guangzhou 510663，China；2.Optimal Coatech（Guangzhou）Co.，Ltd.，Guangzhou 510730，China）

As the detection and selection of optical communication filter’s appearance still rely on manual operation，the machine vision and software analysis method were proposed.By comparing the appearance characteristics of the optical communication filter with that of the standard filter template，the appearance defects of the optical coating elements were detected efficiently and accurately.The detection line automatically classifies and packs the product according to the set category classification，which greatly improves the production efficiency.

precision engineering；optical coating；outer inspection；visual test

TP391；TN929.1；TP206+.1；TN249

：A

：1674-5124（2014）04-0030-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.008

2013-05-28；

：2013-07-27

衛(wèi) 紅（1970-），男，陜西漢中市人，工程師，主要從事光學(xué)薄膜檢測(cè)、光機(jī)電一體化研究。