CN109813223B - 同时对物体相邻两个表面进行光学检测的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种同时对物体相邻两个表面进行光学检测的装置及方法，其特征在于，包括：在水平方向上依次设置的：水平的透明载物台、45°角的分光镜和照明光源，以及上方的相机和远心成像镜头、下方的直角棱镜；所述相机和远心成像镜头朝下设置于分光镜的上方；所述直角棱镜设置于透明载物台和分光镜的下方，且斜面与透明载物台平行并朝向透明载物台。本发明方案利用一个照明光源一个相机即可实现对待测物体两个相邻面的检测，在保证效率的前提下，大大降低了检测成本，且结构简单，易于安装与调试，具有很高的实用和推广价值。
Description
技术领域
本发明属于光学检测和机器视觉领域，尤其涉及一种同时对物体相邻两个表面进行光学检测的装置及方法。
背景技术
如图1所示，在机器视觉领域，一套传统的光学检测装置主要包含相机、镜头、同轴照明光源、图像处理软件、待测物体等。即由光源照明物体，物体通过光学镜头成像于CCD探测器面，经图像采集卡，A-D转换模块将图像传输至计算机，最后通过数字图像处理技术获得所需图像信息，根据像素分布，亮度，颜色等信息，进行尺寸，形状，颜色的判别与测量，进而控制现场的设备操作。
如果要同时检测单个物体两个面，目前通用的检测方法都是一个相机占用一个工位检测一个面，如果需要检测两面甚至多面，就需要采用多个相机占用多个工位检测，这样就造成机构的安装空间很大，同时需要多套机构安装模组，多套电路模组，增加安装复杂性，导致可靠性差。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明考虑设计一种仅采用一个相机，一个镜头和一个照明光源的方案，以实现同时对物体相邻两个表面进行光学检测。本发明将照明光源通过分光镜的作用，并通过直角棱镜的反光特性以及远心成像镜头的大景深效果完成整体方案的构建。
本发明具体采用以下技术方案：
一种同时对物体相邻两个表面进行光学检测的装置，其特征在于，包括：在水平方向上依次设置的：水平的透明载物台、45°角的分光镜和照明光源，以及上方的相机和远心成像镜头、下方的直角棱镜；所述相机和远心成像镜头朝下设置于分光镜的上方；所述直角棱镜设置于透明载物台和分光镜的下方，且斜面与透明载物台平行并朝向透明载物台。
优选地，所述照明光源为环形照明光源或条形照明光源或同轴照明光源。
优选地，所述透明载物台的材质为玻璃。
以及一种同时对物体相邻两个表面进行光学检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:在水平方向上依次设置：水平的透明载物台、45°角的分光镜和照明光源；
步骤S2：在所述分光镜的上方，朝下设置相机和远心成像镜头；在所述透明载物台和分光镜的下方设置直角棱镜，所述直角棱镜的斜面与透明载物台平行并朝向透明载物台。
步骤S3：在透明载物台上放置待测物。
优选地，所述待测物在竖直方向的投影落在直角棱镜的斜面上；所述待测物在水平方向的投影落在分光镜在水平方向的投影的范围内。
本发明方案利用一个照明光源一个相机即可实现对待测物体两个相邻面的检测，通过分光镜的分光特性与直角棱镜的反光特性的结合实现了相邻面的同步检测，同时采用远心成像镜头的大景深效果保证待测物体的两个表面在存在光程差异的情况下也均能清晰成像，在保证效率的前提下，大大降低了检测成本，且结构简单，易于安装与调试，具有很高的实用和推广价值。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明改进针对的现有技术装置结构示意图；
图2为本发明实施例整体结构示意图；
图3为本发明实施例整体结构光学成像分析示意图；
图中：100-相机；200-远心成像镜头；300-照明光源；301-同轴照明光源；400-待测物；500-透明载物台；600-分光镜；700-直角棱镜。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
如图1所示，在机器视觉领域，现有技术当中一套传统的光学检测装置主要包含相机100、远心成像镜头200、同轴照明光源301、透明载物台500，一套装置对待测物400只能进行一个面的检测。
如图2所示，在本实施例中，整体装置包括：在水平方向上依次设置的：水平的透明载物台500、45°角的分光镜600和照明光源300，以及上方的相机100和远心成像镜头200、下方的直角棱镜700；相机100和远心成像镜头200朝下设置于分光镜500的上方；直角棱镜700设置于透明载物台500和分光镜600的下方，且斜面与透明载物台500平行并朝向透明载物台500。
其中，照明光源可以采用环形照明光源或条形照明光源或同轴照明光源。透明载物台的材质为玻璃，在确保性能的同时尽量降低成本。
本实施例提供的装置通过以下步骤搭建，并做好工作前的准备：
步骤S1:在水平方向上依次设置：水平的透明载物台、45°角的分光镜和照明光源；
步骤S2：在分光镜的上方，朝下设置相机和远心成像镜头；在透明载物台和分光镜的下方设置直角棱镜，直角棱镜的斜面与透明载物台平行并朝向透明载物台。
步骤S3：在透明载物台上放置待测物。待测物在竖直方向的投影落在直角棱镜的斜面上；待测物在水平方向的投影落在分光镜在水平方向的投影的范围内，以保证两个面的成像效果良好。
如根据本实施例提供的方案用于同时检测半导体致冷晶粒的相邻两个表面：待测半导体制冷晶粒外形为长方体，典型尺寸为2.10*1.32*1.32mm。检测精度要求在+/-0.02mm范围内。计算的原理如图3所示，玻璃载物台的厚度为W＝1.045mm，二次反射直角棱镜的光轴长度为L。右侧面的成像光路的等效几何光程为S1，晶粒底面的成像光路等效几何光程为S2,n为玻璃载物台与二次反射直角棱镜的折射率,h为待测物的高度，i为待测物体的宽度。分光镜的通光孔径为j*j，DE＝1mm，由图3可知，BG＝AH，假设两成像光束的等效几何光程差为d，则有：
S1＝BC+BG (1)
S2＝(W+L)/n+DE+AF+AH (2)
AF＝DE+W+h/2 (3)
d＝∣S1-S2∣＝∣BC-((W+L)/n+DE+AF)∣ (4)
方案一：
根据上述要求，选择一个通光孔径为7*7mm的分光镜，分光镜与晶粒的距离BC为15mm,此时二次反射直角棱镜的光轴长度 选取光轴长度为23mm的二次反射直角棱镜，用于照明待测物体的底面，并对底面实现成像光路的转折。由(3)式可知AF＝DE+W+h/2＝1+1.045+0.66＝2.705mm，由(4)式可知d＝4.56mm。选用一个大景深远心成像镜头，该镜头景深为7mm，视场大小为22*29mm，分辨率为110线对/mm,可以满足检测需求。同时采用EM-MV120C摄像机，该相机的像元大小为3.75um，CCD靶面大小为1/3’，像素阵列为1280*960。利用上述实验装置分别对几组合格与不合格品晶粒样品进行了静态检测实验。每组晶粒样品为20颗。实验结果表明，用该方法得到的双面图像清晰可辨，对比度高，很好地满足后续图像处理的需求。
方案二：
根据上述要求，选择一个通光孔径为7*7mm的分光镜，分光镜与晶粒的距离BC为30mm,此时二次反射直角棱镜的光轴长度 选取光轴长度为38mm的二次反射直角棱镜，用于照明待测物体的底面，并对底面实现成像光路的转折。由(3)式可知AF＝DE+W+h/2＝1+1.045+0.66＝2.705mm，由(4)式可知d＝0.56mm。选用一个普通远心成像镜头，镜头景深为1mm，视场大小为11*8.8mm，分辨率为100线对/mm,可以满足检测需求。同时采用EM-MV120C摄像机，该相机的像元大小为3.75um，CCD靶面大小为1/3’，像素阵列为1280*960。利用上述实验装置分别对几组合格与不合格品晶粒样品进行了静态检测实验。每组晶粒样品为20颗。实验结果表明，用该方法得到的双面图像清晰可辨，对比度高，很好地满足后续图像处理的需求。
该专利两种实施方案均可实现对晶粒两相邻表面同时检测，各有优缺点。方案一结构紧凑，但需要大景深远心成像镜头；方案二只需普通远心成像镜头即可，但***结构会稍大些。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的同时对物体相邻两个表面进行光学检测的装置及方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (5)
1.一种同时对物体相邻两个表面进行光学检测的装置，其特征在于，包括：在水平方向上依次设置的：水平的透明载物台、45°角的分光镜和照明光源，以及上方的相机和远心成像镜头、下方的直角棱镜；所述相机和远心成像镜头朝下设置于分光镜的上方；所述直角棱镜设置于透明载物台和分光镜的下方，且斜面与透明载物台平行并朝向透明载物台。
2.根据权利要求1所述的同时对物体相邻两个表面进行光学检测的装置，其特征在于：所述照明光源为环形照明光源或条形照明光源或同轴照明光源。
3.根据权利要求1所述的同时对物体相邻两个表面进行光学检测的装置，其特征在于：所述透明载物台的材质为玻璃。
4.一种同时对物体相邻两个表面进行光学检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:在水平方向上依次设置：水平的透明载物台、45°角的分光镜和照明光源；
步骤S2：在所述分光镜的上方，朝下设置相机和远心成像镜头；在所述透明载物台和分光镜的下方设置直角棱镜，所述直角棱镜的斜面与透明载物台平行并朝向透明载物台；
步骤S3：在透明载物台上放置待测物。
5.根据权利要求4所述的同时对物体相邻两个表面进行光学检测的方法，其特征在于：所述待测物在竖直方向的投影落在直角棱镜的斜面上；所述待测物在水平方向的投影落在分光镜在水平方向的投影的范围内。
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