CN110823097A - 一种密集波分复用器自动装配中光学元件尺寸测量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种密集波分复用器自动装配中光学元件尺寸测量的方法，其结构包括二维位移平台及其底座、机械臂、照明***、光学镜头、定位用相机、测量用相机、样品放置盘、不合格产品放置盘、图像处理***。在图像处理***中设有定位整盘光学元件中心坐标的算法和测量光学元件尺寸的算法。本发明的主要创新点在于通过解析样品放置盘上方的二维码可知产品的检测指标；配合光学镜头和照明***，使用定位用相机拍摄整盘元件图像，经图像处理***得到各个元件的位置，移动二维位移平台使元件位于测量用相机视场范围内，拍摄单个元件图像，经图像处理***可以得到实际尺寸；若产品合格，用机械臂吸取进行装配，若不合格则分拣至不合格产品放置盘。
Description
技术领域
本发明属于光学元件尺寸检测及机器视觉检测技术领域，具体涉及一种密集波分复用器自动装配过程中光学元件尺寸测量的方法。
背景技术
随着密集波分复用器进一步向精密化、微型化发展以及对 密集波分复用器产品需求进一步的提高，对其质量和生产速度提出了新的挑战。密集波分复用器的自动装配过程中所需要的光学元件种类多样，且尺寸微小。作为密集波分复用器中的核心元件，如果其尺寸超出标准元件的公差范围，会对密集波分复用器的工作性能、使用寿命以及使用安全性造成极大的影响。
目前光学元件几何尺寸的检测多采用人工测量的方法：使用夹持工具（如镊子）夹取元件，然后用千分表等仪器测量。这种方法属于接触性测量，在检测过程中难免会对元件产生二次划伤，且检测效率低下、检测精度低。各式各样的光学元件的设计标准均有不同，人工检测存在较大的不便。所以结合数字图像处理、机器视觉等技术实现对微小型光学元件的几何尺寸进行检测，将该方法应用到密集波分复用器的自动化装配过程中，实现快速测量、高精度测量对密集波分复用器的自动化生产意义巨大。
专利号为CN200810304609.2，名称为“光学元件尺寸的检测装置和方法”的专利中介绍了一种光学元件尺寸的检测装置和方法，其装置包括多个间隔设置的筛板与多个刮板，每个筛板中形成有多个通孔，刮板用于沿筛板表面滑动使放置在该筛板上的光学元件通过该筛板内的通孔而到达下一筛板上，该筛板中的通孔的孔径大于所述下一筛板中的通孔的孔径。此方法可以检测多种光学元件的尺寸，但是只适合于较大尺寸的圆形光学元件，而且刮板运动过程中推动光学元件会对其表面产生划痕。从上一个筛板掉入下一个筛板上时产生的震动等也会对元件的边角产生损伤。
发明内容
鉴于传统检测技术的不足，本发明的目的在于提供一种可以在密集波分复用器自动装配中完成光学元件尺寸测量的装置和方法，旨在解决现有的光学元件尺寸检测方法的检测速度慢、检测一致性差、精度低等问题，并将其运用到密集波分复用器的自动装配中，实现检测装配一体化。
为了实现本发明之目的，拟采用以下的技术方案：
密集波分复用器自动装配过程中光学元件尺寸测量的方法，结构包括：
照明***，包括一个环形光源和一个同轴光源，用于区分光学元件表面和背景的成像效果；
光学镜头，包括一个广角镜头和一个显微镜头，用于采集待测光学元件的图像；
定位用相机，采用广角镜头，用于在大视场下采集整盘光学元件的图像；
测量用相机，采用显微镜头，用于在小视场下采集单个光学元件的图像；
二维位移平台，用于带动光学元件实现X-Y轴平移，将元件平移至相机成像范围内完成对光学元件的图像采集；
机械臂，其头部装有真空吸盘，用于对光学元件的尺寸进行检测后，吸取不合格的光学元件到不合格产品放置盘，吸取合格的产品进行密集波分复用器的装配；
图像处理***，用于对拍摄得到的光学元件进行图像处理和尺寸测量。
在样品放置盘上方贴有记录产品检测标准的二维码，通过对其解码可以得到该盘样品的检测标准。移动二维位移平台使二维码位于定位用相机的视场范围内，拍摄二维码图片，通过解码得到该光学元件的尺寸检测标准。
移动二维位移平台使整盘光学元件位于定位用相机的视场范围内，拍摄整盘元件的图像，将原图转换成二值图，采用膨胀操作和腐蚀操作去除不属于光学元件的小杂质点，对处理后的二值图进行轮廓检测，得到各个光学元件的轮廓，计算每个轮廓的最小包围矩形，由该矩形计算得到其中心，通过标定得到光学元件的实际坐标位置和相对位置，计算第一个元件与测量用相机视场中心的相对位置。
将第一个光学元件移动至测量用相机的视场范围内，拍摄单个光学元件的图像，对其进行二值化处理，得到元件与背景相分离的图像，采用膨胀操作和腐蚀操作对二值图进行处理，去除杂质点；从左右两个方向扫描得到光学元件的左轮廓和右轮廓，根据平行四边形光学元件四个角点距离之间的特点，筛选出四个角点大致的位置，使用冒泡排序法按照x坐标对其从小到大进行排序，按顺序记为点A'、B'、C'、D'；从上下两个方向再次对图像进行扫描，得到元件的上轮廓和下轮廓；综合四个角点的坐标和上下左右四个方向的轮廓，判断所有的轮廓点位于边A'B'、边B'C'、边C'D'还是边D'A'上，将其分为四组；分别对四组点进行最小二乘直线拟合，得到四条边的直线方程，对四条直线两两求交点，得到四个角点的准确坐标，通过对四条直线两两求夹角得到光学元件四边的夹角；根据得到的四个角点的坐标可以计算得到边A'B'、边B'C'、边C'D'以及边D'A'在图像上长度；进行尺寸标定，计算得到图像上x方向和y方向一个像素对应的实际长度，根据标定结果计算得到光学元件各边的实际长度；通过对计算得到的光学元件四边的长度和夹角与光学元件尺寸检测标准作对比，可以判断该原件是否合格。根据各个元件的相对位置依次将各个元件移动至测量用相机视场范围进行测量。
与现有技术相比较，本发明提供的密集波分复用器自动装配过程中光学元件尺寸测量的方法具有如下优点：通过二维码获取元件的检测标准，简化了不同元件检测标准的导入和获取流程，实现了多种元件的测量；使用一个定位用相机实现对整盘光学元件中各个元件的中心进行定位，使用一个测量用相机分别对单个光学元件进行图像采集，然后输入图像处理***进行测量，实现了整盘元件尺寸的自动化测量，大大提高了测量速度，提高了测量结果的准确性和一致性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明定位光学元件中心坐标的流程图；
图3为本发明计算光学元件实际尺寸的流程图。
1：二维位移平台；2：位移平台底座；3：机械臂；4：定位用相机；5：测量用相机；6：样品放置盘；7：不合格产品放置盘；8：图像处理***；9：环形光源；10：同轴光源；11：广角镜头；12：显微镜头；13：真空吸盘；14：二维码标签。
具体实施方式
下面根据附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
如图1所示，本发明是一种密集波分复用器自动装配过程中光学元件尺寸测量的方法，在结构上包括：二维位移平台1及其底座2、机械臂3、照明***、光学镜头、定位用相机4、测量用相机5、样品放置盘6、不合格产品放置盘7、图像处理***8。
照明***包括环形光源9和同轴光源10；光学镜头包括广角镜头11和显微镜头12；机械臂3头部安装有真空吸盘13；样品放置盘6上方贴有含有光学元件尺寸检测标准的二维码14。
定位用相机4采用环形光源9照明，使用广角镜头11采集大视场下整盘光学元件图像；测量用相机5采用同轴光源10照明，使用显微镜头12采集小视场下单个光学元件表面图像。
结合图1，密集波分复用器自动装配过程中光学元件尺寸测量的方法如下：
（1）移动二维位移平台1使样品放置盘上方的二维码14进入定位用相4视场范围内，开启环形光源9拍摄二维码图像，拍摄完毕后关闭环形光源9，拍摄得到的二维码图像送入图像处理***8解码得到该盘光学元件的检测标准；再次移动二维位移平台1，使该盘光学元件进入定位用相机4的视场范围内，开启环形光源9拍摄得到整盘元件的图像，关闭环形光源9；拍摄得到的整盘元件图像送入图像处理***8中使用光学元件中心定位算法进行处理，得到各个元件的中心坐标、相对位置以及第一个元件与测量用相机5视场中心之间的相对位置；
（2）根据相对位置移动第一个元件至测量用相机5的视场中心，开启同轴光源10，拍摄该元件的表面图像，关闭同轴光源10；拍摄得到的单个元件表面图像送入图像处理***内使用光学元件尺寸测量算法计算得到该元件的实际尺寸。将测得的尺寸与该元件的检测标准进行比较，判断该元件是否合格；
（3）若该元件不合格，使用机械臂3吸取该产品至不合格产品放置盘7；若该产品合格，吸取该产品进行密集波分复用器的自动装配；
（4）在机械臂3处理上一个检测完的元件的过程中，二维位移平台1根据下一个元件与第一个元件之间的相对位置移动使下一个元件位于测量用相机5的视场中心，继续该元件的检测；检测过程中，若机械臂3处于工作状态，则标记该样品的检测结果，等待机械臂3结束工作进行分拣或安装；
（5）当该盘元件安装结束后，需要更换下一种产品进行安装，则停止对该盘元件的检测，重复上述步骤（1）-（4）。
结合图2，定位各个光学元件中心坐标的方法如下：
（1）将原始图像转换成灰度图，再使用自适应阈值法将灰度图转化成二值图像，将光学元件与图像背景分割开；
（2）对二值化图像进行膨胀操作和腐蚀操作，去除图像中不属于光学元件的杂质点；
（3）对处理后的二值化图像进行轮廓检测，检测得到各个光学元件的轮廓；
（4）计算各个轮廓的最小包围矩形；
（5）根据最小包围矩形计算得到各个光学元件的中心位置；
（6）进行标定，得到各光学元件实际坐标位置和相对位置。
结合图3，测量光学元件的尺寸的方法如下：
（1）将测量用相机采集到的图像转换成灰度图；
（2）对得到的灰度图进行中值滤波，减小图像噪声；
（3）对滤波后的图像进行自适应阈值分割得到二值化图像，将检测的目标光学元件与背景图像分割开来；
（4）对二值化后的光学元件图像进行膨胀操作和腐蚀操作，去除图像中不属于光学元件的杂质点；
（5）分别从左、右两个方向对图像进行扫描，得到光学元件的所有边界点，将整体轮廓分为左轮廓和右轮廓；
（6）任取其中一个边界点S，计算所有边界点与边界点S之间的距离，得到与边界点S之间距离最长的点记为角点A；
（7）计算所有边界点与角点A之间的距离，得到距离最长的点记为角点B；
（8）计算所有边界点与角点A和角点B之间的距离之和，得到距离最长的点记为角点C；
（9）计算所有边界点与角点A、角点B和角点C之间的距离之和，得到距离最长的点记为角点D；
（10）使用冒泡排序法按照点的x坐标从小到大的顺序对角点A、B、C、D进行排序，排序后的四个角点按顺序记为A'，B'、C'、D'；
（11）分别从图像的上、下两个方向再次对图像进行扫描，将光学元件的整体轮廓分为上轮廓和下轮廓；
（12）综合四个角点坐标以及四个方向扫描得到的光学元件的轮廓点的坐标信息，判断所有的点是位于边A'B'、边B'C'、边C'D'还是边D'A'上，将其分为四组；
（13）对位于边A'B'、边B'C'、边C'D'以及边D'A'上的四组点进行最小二乘直线拟合，得到四条边的直线方程：通过两两求两条直线间的交点得到更为准确的光学元件的四个角点坐标，通过两两求直线间的夹角得到光学元件四边的夹角；
（14）进行尺寸标定，计算得到图像上x方向和y方向一个像素对应的实际长度，根据标定结果和交点坐标计算得到光学元件各边的实际长度；
（15）通过对计算得到的光学元件四边的长度和夹角与二维码扫描得到光学元件尺寸检测标准作对比，可以判断该原件是否合格。
Claims (5)
1.一种密集波分复用器自动装配中光学元件尺寸测量的方法，其特征在于：其结构包括一个二维位移平台及其底座、机械臂、照明***、光学镜头、定位用相机、测量用相机、样品放置盘、不合格产品放置盘、图像处理***；其中：
所述的照明***，包括一个环形光源和一个同轴光源，用于区分光学元件表面和背景的成像效果；
所述的光学镜头，包括一个广角镜头和一个显微镜头，用于采集待测光学元件的图像；
所述的定位用相机，采用广角镜头，用于在大视场下采集整盘光学元件的图像；
所述的测量用相机，采用显微镜头，用于在小视场下采集单个光学元件的图像；
所述的二维位移平台，用于带动光学元件实现X-Y轴平移，将元件平移至相机成像范围内完成对光学元件的图像采集；
所述的机械臂，其头部装有真空吸盘，用于对光学元件的尺寸进行检测后，吸取不合格的光学元件到不合格产品放置盘，吸取合格的产品进行密集波分复用器的装配；
所述的图像处理***，用于对拍摄得到的光学元件进行图像处理和尺寸测量。
2.根据权利要求书1所述的密集波分复用器自动装配中光学元件尺寸测量的方法，其特征在于，在样品放置盘上方贴有记录产品检测标准的二维码，通过对其解码可以得到该盘样品的检测标准。
3.根据权利要求书1所述的密集波分复用器自动装配中光学元件尺寸测量方法，其特征在于，采用定位用相机和测量用相机两个相机进行尺寸检测，具体实施方式为：
（1）移动二维位移平台使得样品放置盘上方的二维码位于定位用相机视场范围内，使用定位用相机拍摄二维码图像，通过解码得到该光学元件的尺寸检测标准；
（2）移动二维位移平台使得整盘光学元件位于定位用相机的视场范围内，拍摄大视场下整盘光学元件的图像，利用本测量***中的图像定位算法得到所有光学元件的位置，计算得到其中心，记录各个光学元件中心的相对位置；
（3）计算第一个光学元件中心与测量用相机视场中心的相对位置，移动二维位移平台将该元件移动到测量用相机的视场范围内，拍摄单个光学元件的图像，采用尺寸测量算法计算得到元件的尺寸，通过与检测标准对比判断产品是否合格；
（4）根据各个光学元件的相对位置，移动二维位移平台依次拍摄其余光学元件的图像并进行测量。
4.根据权利要求书3所述的密集波分复用器自动装配中光学元件的定位算法，其特征在于，通过对定位用相机采集到的图像进行处理，同时定位到整盘光学元件的所在的位置，具体的定位实现方法为：
（1）将原始图像转换成灰度图，再使用自适应阈值法将灰度图转化成二值图像，将光学元件与图像背景分割开；
（2）对二值化图像进行膨胀操作和腐蚀操作，去除图像中不属于光学元件的杂质点；
（3）对处理后的二值化图像进行轮廓检测，检测得到各个光学元件的轮廓；
（4）计算各个轮廓的最小包围矩形；
（5）根据最小包围矩形计算得到各个光学元件的中心位置；
（6）进行标定，得到各光学元件实际坐标位置和相对位置。
5.根据权利要求书3所述的密集波分复用器自动装配中光学元件的尺寸测量算法，其特征在于，可以实现对装配中使用到的斜方棱镜、滤光片等多种不同规格的光学元件的尺寸检测，具体的检测实现方法为：
（1）将测量用相机采集到的图像转换成灰度图；
（2）对得到的灰度图进行中值滤波，减小图像噪声；
（3）对滤波后的图像进行自适应阈值分割得到二值化图像，将检测的目标光学元件与背景图像分割开来；
（4）对二值化后的光学元件图像进行膨胀操作和腐蚀操作，去除图像中不属于光学元件的杂质点；
（5）分别从左、右两个方向对图像进行扫描，得到光学元件的所有边界点，将整体轮廓分为左轮廓和右轮廓；
（6）任取其中一个边界点S，计算所有边界点与边界点S之间的距离，得到与边界点S之间距离最长的点记为角点A；
（7）计算所有边界点与角点A之间的距离，得到距离最长的点记为角点B；
（8）计算所有边界点与角点A和角点B之间的距离之和，得到距离最长的点记为角点C；
（9）计算所有边界点与角点A、角点B和角点C之间的距离之和，得到距离最长的点记为角点D；
（10）使用冒泡排序法按照点的x坐标从小到大的顺序对角点A、B、C、D进行排序，排序后的四个角点按顺序记为A'，B'、C'、D'；
（11）分别从图像的上、下两个方向再次对图像进行扫描，将光学元件的整体轮廓分为上轮廓和下轮廓；
（12）综合四个角点坐标以及四个方向扫描得到的光学元件的轮廓点的坐标信息，判断所有的点是位于边A'B'、边B'C'、边C'D'还是边D'A'上，将其分为四组；
（13）对位于边A'B'、边B'C'、边C'D'以及边D'A'上的四组点进行最小二乘直线拟合，得到四条边的直线方程：通过两两求两条直线间的交点得到更为准确的光学元件的四个角点坐标，通过两两求直线间的夹角得到光学元件四边的夹角；
（14）进行尺寸标定，计算得到图像上x方向和y方向一个像素对应的实际长度，根据标定结果和交点坐标计算得到光学元件各边的实际长度；
（15）通过对计算得到的光学元件四边的长度和夹角与二维码扫描得到光学元件尺寸检测标准作对比，可以判断该原件是否合格。
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