CN111855695B - 工件侧周成像*** - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种工件侧周成像***，包括：超远心镜头；锥形杯，包括：可反射光线的内壁及第一开口，所述第一开口朝向所述超远心镜头；以及发光体，设置于所述锥形杯内部。

Description

工件侧周成像***
技术领域
本公开涉及工件缺陷检测技术领域，尤其涉及一种工件侧周成像***。
背景技术
目前，在对圆柱面(例如圆片形状工件的侧周)进行缺陷检测时，通常需要采用多个相机分别对工件的侧周进行成像，该方式导致***过于复杂且成本高。或者，使用超远心镜头，并通过平面板光源或普通环形光源进行打光的方式对工件侧周进行成像，但该方式对于工件侧周表面较小的缺陷无法清晰成像，导致较高的漏检概率。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种工件侧面成像***。
本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。
根据本公开的一个方面，提供一种工件侧周成像***，包括：超远心镜头；锥形杯，包括：可反射光线的内壁及第一开口，所述第一开口朝向所述超远心镜头；以及发光体，设置于所述锥形杯内部。
根据本公开的一实施方式，所述超远心镜头的光轴与所述锥形杯的中轴线在同一直线上；或者，所述超远心镜头的光轴与所述锥形杯的中轴线形成的夹角小于或等于10度，所述锥形杯形成的锥尖点距离所述超远心镜头的光轴小于或等于10毫米。
根据本公开的一实施方式，所述发光体的中心相对所述锥形杯形成环形虚像，所述环形虚像中心位于所述超远心镜头的入瞳中心。
根据本公开的一实施方式，所述发光体包括两个发光区或三个发光区，分别发射红色、绿色或蓝色光线。
根据本公开的一实施方式，所述发光体包括下述发光体中的一种：球形发光体、柱形发光体或平面发光体。
根据本公开的一实施方式，所述发光体包括两个发光区或三个发光区，分别发射红色、绿色或蓝色光线。
根据本公开的一实施方式，所述发光体在所述锥形杯的周向上居中设置。
根据本公开的一实施方式，所述发光体的中心线与所述锥形杯的中轴线在同一直线上。
根据本公开的一实施方式，所述锥形杯的锥面与中轴线的夹角为45度。
根据本公开的一实施方式，所述锥形杯的内壁为镜面。
根据本公开的一实施方式，所述锥形杯还包括第二开口，所述第二开口设置于所述锥形杯的底部，且所述第二开口的面积小于所述第一开口的面积。
根据本公开的一实施方式，所述工件侧周成像***还包括：玻璃台，设置于所述超远心镜头与所述锥形杯之间。
根据本公开的一实施方式，待成像表面为柱面且柱面轴线与所述超远心镜头的光轴共线时，所述环形虚像的半径设置为所述柱面曲率半径的两倍。
根据本公开实施例提供的工件侧周成像***，在使用超远心镜头为工件侧周成像时，以具有可反射光线内壁的锥形杯与发光体的组合来替换常规的普通环形光源或板光源，可以显著提升工件侧周缺陷的成像展现力，尤其显著提升圆柱面上0.1mm级别细微缺陷的成像展现力。普通的环形光源或板光源在为超远心镜头拍照提供光源时，无法对工件侧周尤其是圆柱面(例如圆片侧面)上的细微缺陷进行清晰成像，而以具有可反射光线内壁的锥形杯与发光体来为超远心镜头提供拍照所需的光源，利用锥形杯的反射特性，反射至待测工件侧周的光线角度有限集中，避免了多余角度光线抑制细微缺陷的展现，同时，经由待测工件侧周进一步反射至超远心镜头的光线角度与超远心镜头匹配，从而可以显著提升工件侧周缺陷的成像展现力，尤其显著提升圆柱面上0.1mm级别细微缺陷的成像展现力。进而在基于工件侧周图像进行工件侧周缺陷检测时，可以避免漏检工件侧周细微的缺陷，降低漏检概率。
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，并不能限制本公开。
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，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据一示例示出的超远心镜头的成像示意图。
图2A是根据一示例性实施例示出的一种工件侧周成像***的立体示意图。
图2B是根据一示例性实施例示出的一种工件侧周成像***的侧视图。
图2C是根据一示例性实施例示出的一种锥形杯的示意图。
图3A是根据一示例性实施例示出的超远心镜头21的光轴L1与锥形杯22的中轴线L2之间关系的示意图。
图3B是根据另一示例性实施例示出的超远心镜头21的光轴L1与锥形杯22的中轴线L2之间关系的示意图。
图3C是根据再一示例性实施例示出的超远心镜头21的光轴L1与锥形杯22的中轴线L2之间关系的示意图。
图3D是根据再一示例性实施例示出的超远心镜头21的光轴L1与锥形杯22的中轴线L2之间关系的示意图。
图4A分别是根据一示例性实施例示出的发光体相对锥形杯形成的环形虚像的俯视图。
图4B分别是根据一示例性实施例示出的发光体相对锥形杯形成的环形虚像的侧视图。
图4C是根据一示例性实施例示出的待测工件表面为柱面时的示意图。
图4D是根据一示例性实施例示出的待测工件为圆片时的示意图。
图5A是根据一示例性实施例示出的发光体23的示意图。
图5B是根据另一示例性实施例示出的发光体23的示意图。
图5C是根据再一示例性实施例示出的发光体23的示意图。
图6A是根据一示例性实施例示出的发光体23的中心线L4与锥形杯22的中轴线L2之间关系的示意图。
图6B是根据另一示例性实施例示出的发光体23的中心线L4与锥形杯22的中轴线L2之间关系的示意图。
图6C是根据再一示例性实施例示出的发光体23的中心线L4与锥形杯22的中轴线L2之间关系的示意图。
图7A是根据一示例性实施例示出的发光体23的发光面包含两个色块的示意图。
图7B是根据另一示例性实施例示出的发光体23的发光面包含两个色块的示意图。
图8A是根据一示例性实施例示出的发光体23的发光面包含三个色块的示意图。
图8B是根据另一示例性实施例示出的发光体23的发光面包含三个色块的示意图。
图9是根据一示例性实施例示出的另一种锥形杯的侧视图。
图10是根据一示例性实施例示出的另一种工件侧周成像***的立体示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
在本公开的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
此外，在本公开的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
普通镜头(包括人眼)都是以发散视角对物体成像，远心镜头是以平行视角对物体进行成像。而超远心镜头(Hypercentric Lens/Pericentric Lens)提供了被摄对象的会聚视图，也即拍摄到的图像是聚合式的。区别于其他镜头，超远心镜头可以对平行于光轴的物体表面成像，也即可以同时在图像中看到被摄对象的顶部和侧面。
图1是根据一示例示出的超远心镜头的成像示意图。如图1所示，在使用超远心镜头1对被摄对象2(图中以瓶盖为例)进行成像时，在拍摄的图像3中，不仅包含对应被摄对象2顶部201的顶部图像301，还包含了对应被摄对象2侧周202的侧周图像302。被摄对象2的侧周202平行于光轴4。
超远心镜头的该功能避免了在机器视觉检测或鉴别应用中需要使用多台相机或多个反射镜，可有效降低工件检测***的复杂度。
作为一个新兴技术，超远心镜头开始被应用于工件侧周成像或缺陷检测***中。但是，虽然超远心镜头在应用于工件侧周缺陷检测时，具有如上优势，而在实际应用时，本公开的发明人发现如果将超远心镜头与工件侧周缺陷***中常用的普通环形光源或板光源结合使用时，拍摄的工件(尤其是圆片形状工件)侧周图像不清晰，对于工件侧周表面上的缺陷，尤其是侧周上的小缺陷无法清晰成像，造成缺陷漏检；有时甚至根本拍摄不到工件侧周的图像。
因此，需要设计一套工件成像***，有效利用超远心镜头的优势，通过使用可适用于各种类型工件的光源，来提供高质量的工件侧周图像，尤其是圆柱面(例如圆片侧周、半圆片的弧形侧周部分)的高质量图像。
下面结合附图，说明本公开实施例提供的工件成像***。
图2A是根据一示例性实施例示出的一种工件侧周成像***的立体示意图。图2B是根据一示例性实施例示出的一种工件侧周成像***的侧视图。
参考图2A和图2B，工件成像***20包括：超远心镜头21、锥形杯22及发光体23。其中，超远心镜头21竖直放置。
如图2A所示，锥形杯22呈圆锥体形状，包括：可反射光线的内壁221及开口222。其中，开口222朝向超远心镜头21。
锥形杯22的内壁221由可反射光线的材料制成，例如内壁221可以为镜面等，但本公开不以此为限，锥形杯22的内壁221也可以由其他可反射光线的材料制成，同时在内壁221上具备均匀的粗糙度。
在一些实施例中，如图2C所示，锥形杯22的锥面224与其中轴线L2之间的夹角θ如可以被设置为45度。
待测工件Wp可以被置于发光体23与超远心镜头21之间。发光体23被设置于锥形杯22的内部，发光体23发出的光线被锥形杯22的内壁221进行反射，并通过开口222射向待测工件Wp，从而在通过超远心镜头为待测工件Wp摄像时提供光源。
根据本公开实施例提供的工件侧周成像***，在使用超远心镜头为工件侧周成像时，以具有可反射光线内壁的锥形杯与发光体的组合来替换常规的普通环形光源或板光源，可以显著提升工件侧周缺陷的成像展现力，尤其显著提升圆柱面上0.1mm级别细微缺陷的成像展现力，普通的环形光源或板光源在为超远心镜头拍照提供光源时，无法对工件侧周尤其是圆柱面(例如圆片侧面)上的细微缺陷进行清晰成像，而以具有可反射光线内壁的锥形杯与发光体来为超远心镜头提供拍照所需的光源，利用锥形杯的反射特性，反射至待测工件侧周的光线角度有限集中，避免了多余角度光线抑制细微缺陷的展现，同时，经由待测工件侧周进一步反射至超远心镜头的光线角度与超远心镜头匹配，从而可以显著提升工件侧周缺陷的成像展现力，尤其显著提升圆柱面上0.1mm级别细微缺陷的成像展现力。进而在基于工件侧周图像进行工件侧周缺陷检测时，可以避免漏检工件侧周细微的缺陷，降低漏检概率。
图3A-图3D分别是根据一示例性实施例示出的超远心镜头21的光轴L1与锥形杯22的中轴线L2之间关系的示意图。
在一些实施例中，超远心镜头21的光轴L1与锥形杯22的中轴线L2大致在一条直线上。所述大致在一条直线上，例如可以如图3A所示，超远心镜头21的光轴L1与锥形杯22的中轴线L2完全重合，也即光轴L1与中轴线L2在一条直线上。或者，也可以如图3B所示，超远心镜头21的光轴L1与锥形杯22的中轴线L2平行设置，且两者之间的距离D1不超过一第一预设距离，该第一预设距离例如可以为1毫米～10毫米之间的取值，该第一预设距离的大小在实际应用时，可以根据实际需求来设定。
在一些实施例中，超远心镜头21的光轴L1与锥形杯22的中轴线L2之间还可以相交设置，例如图3C所示，两者之间形成的夹角α小于或等于一第一预设角度，该第一预设角度例如可以为10度，同时，如图3D所示，锥形杯22的锥尖O1与超远心镜头光轴L1之间的距离D2不超过一第二预设距离，该第二预设距离例如为10毫米，但本公开不以此为限，该第一预设角度与第二预设距离的大小在实际应用时，可以根据实际需求来设定。
图4A和图4B分别是根据一示例性实施例示出的发光体相对锥形杯形成的环形虚像的俯视图和侧视图。
参考图4A和图4B所示，发光体23的中心O2相对锥形杯22会形成一环形虚像G1。如图4B所示的锥形杯的侧视图，环形虚像G1的中心O3大致位于超远心镜头21的入瞳中心Cp的位置，也即环形虚像G1的中心O3与超远心镜头21的入瞳中心Cp的位置大致重合，此时，环形虚像G1所在平面与超远心镜头21的光轴L1大致垂直。所述大致重合是指环形虚像G1的中心O3与超远心镜头21的入瞳中心Cp如可以完全重合，或者也可以相距不超过一第三预设距离，该第三预设距离例如可以为1毫米～10毫米之间的取值，该第三预设距离的大小在实际应用时，可以根据实际需求来设定。所述大致垂直是指环形虚像G1所在平面与超远心镜头21的光轴L1如可以完全垂直，或者也可以之间角度不超过第二预设角度，该第二预设角度例如可以为1度～10度之间的取值，该第四预设距离的大小在实际应用时，可以根据实际需求来设定。
超远心镜头21的入瞳中心Cp又可以称为聚焦点(Convergence Point，CP)，例如可以通过试验的方法确定。如在超远心镜头21的安装CCD靶面的位置替换安装平板光源，此时镜头为出光结构。在镜头前放置一张白纸，白纸与镜头前端之间的距离不同，光斑大小也不相同。当光斑直径趋近光点(即最小面积)时，此光斑(光点)位置即为如图4B所示的入瞳中心Cp的位置。
图4C是根据一示例性实施例示出的待测工件表面为柱面时的示意图。
在一些实施例中，以待测工件的表面为柱面(如图4C中的S2)为例，该柱面的轴线为L5，当轴线L5与与超远心镜头21的光轴L1大致共线时，环形虚像G1的半径Rg设置为柱面S2曲率半径Rs的两倍。例如，可以通过调整发光体23在锥形杯22中的位置来设置，或者可以通过调整锥形杯22的锥角(锥面相对于中轴线的角度)来设置。
上述环形虚像G1的半径Rg设置为柱面S2曲率半径Rs的两倍，是指大致的两倍，可以是准确的两倍关系，也可以存在一定偏差，例如1mm～10mm，具体的数值可以根据实际需求或根据成像效果调整设定。
所述大致共线，例如可以完全重合；或者也可以为平行设置，且两者之间的距离不超过一预设距离，该预设距离例如可以为1毫米～10毫米之间的取值，该预设距离的大小在实际应用时，可以根据实际需求来设定；或者还可以相交设置，两者之间形成的夹角小于或等于一预设角度，该预设角度例如可以为10度，同时，待测工件Wp与光轴垂直的横截面与柱面轴线的交点距离超远心镜头光轴不超过一预设距离，该预设距离例如为10毫米，但本公开不以此为限，该预设角度与预设距离的大小在实际应用时，可以根据实际需求来设定。
图4D是根据一示例性实施例示出的待测工件为圆片时的示意图。
在一些实施例中，作为具有柱面的工件的特例，当待测工件Wp为圆片形状且圆片工件Wp的中心线L3与超远心镜头21的光轴L1大致共线时，环形虚像G1的半径Rg设置为圆片工件Wp半径Rw的两倍。例如，可以通过调整发光体23在锥形杯22中的位置来设置，或者可以通过调整锥形杯22的锥角(锥面相对于中轴线的角度)来设置。
上述环形虚像G1的半径Rg设置为圆片工件Wp半径Rw的两倍，是指大致的两倍，可以是准确的两倍关系，也可以存在一定偏差，例如1mm～10mm，具体的数值可以根据实际需求或根据成像效果调整设定。
所述大致共线，例如可以完全重合，或者，也可以平行设置，且两者之间的距离不超过一预设距离，该预设距离例如可以为1毫米～10毫米之间的取值，该预设距离的大小在实际应用时，可以根据实际需求来设定；或者还可以相交设置，两者之间形成的夹角小于或等于一预设角度，该预设角度例如可以为10度，同时，待测工件Wp与光轴垂直的横截面与柱面轴线的交点距离超远心镜头光轴不超过一预设距离，该预设距离例如为10毫米，但本公开不以此为限，该预设角度与预设距离的大小在实际应用时，可以根据实际需求来设定。
图5A-图5C分别是根据一示例性实施例示出的几种发光体23的示意图。
在一些实施例中，发光体23例如可以分别如图5A所示为球形发光体、或者如图5B所示为柱形发光体、再或者如图5C所示为平面发光体等。
图6A-图6C分别是根据一示例性实施例示出的发光体23的中心线L4与锥形杯22的中轴线L2之间关系的示意图。
在一些实施例中，发光体23如可以在锥形杯21的周向上居中设置。发光体23的中心线L4与锥形杯22的中轴线L2平行设置，且大致在同一直线上。所述大致在同一直线上，例如可以如图6A所示，发光体23的中心线L4与锥形杯22的中轴线L2完全在一直线上。或者，也可以如图6B所示，发光体23的中心线L4与锥形杯22平行设置，且两者之间的距离D3不超过一预设距离，该预设距离例如可以为1毫米～10毫米之间的取值，该预设距离的大小在实际应用时，可以根据实际需求来设定。
在一些实施例中，超远心镜头21的光轴L1与发光体23的中心线L4之间还可以相交设置，例如图6C所示，两者之间形成的夹角β小于或等于一预设角度，该预设角度例如可以为10度，同时，如图6C所示，锥形杯22的锥尖O1与超远心镜头光轴L1之间的距离D4不超过一预设距离，该预设距离例如为10毫米，但本公开不以此为限，该预设角度与预设距离的大小在实际应用时，可以根据实际需求来设定。
发光体23可以包括多个发光区，例如包括两个发光区或三个发光区，分别发射红色、绿色或蓝色光线。
图7A和图7B分别是根据一示例性实施例示出的发光体23的发光面包含两个色块的示意图。
如图7A所示，发光体23的发光面以圆形为例，包括两个色块A1和A2。色块A1和A2例如可以为红色色块和绿色色块，或者也可以为红色色块和蓝色色块、蓝色色块和绿色色块，本公开不以此为限。两个色块A1和A2如图所示并列排布。类似地，图7B中的发光体23的发光面以正方形为例，两个色块A1和A2如图所示并列排布。
图7A和图7B中所示的两个色块A1和A2相对于发光体23发光面的几何中心Cr均为非对称的。
图8A和图8B分别是根据一示例性实施例示出的发光体23的发光面包含三个色块的示意图。如图8A所示，发光体23的发光面仍以圆形为例，包括三个色块A1、A2和A3。色块A1、A2和A3例如可以为红色色块、绿色色块和蓝色色块。三个色块A1、A2和A3如图所示呈Y形排布。类似地，图8B中的发光体23的发光面以正方形为例，三个色块A1、A2和A3如图所示呈Y形排布。
图8A和图8B中所示的三个色块A1、A2和A3如图所示呈Y形排布相对于发光体23的发光面的几何中心Cr均为非对称的。
进一步说明，当发光体23不是平面发光体，而是例如球体、立方体等立体发光体时，所述两个或三个发光区的排布方案可以为：在锥形杯22的中轴线L2方向将发光体23视为一个平面，然后依据图7A、图7B、图8A、图8B排布所述两个或三个发光区。
图9是根据一示例性实施例示出的另一种锥形杯的侧视图。如图9所示，锥形杯92除了包括可反射光线的内壁221及开口222外，还包括开口923。其中，开口923设置于锥形杯92的底部，因此开口923的面积小于开口222的面积。在该实施例中，锥形杯92的锥尖O1位于锥壁延长后的虚拟交点上。
图10是根据一示例性实施例示出的另一种工件侧周成像***的立体示意图。如图10所示，工件侧周成像***100还包括：玻璃台104，设置于超远心镜头21与锥形杯22之间，用于承载待测工件。玻璃台104例如可以上下移动或左右平移，从而可以调整其上承载的待测工件的位置。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本公开旨在涵盖本公开的任何变型、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公开的一般性原理并包括本公开未公开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，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (9)

1.一种工件侧周成像***，其特征在于，包括：
超远心镜头；
锥形杯，包括：可反射光线的内壁及第一开口，所述第一开口朝向所述超远心镜头；以及
发光体，设置于所述锥形杯内部；
所述超远心镜头的光轴与所述锥形杯的中轴线在同一直线上；或者，所述超远心镜头的光轴与所述锥形杯的中轴线形成的夹角小于或等于10度，所述锥形杯形成的锥尖点距离所述超远心镜头的光轴小于或等于10毫米；
其中，所述发光体在所述锥形杯的周向上居中设置，所述锥形杯的锥面与中轴线的夹角为45度。
2.根据权利要求1所述的工件侧周成像***，其特征在于，所述发光体的中心相对所述锥形杯形成环形虚像，所述环形虚像中心位于所述超远心镜头的入瞳中心。
3.根据权利要求1所述的工件侧周成像***，其特征在于，所述发光体包括两个发光区，分别发射红色和绿色、红色和蓝色、或蓝色和绿色光线。
4.根据权利要求1-3任一项所述的工件侧周成像***，其特征在于，所述发光体包括下述发光体中的一种：球形发光体、柱形发光体或平面发光体。
5.根据权利要求1所述的工件侧周成像***，其特征在于，所述发光体包括三个发光区，分别发射红色、绿色或蓝色光线。
6.根据权利要求1-3任一项所述的工件侧周成像***，其特征在于，所述锥形杯的内壁为镜面。
7.根据权利要求1-3任一项所述的工件侧周成像***，其特征在于，所述锥形杯还包括第二开口，所述第二开口设置于所述锥形杯的底部，且所述第二开口的面积小于所述第一开口的面积。
8.根据权利要求1-3任一项所述的工件侧周成像***，其特征在于，还包括：玻璃台，设置于所述超远心镜头与所述锥形杯之间。
9.根据权利要求2所述的工件侧周成像***，其特征在于，待成像表面为柱面且柱面轴线与所述超远心镜头的光轴共线时，所述环形虚像的半径设置为所述柱面曲率半径的两倍。
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