CN112652007A - 透明基板内部二维码深度测量***和测量方法 - Google Patents

透明基板内部二维码深度测量***和测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种透明基板内部二维码深度测量***和测量方法，通过获取透明基板内部不同位置处的二维码图像并计算最佳清晰度图像所对应的Z轴高度，然后通过该Z轴高度和激光位移传感器采集的高度变化值，计算得到二维码深度，再通过blob分析得到所有二维码码点的面积和码点数，计算出单个码点的大小，从而实现准确、高效的进行透明基板内部二维码深度的测量及二维码码点一致性的测量。

Description

透明基板内部二维码深度测量***和测量方法
技术领域
本发明涉及透明基板内部二维码检测技术领域，尤其涉及透明基板内二维码深度测量、二维码单个码点大小测量，具体为一种透明基板内部二维码深度测量***和测量方法。
背景技术
目前随着5G的发展，越来越多的手机、手表的前后盖使用透明材质，如玻璃、蓝宝石等。利用这些材质加工时，从原材料到成品，涉及到的工艺制程繁多，为了追溯产品在整个制程中的状态，需要在透明材质距离表面指定深度用激光内雕出一个肉眼不可见的二维码。而为有效衡量这种隐藏于透明基板内部的二维码其肉眼可以分辨的程度，以及二维码的赋码效果，测量二维码深度及二维码码点一致性的需求应运而生。
经检索发现，现有技术存在一些测量玻璃基本内部二维码深度的文献，如公开号CN110502947A的中国专利于2019年11月26日公开的一种测量信息码深度的***，包括：发射激光器、第一成像装置、点光源、第二成像装置以及PC终端。发射激光器用于发射结构光；第一成像装置用于获取经透明基板反射的结构光的结构光图像，并将结构光图像传输给PC终端，以使PC终端根据结构光图像确定透明基板上表面的位置，并控制第二成像装置从上表面的位置开始，按照预设间距从上至下获取不同位置处的信息码图像，以及还用于根据第二成像装置获取到的不同位置处的信息码图像确定获取信息码的最佳聚焦位置，并根据最佳聚焦位置计算出信息码所在位置到透明基板上表面的距离。该专利申请在测量二维码深度时，利用结构光图像定位基板上表面的起始位置，结构光调试过程繁琐，对于不同厚度的基板，需要重新定位上表面的位置，导致检测时间过长，另外，其需要占用较大的空间进行结构光调试，导致设备体积较大。
又如，公开号CN111445516A的中国专利于2020年7月4日公开的一种玻璃基板内部二维码深度测量方法，包括控制相机沿垂直于玻璃基板的第一表面的方向靠近玻璃基板。相机多次拍摄二维码，以得到多个二维码的图像。并多次记录相机的累计位移长度。计算每个二维码的图像的聚焦反馈值。图像的清晰反映了聚焦情况。根据多个聚焦反馈值和多个累计位移长度得到二维码的实像和二维码的虚像之间的两像距离。在获取厚度、折射率和两像距离后，根据厚度、折射率和两像距离即可得到二维码到第一表面的深度。该专利申请在测量二维码深度时，其搜索二维码实像和虚像的过程存在搜索区域过大，检测时间过长的问题，导致检测效率较低。
可见，上述现有方案虽然能够进行二维码深度测量，但是在测量***的调试过程、测量效率等方面都有待进一步改进，并且前述方案都不能对二维码码点的一致性进行测量，无法衡量赋码效果，因此，有必要提供一种二维码测量方法，能够准确、高效进行透明基板内部二维码的深度测量及二维码码点的一致性测量。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种透明基板内部二维码深度测量***及测量方法，通过获取透明基板内部不同位置处的二维码图像并计算最佳清晰度图像所对应的Z轴高度，然后通过该Z轴高度和透明基板上表面的高度变化值，计算得到二维码深度，并通过blob分析得到所有二维码码点的面积和码点数，计算出单个码点的大小，实现准确、高效的进行透明基板内部二维码深度的测量及二维码码点一致性的测量。
根据本发明说明书的一方面，提供一种透明基板内部二维码深度测量***，所述***包括：激光位移传感器、成像装置、高精度运动Z轴、环形光源、XY运动平台和工控机；
所述激光位移传感器，位于透明基板上方且垂直于XY运动平台，用于获取透明基板上表面的高度值并将获取的高度值传输给工控机；
所述成像装置，位于垂直于透明基板的高精度运动Z轴上且可相对于Z轴方向上下移动，用于根据工控机的控制从上至下获取透明基板内不同位置处的二维码图像，并将获取的二维码图像传输给工控机；
所述环形光源，放置于XY运动平台下方且位于透明基板底部，用于发射环形光，以照亮透明基板内的二维码；
所述XY运动平台，放置有透明基板，用于移动使激光位移传感器聚焦到二维码所在区域的基板表面，以及配合高精度运动Z轴一起移动使成像装置聚焦到二维码所在区域的基板表面；
所述工控机，用于控制成像装置从设定的透明基板初始表面位置开始，按照预设定的间距和步数从上至下获取不同位置处的二维码图像，并根据能量梯度算法，计算出每张图像的清晰度，得到最佳清晰度图像所对应的Z轴高度；然后依据该Z轴高度和透明基板上表面的高度变化值，计算得到二维码深度。
上述技术方案中，利用成像装置获取透明基板内不同位置处的二维码图像，并计算每张图像的清晰度，得到最佳清晰度图像所对应的Z轴高度；再利用激光位移传感器获取的数据计算透明基板上表面的高度变化值，利用该高度变化值和Z轴高度计算得到二维码深度。
作为进一步的技术方案，所述工控机，还用于根据成像装置聚焦到透明基板表面时的Z轴高度确定透明基板上表面的初始位置，同时根据激光位移传感器聚焦到透明基板表面时采集的高度值确定测量的初始高度。所述初始高度可归零。
检测前，所述初始位置和初始高度配置在工控机内；检测过程中，当成像装置完成二维码图像拍摄后，工控机控制XY运动平台移动到使激光位移传感器聚焦到二维码所在区域的基板表面的位置，激光位移传感器采集透明基板上表面的高度，该高度与初始高度之间的变化量为待测透明基板相对于初始透明基板的高度变化值。此时，激光位移传感器采集的高度值是正数说明待测透明基板相对于初始基板变薄，反之说明待测透明基板变厚。
作为进一步的技术方案，所述工控机，还用于利用blob分析得到所有二维码码点的面积和码点数，计算出单个码点的大小。
作为进一步的技术方案，所述激光位移传感器安装在固定转接板上且不随成像装置移动。激光位移传感器与成像装置并列垂直布设在透明基板上方，其中，激光位移传感器固定不可动，成像装置可沿Z轴方向上下移动。激光位移传感器主要用于获取透明基板上表面的高度，当成像装置完成二维码的找寻及拍照过程后，工控机控制XY运动平台运动，使激光位移传感器聚焦到二维码所在区域的基板表面并采集透明基板上表面的高度值，工控机根据该高度值和初始高度值得到透明基板上表面的高度变化值。
进一步地，所述激光位移传感器具有30*100um宽光斑且定位精度0.25um。
作为进一步的技术方案，所述成像装置采用0.5倍镜头加10倍镜头的组合镜头，所述组合镜头的总放大倍率为5倍，景深为3.7um。
作为进一步的技术方案，所述环形光源置于透明基板底部；所述环形光源的位置和高度可调。通过调整环形光源的位置和高度，使环形光能够完全点亮透明基板内的二维码。
根据本发明说明书的一方面，提供一种透明基板内部二维码深度的测量方法，利用所述的测量***实现，所述方法包括：
控制成像装置从透明基板的上表面开始，按照预设定的间距和步数从上至下获取不同位置处的二维码图像；
根据能量梯度算法，计算出每张图像的清晰度，得到最佳清晰度图像所对应的Z轴高度；
依据该Z轴高度和透明基板上表面的高度变化值，计算得到二维码深度。
作为进一步的技术方案，所述方法进一步包括：调整环形光源的位置和高度，使环形光源能够完全点亮透明基板中的二维码。
作为进一步的技术方案，所述方法进一步包括：
利用环形光源发射环形光，照亮透明基板中的二维码；
调节XY运动平台和高精度运动Z轴，使成像装置找到二维码所在区域并聚焦到二维码所在区域的基板表面，记录XY运动平台和高精度运动Z轴所对应的3个电机的坐标，并根据成像装置聚焦到透明基板表面时的Z轴高度确定测量的初始表面位置；
调节XY运动平台，使激光位移传感器聚焦到透明基板的表面，记录此时XY运动平台所对应的电机的坐标，并根据激光位移传感器聚焦到透明基板表面时采集的高度值确定测量的初始高度。
进一步地，依据待测透明基板最佳清晰度图像所对应的Z轴高度、基板上表面的初始位置、透明基板折射率、待测透明基板相对于初始基板的上表面的高度变化值，计算得到待测透明基板的二维码深度。
作为进一步的技术方案，所述方法进一步包括：通过blob分析得到所有二维码码点的面积和码点数，计算出单个码点的大小。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过获取透明基板内部不同位置处的二维码图像并计算最佳清晰度图像所对应的Z轴高度，然后通过该Z轴高度和透明基板的高度变化值，计算得到二维码深度，再通过blob分析得到所有二维码码点的面积和码点数，计算出单个码点的大小，从而实现准确、高效的进行透明基板内部二维码深度的测量及二维码码点一致性的测量。
(2)本发明将成像装置聚焦到初始基板表面时的基板表面作为测量的初始位置，将激光位移传感器聚焦到初始基板表面时采集的高度作为测量的初始高度，测量时，先得到最佳清晰图像对应的Z轴高度，然后得到待测基板的高度，通过最佳清晰度图像的Z轴高度、初始位置的Z轴高度、初始高度及待测基板高度的结合来计算得到二维码的深度，通过待测基板相对于初始基板的高度变化值对二维码深度测量结果进行修正，得到准确的二维码深度，该过程操作简单，只需要在测量前的配置步骤中记录下上初始表面位置和基板初始高度即可，无需每次测量进行初始位置的定位，适用于不同厚度透明基板内的二维码深度测量。
(3)对于同一产线产品的二维码深度测量，本发明将能够使成像装置聚焦到透明基板表面的XY运动平台及高精度运动Z轴的坐标记录并传输给工控机，将能够使激光位移传感器聚焦到透明基板表面的XY运动平台的坐标记录并传输给工控机，在测量过程中，由工控机控制成像装置与透明基板、激光位移传感器与透明基板之间的相对位置，无需在进行成像装置和激光位移传感器的聚焦调试，实现一键测量，提高测量效率。
附图说明
图1为根据本发明实施例的透明基板内部二维码深度测量***的结构示意图。
图2为根据本发明实施例的透明基板内部二维码深度测量***的使用流程图。
图3为根据本发明实施例的透明基板内部二维码深度及码点大小测量方法的流程示意图。
图中：1、透明基板；2、激光位移传感器；3、成像装置；4、高精度运动Z轴；5、环形光源；6、XY运动平台；7、工控机。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
在本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明的限制。此外，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所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，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。
一方面，本发明提供一种透明基板1内部二维码深度测量***，如图1所示，所述***包括：激光位移传感器2、成像装置3、高精度运动Z轴4、环形光源5、XY运动平台6和工控机7。其中，激光位移传感器2安装在固定转接板上，位于透明基板1上方且垂直于透明基板1，不跟随成像装置3上下移动；激光位移传感器2通过总线连接到工控机7。成像装置3固定在高精度运动Z轴4上，垂直于透明基板1的上方；成像装置3在电机的驱动下可相对于Z轴方向上下移动；高精度运动Z轴4和成像装置3通过总线连接到工控机7。透明基板1通过治具吸附在XY运动平台6上。环形光源5，置于XY运动平台6下方，XY运动平台6中间是镂空25mm*30mm，方便环形光穿过透明基板1。二维码大小一般为0.4mm*0.4mm，只需要二维码处于镂空区域，环形光即可照亮二维码。
具体地，所述激光位移传感器2，用于获取透明基板1上表面的高度值并将获取的高度值传输给工控机7。所述成像装置3，用于根据工控机7的控制从上至下获取透明基板1内不同位置处的二维码图像，并将获取的二维码图像传输给工控机7。所述环形光源5，用于发射环形光，以照亮透明基板1内的二维码。所述XY运动平台6，用于移动使激光位移传感器2聚焦到二维码所在区域的基板表面，以及配合高精度运动Z轴4一起移动使成像装置3聚焦到二维码所在区域的基板表面。所述工控机7，用于控制成像装置3从设定的透明基板1初始表面位置开始，按照预设定的间距和步数从上至下获取不同位置处的二维码图像，并根据能量梯度算法，计算出每张图像的清晰度，得到最佳清晰度图像所对应的Z轴高度；然后依据该Z轴高度和透明基板1上表面的高度变化值，计算得到二维码深度。
所述工控机7还用于在***配置过程中，根据成像装置3聚焦到透明基板1内二维码所在区域的表面时的Z轴高度确定透明基板1上表面的初始位置，同时根据激光位移传感器2聚焦到透明基板1内二维码所在区域的表面时采集的高度值确定测量的初始高度。
在获得透明基板1内不同位置处的二维码图像后，所述工控机7还用于读取二维码内容，并利用blob分析得到所有二维码码点的面积和码点数，计算出单个码点的大小。
由于透明基板1表面可能有灰尘，且传统远心镜头景深已经超过了定位精度，因此，本发明实施例中，通过宽光斑(30*100um)定位精度0.25um的激光位移传感器2来测量透明基板1上表面的高度，该激光位移传感器2的工作距离是15mm±1mm。利用该激光位移传感器2进行表面检测时，如果目标表面在量程范围内，激光位移传感器2指示灯是绿色或者黄色并且web网页上有具体数字显示；如果不在量程范围内，激光位移传感器2指示灯是红色并且web网页上是没有数字显示。
由于镜头的放大倍率和景深成反比，放大倍率越大景深越小。本实施例是测量深度，景深越小越好。因此，所述成像装置3采用0.5倍镜头加10倍镜头的组合镜头，所述组合镜头的总放大倍率为5倍，景深为3.7um。相对于景深大概50um的普通10倍远心镜头而言，本实施例的景深显然更适合深度测量。
如图2所示，上述测量***的配置过程包括：
C100，利用环形光做背光，来照亮透明基板1内的二维码；在此之前，可通过调整环形光源5的位置和高度，使环形光源5能够完全点亮透明基板1中的二维码。
C200，移动XY运动平台6和高精度运动Z轴4，使成像装置3找到二维码所在区域的基板表面并聚焦到该表面，记录XY运动平台6和高精度运动Z轴4的XYZ3个电机的坐标，高精度运动Z轴4的Z电机对应坐标z0所在的平面作为测量的初始表面。成像装置3利用搜寻算法找到透明基板1内二维码所在区域的玻璃表面并聚焦到该表面，记录此时XY运动平台6与高精度运动Z轴4的XYZ3个电机对应的坐标，这样可使得在后面测量同产线产品时，能够由工控机7直接控制成像装置3聚焦到透明基板1二维码所在区域的玻璃表面，无需再重复二维码搜寻过程。
C300，移动XY运动平台6，使基板移动到激光位移传感器2下方且激光位移传感器2聚焦到透明基板1表面，记录此时XY运动平台6的XY电机的对应坐标，并将此时激光位移传感器2采集的高度值归零。这样设置的好处是：成像装置3工作完成后，工控机7可自动控制XY运动平台6移动到激光位移传感器2能够聚焦到透明基板1表面的位置，并进行基板表面高度采集，无需再进行激光位移传感器2的聚焦调试，提高工作效率。
另一方面，如图3所示，本发明提供一种透明基板1内部二维码深度的测量方法，该方法利用前述的测量***完成，所述方法具体包括：
P100，利用成像装置3从透明基板1的上表面开始，按照预设定的间距和步数从上至下获取不同位置处的二维码图像。
P200，根据所述不同位置处的二维码图像确定二维码内容；根据halcon能量梯度算法，计算出每张图像的清晰度，得到最佳清晰度图像所对应的Z轴的电机坐标z1。
P300，获取激光位移传感器2采集的透明基板1上表面的高度变化值h1，h1为激光位移传感器2测量的透明基板1上表面高度与初始高度的差值。
P400，依据所述高度变化值h1、Z轴电机坐标z0和z1，计算得到二维码深度h＝(z1-z0)*a–h1，其中，a为透明基板1折射率；同时，通过blob分析得到所有二维码码点的面积S1和码点数n，计算出单个码点的大小S2＝S1/n。
所述方法进一步包括：调整环形光源5的位置和高度，使环形光源5能够完全点亮透明基板1中的二维码。
所述方法进一步包括：在成像装置3开始工作前，控制XY运动平台6和高精度运动Z轴4运动到记录的坐标位置处；在成像装置3工作结束后，控制XY运动平台6运动到记录的坐标位置处。此过程可由工控机7记录的坐标值一键完成。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。

Claims (10)

1.透明基板内部二维码深度测量***，其特征在于，所述***包括：激光位移传感器、成像装置、高精度运动Z轴、环形光源、XY运动平台和工控机；
所述激光位移传感器，位于透明基板上方且垂直于XY运动平台，用于获取透明基板上表面的高度值并将获取的高度值传输给工控机；
所述成像装置，位于垂直于透明基板的高精度运动Z轴上且可相对于Z轴方向上下移动，用于根据工控机的控制从上至下获取透明基板内不同位置处的二维码图像，并将获取的二维码图像传输给工控机；
所述环形光源，放置于XY运动平台下方且位于透明基板底部，用于发射环形光，以照亮透明基板内的二维码；
所述XY运动平台，放置有透明基板，用于移动使激光位移传感器聚焦到二维码所在区域的基板表面，以及配合高精度运动Z轴一起移动使成像装置聚焦到二维码所在区域的基板表面；
所述工控机，用于控制成像装置从设定的透明基板初始表面位置开始，按照预设定的间距和步数从上至下获取不同位置处的二维码图像，并根据能量梯度算法，计算出每张图像的清晰度，得到最佳清晰度图像所对应的Z轴高度；然后依据该Z轴高度和透明基板上表面的高度变化值，计算得到二维码深度。
2.根据权利要求1所述的透明基板内部二维码深度测量***，其特征在于，所述工控机，还用于根据成像装置聚焦到透明基板表面时的Z轴高度确定透明基板上表面的初始位置，同时根据激光位移传感器聚焦到透明基板表面时采集的高度值确定测量的初始高度。
3.根据权利要求1所述的透明基板内部二维码深度测量***，其特征在于，所述工控机，还用于利用blob分析得到所有二维码码点的面积和码点数，计算出单个码点的大小。
4.根据权利要求1所述的透明基板内部二维码深度测量***，其特征在于，所述激光位移传感器安装在固定转接板上且不随成像装置移动。
5.根据权利要求1所述的透明基板内部二维码深度测量***，其特征在于，所述成像装置采用0.5倍镜头加10倍镜头的组合镜头，所述组合镜头的总放大倍率为5倍，景深为3.7um。
6.根据权利要求1所述的透明基板内部二维码深度测量***，其特征在于，所述环形光源置于透明基板底部；所述环形光源的位置和高度可调。
7.透明基板内部二维码深度的测量方法，利用权利要求1-6中任一项所述的测量***实现，其特征在于，所述方法包括：
控制成像装置从透明基板的上表面开始，按照预设定的间距和步数从上至下获取不同位置处的二维码图像；
根据能量梯度算法，计算出每张图像的清晰度，得到最佳清晰度图像所对应的Z轴高度；
依据该Z轴高度和透明基板上表面的高度变化值，计算得到二维码深度。
8.根据权利要求7所述的透明基板内部二维码深度的测量方法，其特征在于，所述方法进一步包括：调整环形光源的位置和高度，使环形光源能够完全点亮透明基板中的二维码。
9.根据权利要求7所述的透明基板内部二维码深度的测量方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
利用环形光源发射环形光，照亮透明基板中的二维码；
调节XY运动平台和高精度运动Z轴，使成像装置找到二维码所在区域并聚焦到二维码所在区域的基板表面，记录XY运动平台和高精度运动Z轴所对应的3个电机的坐标，并根据成像装置聚焦到透明基板表面时的Z轴高度确定测量的初始表面位置；
调节XY运动平台，使激光位移传感器聚焦到透明基板的表面，记录此时XY运动平台所对应的电机的坐标，并根据激光位移传感器聚焦到透明基板表面时采集的高度值确定测量的初始高度。
10.根据权利要求7所述的透明基板内部二维码深度的测量方法，其特征在于，所述方法进一步包括：通过blob分析得到所有二维码码点的面积和码点数，计算出单个码点的大小。
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