表面隨機(jī)缺陷檢測(cè)的光學(xué)照明問(wèn)題

表面隨機(jī)缺陷檢測(cè)的光學(xué)照明問(wèn)題

1復(fù)雜表面隨機(jī)缺陷檢測(cè)的技術(shù)研究目前，國(guó)內(nèi)外致力于提高產(chǎn)品的表面質(zhì)量，包括產(chǎn)品的表面質(zhì)量和外觀質(zhì)量。因此，避免被動(dòng)測(cè)量受企業(yè)影響，在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。國(guó)外,二十世紀(jì)六七十年代就已開(kāi)始了自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研究?，F(xiàn)在,某些技術(shù),如激光掃描、超聲波掃描技術(shù)、光電檢測(cè)技術(shù)等已相當(dāng)成熟,自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)在這些國(guó)家已相當(dāng)普遍。在我國(guó),自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)與質(zhì)量控制手段仍較薄弱。在自動(dòng)檢測(cè)方法中,表面缺陷的檢測(cè)是一項(xiàng)重要的研究課題,具有一定的技術(shù)難度。在進(jìn)行表面缺陷的檢測(cè)中,經(jīng)常使用面陣CCD光電檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有受環(huán)境電磁場(chǎng)影響小、工作距離大、測(cè)量精度高、成本低、非接觸等特點(diǎn)。但當(dāng)該系統(tǒng)用于強(qiáng)反射復(fù)雜表面隨機(jī)缺陷檢測(cè)時(shí),由于工件表面是光滑金屬層,表面的反射光極強(qiáng),強(qiáng)照度下使得CCD成像的畫(huà)面亮度失真,對(duì)CCD掃描成像有很大的影響。并且工件表面宏觀和微觀幾何形狀變化多樣,表面層的形成種類也很多,表面缺陷是隨機(jī)的,其形狀和尺寸千差萬(wàn)別,也給自動(dòng)檢測(cè)工作帶來(lái)了很大的困難。因此光學(xué)系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分,對(duì)于CCD成像和后期的圖像處理、缺陷識(shí)別工作都具有重要的影響。然而國(guó)內(nèi)外針對(duì)強(qiáng)反射復(fù)雜表面隨機(jī)缺陷檢測(cè)光照系統(tǒng)方面所作的系統(tǒng)研究還比較少。在檢測(cè)復(fù)雜表面隨機(jī)缺陷時(shí)光源選取及用光方面應(yīng)遵循:1)消除強(qiáng)鏡面反射光對(duì)成像質(zhì)量的影響;2)消除某些缺陷產(chǎn)生的各向異性并且最大限度地獲得各類缺陷的圖像信息。本文圍繞以上兩方面對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了討論,解決了強(qiáng)反射復(fù)雜表面隨機(jī)缺陷檢測(cè)中用光方面的技術(shù)難題,為圖像攝取和后期的圖像處理及缺陷識(shí)別工作打下了良好的基礎(chǔ)。2表面光學(xué)條件對(duì)照明效果的影響光照射到不透明物體表面時(shí),會(huì)產(chǎn)生漫反射、折射、吸收等,還會(huì)有鏡面反射光存在,根據(jù)物體表面對(duì)光的反射情況,可將物體分為光滑、半光滑和不光滑物體。圖像中像素的亮度取決于多種因素,其中包括物體的幾何形狀、光的入射角和發(fā)光強(qiáng)度、傳感器的觀察方向及物體表面的反射。不同的物體要求不同的光源及視覺(jué)條件,而不同的光學(xué)條件又影響測(cè)量效果。當(dāng)被測(cè)工件表面為光滑金屬時(shí),采用一般的照明方法很難完成任務(wù)。原因主要為:光滑金屬表面的鏡面反射光極強(qiáng)。金屬表面工件屬于半光滑物體,不是理想的漫反射體。采用漫反射光可以使光線均勻照射到比較粗糙的物體表面上,其表面固定點(diǎn)的明暗程度不隨觀察位置而改變。這樣在采集圖像上背景灰度高且均勻,物體邊緣突出,便于提取。相對(duì)理想的漫反射體而言,金屬表面的鏡面反射光很強(qiáng)。使得面陣CCD光敏面上的曝光量超過(guò)其飽和曝光量,所成畫(huà)面亮度失真,淹沒(méi)所要檢測(cè)的缺陷的信息,如圖1示。所以檢測(cè)時(shí)要首先消除表面的鏡面反射光。3方向光向的特性理想漫反射面又稱余弦輻射體,其反射光的光強(qiáng)分布可表示為Iθ=INcosθΙθ=ΙΝcosθ式中IN為反射體表面法線方向的反光強(qiáng)度,Iθ為和法線成θ角方向的發(fā)光強(qiáng)度。圖2是用向量表示的余弦輻射體在通過(guò)法線截面內(nèi)的漫反射光強(qiáng)度分布。但對(duì)于非理想漫反射體而言,當(dāng)一束定向光入射時(shí),漫反射光的分布只是集中在鏡面反射光線的附近,垂直表面入射時(shí)如圖3所示。從以上兩圖可以看出,在鏡面反射光光強(qiáng)相同的情況下,對(duì)相同的θ角,非理想漫反射光的光強(qiáng)明顯小于理想漫反射光的光強(qiáng)。4圖像缺陷的特征平行光源是CCD取像常用的一種照明光源。由平行光管發(fā)射出的光束是準(zhǔn)平行的,等效于由無(wú)窮遠(yuǎn)射來(lái)的光束。平行光具有良好的方向性和準(zhǔn)直性。用平行光作為光源時(shí),為了消除鏡面反射光的影響,投影光軸與成像光軸要成一定的角度,如4圖示。平行光照射到無(wú)缺陷的光滑表面時(shí),反射光中的絕大部分為鏡面反射光。鏡面反射光遵循理想光路反射,沒(méi)有進(jìn)入CCD。只有小部分漫反射光進(jìn)入CCD成像,從而消除了鏡面反射光的影響。在缺陷處,反射光將改變方向,使得反射光投影到CCD上,在CCD的像敏面上成像。所得到的圖像如圖5(a)所示,圖像的灰度級(jí)差別較大、對(duì)比度高,圖像比較清晰。但由于平行光具有良好的方向性,其輻射亮度在各方向上是不對(duì)稱的。因此對(duì)各種缺陷的顯現(xiàn)力不同。在相同條件下,當(dāng)劃痕或裂紋方向與平行光入射方向垂直時(shí),圖像中缺陷表現(xiàn)最清晰,如圖5(a)。而當(dāng)劃痕或裂紋走向與入射光方向一致時(shí),在圖像中幾乎看不到這種缺陷,如圖5(b)。這樣有可能在后期的工作中無(wú)論采用什么樣的處理方法都檢測(cè)不到這種缺陷。5光的散射處理為了避免信息的丟失,考慮選用均勻散射光作為CCD的照明光源。在一般情況下,面光源表面各處的輻射亮度以及該面光源各方向上的輻射亮度都是不相同的,在某點(diǎn)處的亮度是方向角θ的函數(shù)。如果有這樣的面光源,它在各個(gè)方向的輻射亮度都相同,稱為余弦輻射體或均勻散射體。余弦輻射體的輻射亮度從各方向來(lái)看都是一樣的,表面粗糙的自身發(fā)射體和被照明的散射體接近于余弦輻射體。鎢絲白熾燈發(fā)出的經(jīng)過(guò)磨砂玻璃透射的光向所有方向散射,以致從各個(gè)方向看來(lái),其亮度接近相等,可近似看作為均勻散射光。用均勻散射光作為面陣CCD的照明光源,在CCD中所獲取的圖像,如圖6所示。與用平行光作為光源相比較,均勻散射光的光線是非定向的,散射區(qū)域較大,從而會(huì)產(chǎn)生一種比較均勻的照明。結(jié)果是所取的圖像的邊緣柔化,灰度差和對(duì)比度都會(huì)相對(duì)小些。但是對(duì)各種缺陷的綜合顯現(xiàn)力卻很好,不會(huì)丟失信息。這對(duì)于后期的處理工作非常有利。因而在本實(shí)驗(yàn)中采用了用鎢絲白熾燈作為光源經(jīng)磨砂玻璃而形成均勻的散射光。6照射線典型缺陷的顯著性分析本文檢測(cè)的金屬表面工件的大小在?30mm以內(nèi),工件表面宏觀和微觀幾何形狀變化多樣,表面層的形成種類也很多,表面缺陷是隨機(jī)的,其形狀和尺寸千差萬(wàn)別。針對(duì)這種半光滑的復(fù)雜金屬表面工件,除上述光源類型的影響外,光源的發(fā)光強(qiáng)度對(duì)圖像的成像質(zhì)量也有很大的影響。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),對(duì)于缺陷檢測(cè)的照明,希望在一定類型光源的光強(qiáng)照射下,缺陷與背景對(duì)比的差別越大越好,單純用光強(qiáng)很難能說(shuō)明問(wèn)題,需要一個(gè)新的指標(biāo)來(lái)表達(dá)它。為此,研究了缺陷的顯現(xiàn)力指標(biāo)。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究了發(fā)光強(qiáng)度不同的均勻散射光對(duì)表現(xiàn)各種不同缺陷的作用。調(diào)節(jié)鎢絲燈的電壓來(lái)得到不同發(fā)光強(qiáng)度,用照度計(jì)測(cè)量工件表面的照度值。當(dāng)光圈一定時(shí),反射光的強(qiáng)度隨著照度的增加而增加。在強(qiáng)照度下(高于1000Lx)CCD成像的畫(huà)面亮度失真。不同的入射光照度對(duì)不同缺陷的表現(xiàn)能力有所不同的。調(diào)節(jié)光源的輸入電壓得到不同照度的入射光,通過(guò)照度計(jì)獲得準(zhǔn)確的照度值,單位為L(zhǎng)x。缺陷顯現(xiàn)力ΔV是指缺陷區(qū)域的平均灰度V′與整幅圖像的平均灰度V的差值。整幅圖像的平均灰度V=∑f=0255(f×nfn)V=∑f=0255(f×nfn)缺陷區(qū)域的平均灰度V′=∑f=0255(f×nfn′)V′=∑f=0255(f×nfn′)顯現(xiàn)力ΔV=V?V′ΔV=V-V′其中f為圖像的灰度級(jí)數(shù),n為整幅圖像的總像素?cái)?shù),n′為缺陷區(qū)域圖像的像素?cái)?shù),nf為灰度級(jí)為f的像素?cái)?shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn),得到照度與各種缺陷顯現(xiàn)力的關(guān)系。表一給出了三種典型缺陷(劃痕、砂眼、刀痕)的顯現(xiàn)力值和照度值。圖7中所示為這三種典型缺陷的照度值與顯現(xiàn)力關(guān)系的曲線。在工件表面的照度值低于30Lx時(shí),由于工件表面反射到CCD像敏面上的光照度低于CCD器件的靈敏閾,較暗部無(wú)法測(cè)出,獲得圖像的整體灰度偏暗,降低了畫(huà)面亮度的層次產(chǎn)生測(cè)量誤差,如圖8(a)所示。工件表面照度值在50～80Lx之間時(shí),對(duì)各種缺陷的顯現(xiàn)力值都比較高,顯現(xiàn)力是均勻的,并且在此照度下獲得圖像的灰度分布特性良好。如圖8(b)所示。照度值高于100Lx時(shí),獲得圖像的整體灰度偏亮,也降低了灰度的層次易產(chǎn)生誤判。如圖8(c)所示。通過(guò)分析比較,綜合得到在被檢測(cè)工件表面照度為50～80Lx時(shí)對(duì)各種缺陷的顯現(xiàn)力是均勻的。結(jié)束語(yǔ)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析表明,用CCD光電檢測(cè)法對(duì)