基于机器视觉检测技术检测光学玻璃弱划痕

基于机器视觉检测技术检测光学玻璃弱划痕

王大伟1 ,,崔宇2,张博3

陆军装甲兵学院士官学校，吉林，长春二道区，130117

摘要：激光器的钕玻璃表面在生产过程中会有划伤，会对激光器的运行带来严重影响。本文以钕玻璃的划伤缺陷快速、精准的检测为例，介绍了机器视觉检测技术的基本组成、检测微弱划痕需要考虑的问题、搭建检测微弱划痕的机器视觉系统。

关键字：机器视觉；激光器；钕玻璃；划痕缺陷

0概述

能量强度高的激光源一直都是各国军队所梦寐以求的，在激光源这块，目前的发展趋势是由传统的固体激光器、气体激光器在不断向电子激光器迈进。截至到现在，万瓦级的激光器已经被研发出来，并得到了广泛的应用，并在应用中取得了不俗的成绩，但由于激光在远距离照射过程中发散角过大，因此如果想实现激光的远距离传输，增加激光的发射功率就成为了唯一的选择，在量级上要超过原有激光的几百甚至是几千倍。激光器作为激光武器的核心，激光器的发射功率高低直接影响着激光武器的杀伤力。钕坡璃表面划伤往往会对高功率激光器的运行带来不良甚至致命的影响，是主要的缺陷管控对象。其中，划伤缺陷的深度在200nm～400nm之间的称为常见划痕，划伤缺陷的深度约在50nm以下的划痕称为弱划痕。在实际的应用过程中，来自轻微划痕的散射光非常小，只是普通划痕的一半甚至30%不到，随之而来的问题就是在检测过程中非常容易被忽略，因此导致误差的产生。

通过机器代替人眼是技术发展的必然趋势，机器视觉系统尤其缜密的逻辑和标准的执行策略，流程也是实现被程序设定好的，因此排出了人的主观情绪等一些误差因素。其通过视觉传感器进行非接触式的测量，可以防止被检测物体因检测方式的情况造成二次伤害，由于视觉系统出色的表现使其很快成为了主流的检测方式，但随着时代的发展，人们对于机器视觉系统也提出了更高的要求，比如检测速度，检测准确程度，以及其鲁棒性。

1常用机器视觉检测系统的组成

机器视觉检测系统主要由图像的获取、图像的处理以及图像反馈三个分系统组成，是将光学特性分析、图像处理等有效结合，如图1所示。

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图1  基本组成

机器视觉系统首先以来视觉传感器进行图像感知，进而获得图像信息，在通过内置算法对获取到的图像中我们感兴趣的部分进行特征提取，便于后期的图像处理。在图像处理中，主要从原始图像中剔除缺陷以外的干扰信息，并将缺陷的图像信息增强，从而分割出只包含缺陷区域的图像，并通过计算当前待检测元件中缺陷的特征参数，从而实现缺陷的分类以及缺陷等级的划分。最后就是分类问题，这也是视觉系统中比较重要的一环，通过将处理后的图像进行存储，并通难过算法比对，按照损伤程度的不同进行分类并输出，并根据专家系统的建议，给出问题建议。

2 检测微弱划痕需要考虑的问题

（1）在特殊材质的玻璃上，入射光的一部分会反射出去，同时还有一部分的光经过其表面后会透射出去，在有损伤的位置，由于其表面是非光滑的，光会形成散射。在整个这一过程中，光的传播无外乎三种，分别是散射，折射和光的反射。而这就会形成两种截然不同的检测方式，即明视场检测和与其相反的暗视场检测手段，顾名思义，明视场对应的是损伤部位一般来说亮度较低，而另一种则正好相反。

（2）在明场检测成像时，与其相邻的亮背景产生的衍射光斑尺寸大于该质点的尺寸，从而将其淹没，导致无法观察到该质点。而在暗场成像时，暗背景产生的衍射光斑亮度远小于质点本身，同时，质点的衍射现象反而会使自身的像更加明显。因此可以认为在利用暗场检测成像的方式能够检测出更加微弱的信号。并且在图像的暗背景中检测出明亮的缺陷信息能够降低后期图像处理的要求。

（3）在检测中弱划痕的散射光比相同宽度的常见划痕产生的散射光要微弱很多，因此在暗场成像中，为了增加待检测弱划痕在图像中的亮度，需要提升入射光的亮度。除此之外，在暗场成像中，缺陷的亮度与周围背景的对比度与入射光线的角度也有关系。为了提升待检测图像中弱划痕图像与周围背景的对比度，则需要选择两者灰度差异最大处所对应的入射角度。

（4）利用暗场成像的方式，可以将弱划痕的信息呈现在图像中，但是在暗场图像中弱划痕的灰度值较低，并且与部分背景以及噪声的灰度值有一定的重叠，通过简单的阈值分割很难将弱划痕从噪声以及背景区中区分开来。针对弱划痕所在的灰度区间设计一定的算法将弱划痕信息从周围复杂的噪声和背景信息中提取出来。

（5）在不同的灰度区间内，可能只存在常见划痕，可能只存在背景，也可能存在弱划痕、噪声、背景等不同的信息。其中在处理噪声以及背景信息的时候要注意保护弱划痕的微弱边界，防止微弱的弱划痕信号被过度削弱。因此，在检测弱划痕时，应统计出弱划痕灰度存在的灰度区间。

3 搭建检测微弱划痕的机器视觉系统

检测微弱划痕的机器视觉系统照射光源、高清电子显微镜CCD相机、检测平台、检测主机以及显示器等组成，如图2所示。

照射光源应具有高亮度、高准直性、高均匀性的特点，常用LED光源成环形排布的高亮度碘钨灯作为光源。照射光源常常需要满足以上几种条件，才可以被机器视觉系统所使用，但光满足了这些条件也还是不够的，入射角度对整个过程来说也是非常重要的通过不断的实验和测试，人们发现当光线的照射角度为三十度时，效果最好，其图像中我们所感兴趣的部分与背景的差异是最大的，因此我们采用了这种角度的照射光源作为视觉系统的光源，并采用了暗视场模式，增强了图像的对比度，在后期图像的数字化处理中大大提高了检测的速度与精确度。

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图2  检测微弱划痕的机器视觉系统示意图

高清电子显微镜CCD相机由光学镜头、高清相机及可移动支架组成。对于实际检测中经常用到的显微镜，由于对长工作距、大视场的需求，选用高清电子显微镜CCD相机。光学镜头：倍率为7倍，分辨率为3.5nm。高清智能相机：1亿万像素以上。可移动支架由支架和滑块组成，用于固定高清电子显微镜CCD相机和照明光源。滑块由滑块体和驱动电机组成。

检测平台由载物台和可移动支架移动的轨道组成。轨道在载物台后方，可移动支架的滑块安装于轨道内，检测主机精准控制滑块在轨道内左右移动，实现对待检测元件的全面扫描。检测主机主要由电源模块、图像处理模块和显示模块组成。检测主机分别与高清电子显微镜CCD相机、照射光源、滑块、显示器通过电缆连接。

参考文献：

[1] 李  晨.基于机器视觉的不同属性表面中微弱缺基于机器视觉的不同属性表面中微弱缺  [D].浙江大学，2018.

[2] 李怡勇.高能激光武器发展态势[J].兵器装备工程学报，2017.

[3] 余  箫.机器视觉影像测量技术在飞行器总装精测中的应用[J].装备制造技术，2020.