專利名稱：球形物體表面光學(xué)檢測的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種球形物體表面光學(xué)檢測的方法及裝置，它適合于在機(jī)
器視覺、光機(jī)電一體化，以及生產(chǎn)線自動化上使用的球類物體的表面光學(xué)
檢測。
背景技術(shù)：
機(jī)器視覺的一個典型應(yīng)用是物體的表面檢測，這種應(yīng)用需要通過照相 機(jī)來對被檢測物體的表面來進(jìn)行成像，而后根據(jù)所捕獲的圖像通過機(jī)器進(jìn) 行判斷，如有沒有瑕疵，顏色如何等等。為了獲得球體的全面的表面特征， 經(jīng)常要求相機(jī)從各個角度拍攝到物體的表面，不能有任何遺漏，針對這個 問題，傳統(tǒng)的解決辦法是通過多個相機(jī)對同一物體、從多個角度進(jìn)行拍攝， 被測球體在球的排序裝置和分揀機(jī)構(gòu)的控制下，逐個從各個相機(jī)的視場中 通過，每個相機(jī)分別成像，多個相機(jī)拍成的照片綜合后就可以反映球表面 各個區(qū)域的特征，或者是更常見的做法固定相機(jī)，讓球體在相機(jī)的拍攝 范圍內(nèi)進(jìn)行多方位旋轉(zhuǎn)從而對物體的表面進(jìn)行展開；前者的優(yōu)點(diǎn)在拍攝角 度全面，可以從全方位角度獲取球的表面信息，其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多個 相機(jī)同步拍攝技術(shù)要求高，后者的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但是由于球體的旋轉(zhuǎn) 需要被夾具推動，旋轉(zhuǎn)的待撿物體容易與夾具碰擦產(chǎn)生污漬，并且如果球 體的表面缺陷導(dǎo)致球在夾具中無法完成所有面的旋轉(zhuǎn)，物體表面無在再鏡 頭前完全展開，即物體無法全面的被拍攝到，就無法實(shí)現(xiàn)全檢測，造成檢 測性能下降。本發(fā)明提出了一種方法及裝置，該方法和裝置可以彌補(bǔ)以上 兩種表面展開檢測方法及裝置的不足，并可以結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述問題，向社會提供一種既結(jié)構(gòu)簡單，又可以 完整地反映球體表面各個區(qū)域特征的球形物體表面光學(xué)檢測的方法及裝 置。
本發(fā)明的技術(shù)方案是 一種球形物體表面光學(xué)檢測的方法，包括相機(jī)、 光源、待檢測的球體、透明艙體、待檢測的球體在透明艙體內(nèi)，以及三面 底邊互相成120度夾角的平面鏡子，所述透明艙體位于所述三面鏡子與相 機(jī)之間的相機(jī)拍攝區(qū)域，所述光源為與相機(jī)同軸的平行光，方向指向鏡子 和待檢測的球體，光源發(fā)出的光照射到待檢測的球體的面向相機(jī)的半球上 后，反射回相機(jī)，從而在相機(jī)內(nèi)成像，另外一部分光線通過鏡面反射照射 到待檢測的球體背向相機(jī)的一側(cè)，被待檢測的球體反射后再經(jīng)過鏡面的反 射原路進(jìn)入相機(jī)，從而在相機(jī)內(nèi)成像，選取合適的相機(jī)取景大小，以及鏡 面的仰角，使待檢測的球面正面和背面的成像全部呈現(xiàn)在一個相機(jī)的成像 中，從而實(shí)現(xiàn)待檢測球體表面的一次性全面拍攝。
所述待檢測的球體是通過重力或者高速流體推動，而進(jìn)入相機(jī)的拍攝 區(qū)域的。
對于不能與空氣接觸的待檢測的球體，所述高速流體是透明液體，由 于本方法中光路的結(jié)構(gòu)為折射和反射，該液體不會改變待檢測的球體的表 面特性，該透明艙體的上下表面與相機(jī)和光源的軸線垂直。
所述待檢測的球體在艙體中的移動，受透明液體的驅(qū)動，調(diào)節(jié)透明液 體的流速來控制待檢測的球體通過拍攝區(qū)域的速度，從而調(diào)整檢測的吞吐
本方法可將相機(jī)、光源、平面鏡的光路全部密封在一個透明材料中， 以保證測量裝置不受工業(yè)現(xiàn)場常見的灰塵影響，從而讓檢測裝置持久的保 持較高的檢測精度。
所述流體是空氣或者純水或者阻燃煤油等，取決于球體表面保護(hù)所需 要的流體。 .
在相機(jī)拍攝區(qū)域前的適當(dāng)位置設(shè)有光電開關(guān)，該光電開關(guān)在待檢測的 球體通過相機(jī)拍攝區(qū)域前被觸發(fā)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)难訒r，相機(jī)曝光，記錄下待 檢測的球體經(jīng)過拍攝區(qū)域的圖像。
所述平面鏡子的仰角是可調(diào)整仰角。
一種實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置，包括相機(jī)、光源、透明艙體以及三面底邊
互相成120度夾角的平面鏡子，所述透明艙體位于所述三面鏡子與相機(jī)之
間的相機(jī)拍攝區(qū)域，所述光源為與相機(jī)同軸的平行光，方向指向鏡子和位 于透明艙體的待檢測的球體，光源發(fā)出的光照射到待檢測的球體的面向相 機(jī)的半球上后，反射回相機(jī)，另外一部分光線通過鏡面反射照射到待檢測 的球體背向相機(jī)的一側(cè)，被待檢測的球體反射后再經(jīng)過鏡面的反射原路進(jìn) 入相機(jī)，從而在相機(jī)內(nèi)成像。
本發(fā)明中的流體可以是空氣或者純水或者阻燃煤等，取決于球體表面 保護(hù)所需要的流體，該流體的主要部分與后面鏡面密封所采用的材料無需 相同，如果可以用空氣作為保護(hù)介質(zhì)則也可以不要這個艙體，如待檢測物 的表面容易被氧化或者弄傷則需要用特殊液態(tài)透明介質(zhì)對球體進(jìn)行保護(hù)， 且如果待檢測物通過拍攝區(qū)域的速度可以通過控制流體的流速來實(shí)現(xiàn)，光 電開關(guān)在小球通過相機(jī)拍攝區(qū)域的前被觸發(fā)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)难訒r，相機(jī)曝光， 記錄下待檢測的球體經(jīng)過拍攝區(qū)域的中心的圖像。
三面鏡子的底邊互相成120度角，用于從底部反射球面的背離相機(jī)的 部分，針對不同的球體，可以通過調(diào)整的平面鏡子，平面鏡子的仰角調(diào)整， 可以用常見機(jī)械結(jié)構(gòu)比如帶阻尼的鉸鏈來實(shí)現(xiàn)。
光源為與相機(jī)同軸的平行光，方向指向鏡子和球體，光源發(fā)出的光照 射到球體面向相機(jī)的半球上后，反射回相機(jī)，從而在相機(jī)內(nèi)成像，另外一部分光線通過鏡面反射照射到球體背向相機(jī)的一側(cè)，被球體反射后再經(jīng)過 鏡面的反射原路進(jìn)入相機(jī)，從而在相機(jī)內(nèi)成像，選取合適的相機(jī)取景大小， 以及鏡面的仰角，可以使球面正面和背面的成像全部呈現(xiàn)在一個相機(jī)的成 像中，從而實(shí)現(xiàn)待檢測的球體表面的一次性全面拍攝。待檢測的球體可以 通過重力或者高速流體推動，進(jìn)入拍攝區(qū)域，即通過附圖中球體所在位置 的區(qū)域。在適當(dāng)?shù)难訒r后，在待檢測的球體經(jīng)過途中拍攝區(qū)域的時刻觸發(fā) 相機(jī)拍攝，從而可以進(jìn)行待檢測的球體的定位拍攝，對比其他方案需要翻 動球體才能獲得物體的全體表面，本方法的檢測速度理論上只決于球體通 過拍攝區(qū)域的時間和相機(jī)的拍攝速度，這個速度可以媲美多相機(jī)系統(tǒng)。本
發(fā)明中，光源與相機(jī)的同軸，可以使用45度的棱鏡實(shí)現(xiàn)，45度的棱鏡或 使進(jìn)入相機(jī)鏡頭的光線，和平行光源放出的光線變成同軸光，且兩者相互 不影響。
對于鋼球或者其他不能與空氣接觸的待撿物體可以在相機(jī)和反射平面 鏡之間增加一充滿透明液體的透明艙體，由于本系統(tǒng)中光路的結(jié)構(gòu)為折射 和反射，該液體不改變待檢測球體的表面特性，該透明艙體的上下表面與 相機(jī)和光源的軸線垂直，由于艙體本身透明，且其中的液體也透明，光線 可以不受任何影響的穿透該艙體和其中的液體。這種方式下待檢測球體在 艙體中的移動可以受透明液體的驅(qū)動，調(diào)節(jié)透明液體的流速可以調(diào)節(jié)球體 通過檢測區(qū)域的速度，從而可以調(diào)整檢測'的吞吐量，另外可將相機(jī)、光源、 反射鏡的光路全部密封在一個透明材料中，這樣可以保證該檢測裝置不受 工業(yè)現(xiàn)場常見的灰塵影響，從而可以讓檢測裝置持久的保持較高的檢測精 度。
透明艙體可以保證待檢測的球體經(jīng)過相機(jī)的拍攝區(qū)域的時候，其運(yùn)動 路線是近似一條直線，對所用光譜(紅外、可見光)透明的流體(包括空 氣或者純水等流體)在透明艙體中勻速流動，它的流速可以控制其所推動
7的待檢測的球體的運(yùn)行速度。本發(fā)明中設(shè)有用于觸發(fā)相機(jī)的光電開關(guān)，當(dāng) 艙體中受流體推動而進(jìn)行勻速直線運(yùn)動的待檢測的球體經(jīng)過該光電開關(guān) 時，光電開關(guān)被觸發(fā)，經(jīng)過可以調(diào)整的延時，這個觸發(fā)信號用來觸發(fā)相機(jī) 曝光，從而可以保證，相機(jī)可以在正確的時候曝光，捕捉到待檢測球體的 圖像。
本發(fā)明對比目前已有的球形物體的檢測設(shè)備所采用的方法，本發(fā)明的
關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了一個相機(jī)內(nèi)的，待撿物體的360度的全面、檢測，且 不會發(fā)生有某些面漏檢的情況，從而真正實(shí)現(xiàn)了物體表面的100%全撿。
本發(fā)明的第二個優(yōu)點(diǎn)在于檢測速度快，檢測速度理論僅受限于相機(jī)的 拍攝速度，以60fps的VGA相機(jī)為例，本發(fā)明的檢測速度可以達(dá)到于21. 6 萬顆/小時，這個遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過市場目前的技術(shù)方案。單幅圖像即可完成球表面 四個角度的同時檢測，而其他方法則需荽拍攝多幅圖像，相同相機(jī)的條件 下，本方法至少比其他方法快4倍。
本發(fā)明的第三個優(yōu)點(diǎn)是光路簡單，全部是鏡面反射和垂直入射，無有 曲率的光學(xué)部件，這樣設(shè)備加工簡單。
本發(fā)明的第四個優(yōu)點(diǎn)是照明的光源采用與相機(jī)平行的同軸光源，且是
平面鏡的鏡面反射，這樣光線在球面上的衰減模型即可預(yù)測，并校準(zhǔn)，從
而方便后續(xù)的圖像處理與球面的灰度校準(zhǔn)。


圖1是本發(fā)明一種實(shí)施例的后視結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是圖1的右視的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是圖1的俯視的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
請參見圖1至圖3，本發(fā)明中提供的一種球形物體表面光學(xué)檢測的方 法，包括相機(jī)l、光源2、待檢測的球體3、透明艙體4、待檢測的球體3
8在透明艙體4內(nèi)，三面平面鏡子5，所述平面鏡子的底邊互相成120度夾 角a ，所述透明艙體4位于所述三面鏡子5與相機(jī)1之間的相機(jī)拍攝區(qū)域， 所述光源2為與相機(jī)1同軸的平行光，方向指向鏡子5和待檢測的球體3， 光源2發(fā)出的光經(jīng)過45度棱鏡6發(fā)生照射到待檢測的球體3的面向相機(jī)1 的半球上后，經(jīng)過45度棱鏡6后反射回相機(jī)1，從而引起相機(jī)l成像，另 外一部分從光源2來的光線通過鏡面5反射照射到待檢測的球體3背向相 機(jī)1的一側(cè)，被待檢測的球體3反射后再經(jīng)過鏡面5的反射原路進(jìn)入相機(jī) 1，從而引起相機(jī)1成像，選取合適的相機(jī)1取景大小，以及鏡面5的仰角， 使待檢測的球面3正面和背面的成像全部呈現(xiàn)在一個相機(jī)1的成像中，從 而實(shí)現(xiàn)待檢測球體表面3的一次性全面拍攝。所述待檢測的球體3可以通 過重力或者高速流體推動，而進(jìn)入相機(jī)1的拍攝區(qū)域的，待檢測的球體3 在排序裝置和分揀機(jī)構(gòu)的控制下，逐個從各個相機(jī)1的拍攝區(qū)域通過，排 序裝置和分揀機(jī)構(gòu)與現(xiàn)有多相機(jī)系統(tǒng)中所使用的排序裝置和分揀機(jī)構(gòu)的結(jié) 構(gòu)相同，為現(xiàn)有技術(shù)，本文不作詳細(xì)解釋。
對于不能與空氣接觸的待檢測的球體3，高速流體可以是透明液體， 如純水或者阻燃煤油等，由于本方法中光路的結(jié)構(gòu)為折射和反射，該透明 液體不會改變待檢測的球體3的表面特性，該透明艙體4的上下表面與相 機(jī)1和光源2的軸線垂直。所述待檢測的球體3在透明艙體4中的移動， 受透明液體的驅(qū)動，調(diào)節(jié)透明液體的流速來控制待檢測的球體3通過拍攝 區(qū)域的速度，從而調(diào)整檢測的吞吐量。
本方法也可以將相機(jī)1、光源2、平面鏡5的光路全部密封在一個透明 材料中，以保證測量裝置不受工業(yè)現(xiàn)場常見的灰塵影響，從而讓檢測裝置 持久的保持較高的檢測精度。為了保證相機(jī)1的拍攝圖像的質(zhì)量，在相機(jī) 1拍攝區(qū)域前的適當(dāng)位置設(shè)有光電開關(guān)(未畫出)，該光電開關(guān)在待檢測的 球體3通過相機(jī)拍攝區(qū)域前被觸發(fā)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)难訒r，相機(jī)1曝光，記錄下待檢測的球體3經(jīng)過拍攝區(qū)域的圖像。
本發(fā)明還提供了一種實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置，包括相機(jī)l、光源2、透明
艙體4以及三面底邊互相成120度夾角a的平面鏡子5，所述透明艙體4 位于所述三面鏡子5與相機(jī)1之間的相機(jī)1有拍攝區(qū)域內(nèi)，所述光源2為 與相機(jī)1同軸的平行光，方向指向鏡子5和位于透明艙體4的待檢測的球 體3，光源2發(fā)出的光照射到待檢測的球體3的面向相機(jī)1的半球上后， 反射回相機(jī)，另外一部分光線通過鏡面5反射照射到待檢測的球體3背向 相機(jī)的一側(cè)，被待檢測的球體3反射后再經(jīng)過鏡面5的反射原路進(jìn)入相機(jī) 1，從而在相機(jī)l內(nèi)成像。本發(fā)明中的平面鏡子的仰角是可調(diào)整的，調(diào)整的 機(jī)構(gòu)可用常見機(jī)械結(jié)構(gòu)，比如帶阻尼的鉸鏈來實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1、一種球形物體表面光學(xué)檢測的方法，其特征在于包括相機(jī)、光源、待檢測的球體、透明艙體、待檢測的球體在透明艙體內(nèi)，以及三面底邊互相成120度夾角的平面鏡子，所述透明艙體位于所述三面鏡子與相機(jī)之間的相機(jī)拍攝區(qū)域，所述光源為與相機(jī)同軸的平行光，方向指向鏡子和待檢測的球體，光源發(fā)出的光照射到待檢測的球體的面向相機(jī)的半球上后，反射回相機(jī)，從而在相機(jī)內(nèi)成像，另外一部分光線通過鏡面反射照射到待檢測的球體背向相機(jī)的一側(cè)，被待檢測的球體反射后再經(jīng)過鏡面的反射原路進(jìn)入相機(jī)，從而在相機(jī)內(nèi)成像，選取合適的相機(jī)取景大小，以及鏡面的仰角，使待檢測的球面正面和背面的成像全部呈現(xiàn)在一個相機(jī)的成像中，從而實(shí)現(xiàn)待檢測球體表面的一次性全面拍攝。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形物體表面光學(xué)檢測的方法，其特征在于；待檢測的球體是通過重力或者高速流體推動， 而進(jìn)入相機(jī)的拍攝區(qū)域的。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的球形物體表面光學(xué)檢測的方法，其特征在于對于不能與空氣接觸的待檢測的球體，所述高速流體是透明液體，由于本方法中光路的結(jié)構(gòu)為折射和 反射，該液體不會改變待檢測的球體的表面特性，該透明 艙體的上下表面與相機(jī)和光源的軸線垂直。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的球形物體表面光學(xué)檢測的方法，其 特征在于所述待檢測的球體在艙體中的移動，受透明液體的驅(qū)動，調(diào)節(jié)透明液體的流速來控制待檢測的球體通過 拍攝區(qū)域的速度，從而調(diào)整檢測的吞吐量。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的球形物體表面光學(xué)檢測的方法，其特征在于將相機(jī)、光源、平面鏡的光路全部密封在一個透明材料中，以保證測量裝置不受工業(yè)現(xiàn)場常見的灰塵影 響，從而讓檢測裝置持久的保持較高的檢測精度。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的球形物體表面光學(xué)檢測的方法，其 特征在于所述流體是空氣或者純水或者阻燃煤油等，取 決于球體表面保護(hù)所需要的流體。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的球形物體表面光學(xué)檢測的方法，其特征在于在相機(jī)拍攝區(qū)域前的適當(dāng)位置設(shè)有光電開關(guān)， 該光電開關(guān)在待檢測的球體通過相機(jī)拍攝區(qū)域前被觸發(fā)， 經(jīng)過適當(dāng)?shù)难訒r，相機(jī)曝光，記錄下待檢測的球體經(jīng)過拍 攝區(qū)域的圖像。 .
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的球形物體表面光學(xué)檢測的方法，其特征在于所述平面鏡子的仰角是可調(diào)整仰角。
9、 一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的裝置，其特征在于包括 相機(jī)、光源、透明艙體以及三面底邊互相成120度夾角的 平面鏡子，所述透明艙體位于所述三面鏡子與相機(jī)之間的 相機(jī)拍攝區(qū)域，所述光源為與相機(jī)同軸的平行光，方向指 向鏡子和位于透明艙體的待檢測的球體，光源發(fā)出的光照 射到待檢測的球體的面向相機(jī)的半球上后，反射回相機(jī)， 另外一部分光線通過鏡面反射照射到待檢測的球體背向相 機(jī)的一側(cè)，被待檢測的球體反射后再經(jīng)過鏡面的反射原路 進(jìn)入相機(jī)，從而在相機(jī)內(nèi)成像。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形物體表面光學(xué)檢測的方法，其特征在于所述平面鏡子的仰角是可調(diào)整仰角。
全文摘要
球形物體表面光學(xué)檢測的方法及裝置，該裝置包括相機(jī)、光源、待檢測的球體、透明艙體、待檢測的球體在透明艙體內(nèi)，以及三面底邊互相成120度夾角的平面鏡子；該方法包括將透明艙體設(shè)于所述三面鏡子與相機(jī)之間的相機(jī)拍攝區(qū)域，光源與相機(jī)同軸的平行光，方向指向鏡子和待檢測的球體，光源發(fā)出的光照射到待檢測的球體的面向相機(jī)的半球上后，反射回相機(jī)，另外一部分光線通過鏡面反射照射到待檢測的球體背向相機(jī)的一側(cè)，被待檢測的球體反射后再經(jīng)過鏡面的反射原路進(jìn)入相機(jī)，從而在相機(jī)內(nèi)成像。本發(fā)明的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了一個相機(jī)內(nèi)的，待撿物體的360度的全面、檢測，且不會發(fā)生有某些面漏檢的情況，從而真正實(shí)現(xiàn)了物體表面的100％全撿。
文檔編號G01N21/88GK101504376SQ20091010572
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月11日
發(fā)明者勇 張 申請人:勇 張