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薄膜瑕疵检测系统方案
来源:无锡创视2015年04月01日

一、 设计要求

1。检测对象

手机用灰黑色不透明薄膜,幅宽不大于1000mm,厚度范围为0.2~0.5mm,每张待检薄膜厚度一致, 生产线速度不大于25米/分钟。如下图所示:

运动速度:25米/分钟≤1m

薄膜瑕疵检测系统方案

图1 检测对象示意图

2.检测要求

a) 检测幅面:1000 mm。

b) 检测速度:25米/分钟,即417mm/秒。

c) 检测能力:直径≥0.1mm的孔洞。

d) 在系统检测能力范围内,发现孔洞时,能在孔洞位置用快干墨喷上标记,且可在收卷处的轴侧做出标记。

二、 设计方案和可行性分析

本系统采用机器视觉技术对薄膜质量进行检测,机器视觉检测系统一般由以下几个部分组成:照明单元、相机单元、图像采集单元、图像处理单元、计算机、显示单元、执行单元和报警单元,如下图所示。要保证系统最终的检测能力,成像系统的设计很关键,下面针对各环节进行设计和设备选型。

薄膜瑕疵检测系统方案

图2  机器视觉系统结构框图

1.光源照明

在缺陷检测中,常用两种照明方式:一是反射式,二是透射式,如下面两图所示。

薄膜瑕疵检测系统方案

尽管两种方法均可以将孔洞成像,但是对孔洞的成像效果有较大差异,好的成像系统要求特征鲜明,对比度高。在孔洞很小时,反射式所成图像中的孔洞与薄膜灰度会比较接近,不易发现。由于检测对象为灰黑色不透明塑料膜,在透射照明方式下薄膜没有光线照射,成像灰度很低;只有在孔洞处光线能透射过来照射在CCD靶面上,成像灰度很亮,与薄膜图像灰度差异显著,非常利于检测,如下图所示。因此,建议选用透射的照明方式。

薄膜瑕疵检测系统方案

图4  透射图像示例

在透射成像式,要考虑到光衍射现象的影响。衍射一般发生在光源波长和孔洞直径相当的情况,可见光的波长范围为380~780nm,远远小于孔洞直径,只要不采用激光光源,衍射现象不会很严重。即使有轻微的衍射现象,会导致孔洞图像比实际孔洞略大,反而利于孔洞检测。在定位孔洞位置时,由于衍射现象是均匀发生在孔洞轮廓上的,不会影响孔洞的定位。

另外,要采用密光设计,使用箱体将成像光路包裹起来,以减少周围其他光源的影响。箱体内增加消光齿、发黑、光栏等措施,进一步减小光路入口处的杂光。

2.光源

光源是系统设计的关键,是系统的参考信号,目标信号将调制在参考信号上。对光源的要求是稳定、均匀、抗干扰能力强,且半衰期长。透射和反射光源均要保证成像区域照明均匀,照度适当,而且光源长度要求能够覆盖全视场。综合这些要求来考虑,光源只能选用线状光源。由于采用透射的照明方式,对光源的光谱范围无特殊要求,只要在可见光谱段就可以。

考虑到检测区域较宽,为1000mm,有两种光源可以选择,一是高频线状日光光源,二是LED光源。

高频线状日光光源寿命在一年左右,亮度高,光场分布均匀,价格较低。需要配用高频电子镇流器。主要参数见下表:

表1  高频线状光

源参数名称

参数

光谱范围

450-700 nm

寿命

≥2000小时

长度

1000mm

数量

1根

 

LED光源寿命很长,光强很稳定,可以以频率很高的脉冲信号频闪,但是价格比较贵。主要参数有:

表2  LED光源参数

名称

参数

型号

 

均匀性

10%

稳定性

1%

光谱范围

450-700nm

功率

6.6W/12V

寿命

≥10000小时

外形尺寸

1000mm

数量

1个

 

 

两者综合考虑,在成像方面均能够保证质量,价格和寿命是需要衡量的因素。如果对系统成本控制要求高,建议选用高频线状日光光源;如果对成本要求不高,

而对设备维护和保养要求高,则建议选用LED光源。

3. 检测幅宽

检测对象的有效宽度为1000mm,考虑到薄膜在运动过程中可能出现的小范围摆动和偏离,因此不能只按照有效宽度设计,而要考虑幅面余量。以两边各10mm作为设计偏离余量,检测宽度定为1020mm。

4. 象元分辨力

设计要求中对孔洞的几何检测能力要求为0.1mm,按照几何分辨力为象元分辨力的1.6~2.5倍关系换算,象元分辨力需要0.063~0.04mm。考虑到透射成像时孔洞与薄膜的对比度差异很大,根据创视新科技的成熟项目经验,选择0.063mm的像元分辨率能够满足检测要求。

    由于系统的设计检测幅宽为1020mm,因此所需像元数量为16190。考虑到高分辨率相机的象素数一般为1K(1024)的整数倍,所以本系统的像元数设计为16K,实际分辨力为0。 062mm。

5。 检测对象的设计检测幅宽为1020mm,在纵向上的每秒位移为417mm,所以每秒 待处理的图像大小约为16K×6700,具有视场大,分辨率高的特点,不适于使用面阵相机进行检测。如果使用2K2K 的高分辨率面阵相机,则至少需要24台相机才能满足要求,相机的成本将会非常高,不便于安装和调试,而且由于视场大,也很难做到整个视场范围照度的均匀。

因此采用线阵相机是较好的解决方案。高分辨率线阵相机一般有2K、4K、8K、12K等几种类型。根据16K的像元数量要求,可供选择的方案为:

表3 相机方案对比表

方案

相机类型

像元尺寸

单价

对镜头要求

所需相机数量

1

2K

14 μm

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8台

2

4K

10μm

 

4台

3

8K

7μm

 

2台

4

12K

5 μm

 

2台

 

在相机的选择上,主要有以下几个约束条件:象元尺寸、幅面大小、价格和系统复杂度。

 相机的象元尺寸越大,对应的空间频率越低,系统的MTF(传函)越高,像质越好。在所选镜头一定的情况下,4K相机的成像质量要好于8K相机,8K相机的成像质量要好于12K相机。

 幅面越大,视场越大,边缘视场像质越差,对镜头的要求也越高。2K相机对镜头的要求要低于4K相机,4K相机对镜头的要求要低于8K相机。

 在相机单价上,2K相机最低,4K和8K相机居中,12K相机最高。但是要考虑到配套的镜头和板卡个数。

 在系统复杂度方面,相机越多,系统安装和维护越复杂,因此如果成像质量能够满足要求,优先考虑选用数目较少相机的方案。

为满足检测要求,首先要从成像质量来考虑。对于本系统而言,成像时并不关心薄膜上的细节,只是关心有无孔洞,对系统传函、像质要求不高。因此,四套方案均可以满足成像要求,但是方案四的成像最差。另外,从成本和系统复杂度的角度来考虑,方案一、二分别需要8台2K和4台4K相机完成整场覆盖,所需的镜头和采集卡数量也增加,硬件成本并不低,而且系统结构复杂,不便于安装和调试,不建议采用。方案三系统相对简单,成本较低,能够满足成像质量要求。方案四系统虽然也比较简单,但是价格较高。综合多种因素考虑,建议选用方案三,即2台8K相机的方案。

系统将采用2台8K相机拼接的方法完成视场的覆盖,两台相机间的重叠象素数为50个,重叠区域宽度3.15mm,每台相机的实际检测幅宽为506.6mm。下图为该方案的示意图:

薄膜瑕疵检测系统

图5  检测方案示意图

根据像元分辨率和薄膜的运动速度,可以计算积分时间为0。15ms,要求的行频为6。7KHz。

在相机的型号上,选择了性价比较好的加拿大Dalsa公司的Dalsa P2-8K40相机,行频能够满足要求,它的象元尺寸为7μm。主要参数见下表。

表4  主要性能参数

名称

参数

象元尺寸

7*7 

有效象元数

 

8192

 

响应度

 

 

76 DN/J/cm2

最高行频flinemax

9KHz

最高数据率fdatamax

240MHz

 

 

 

谱段

0。4~1。0

传输接口

 

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Base CamLink接口

A/D量化值

8bit

防溢出功能

镜头接口

645

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动态范围

 

496:1

数量

 

2台

 

 

6。 镜头

由于在系统的安装空间上没有特殊限制,在镜头的选择上有很大的灵活性。一般我们选用焦距接近相机CCD尺寸的镜头。对于8K相机,像元尺寸为7m,则CCD尺寸为57mm,因此选用焦距为60mm的镜头比较合适。

根据CCD尺寸和每台相机的实际检测幅宽,可以计算出成像系统的放大倍数为0.11倍。根据焦距和放大倍数,可以计算物距为597mm。

选用Schneider公司的Apo-Componon 4.0 / 60镜头,Schneider公司是国际知名的镜头制造商,镜头的性价比很高。在物距为522mm时,所需视场角约为46.0。镜头的主要参数见下表:

表5  镜头主要参数

名称

参数

焦距

60mm

最大视场角

 

相对孔径范围

4.0~

工作距离

 

∞~0。45 m

尺寸

74mm*60.5mm

重量

410g

数量

两台

 

 

该款镜头的畸变率徆低,在成像80%范围内畸变值小于0。1%,在成像边缘处的畸变值小于0。2%。使用8K相机时在边缘处的最大畸变才为0。5mm,因此基本不用考虑畸变的影响。

7. 图像采集卡

建议采用一块Coreco公司X64-CL-iPro 图像采集卡,可选66MHz、板上内存32M。该款图像采集卡支持Cam Link传输协议,价格比较便宜,功能强大,数据传输率高达528MB/秒,能够同时支持两路8K相机的输入。该经验已经在凌云公司的有关项目中成功应用。

8.展平装置

由于薄膜为柔性材料,在采集图像时要进行展平控制。如果薄膜不平,透射光线指向角变化,会引起图像灰度急剧变化,造成漏检。建议方法是安装辊轴。

9 .为了实时在线检测、准确测量移动距离,能够检测后在孔洞位置喷上标记,

要求具有同步装置。一般的方法是安装与辊轴同心的编码器,使得编码器输入轴运动与薄膜运动保持同步。

10.计算机

计算机负责系统的全部管理动作,提供人机交互界面。当检测到孔洞时,可以显示缺陷画面,同时发出控制指令,控制喷墨机打印标识。

本系统采用2台高分辨率(8K)相机采集图像,根据行频可以计算每台相机的数据量约为55MB/s,图像数据量很大,因此要选用高性能的计算机完成处理任务。根据图像数据量,建议选择1台PCI-64位、66MHz的工业控制计算机。

11.检测算法

在检测算法上,由于只是检测孔洞的有无和位置,检测算法不复杂。先对图像进行二值化,然后采用Blob分析技术即可,可靠性也比较高。软件编程及现场调试大约在3-4周左右。

三、系统设计结论

本系统的结构示意见图6(侧视图)和图7(底视图)。系统工作在可见光光谱段,采用透射的成像方式。薄膜经过辊1和辊2进行展平后,通过2台8K线阵CCD相机采集图像。经采集卡传入计算机后进行图像处理,计算图像特征,判断是否存在孔洞。如果存在,计算机发送控制信号,完成对薄膜表面质量的检测。如果现场工作环境温度较高,还要考虑对CCD相机冷却降温,以保证相机的正常工作。

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