多层透明薄膜切痕视觉检测方法与实现

摘要：针对精确非连续输送工况下多层结构透明薄膜半切切痕检测的需求，提出了一种基于暗场照明的视觉系统设计方案。采用两组平行光以低角度入射使切痕获得均匀光照，通过CCD获取薄膜反射与漫射所形成的清晰图像，直线拟合出的切痕即可用于评定薄膜输送的定位精度，并计算出下次进给步长的补偿值。该方案达到了多层透明膜精确非连续输送中定位检测的目的，结构简单，便于实现，已用于燃料电池膜电极生产装备中。

关键词：视觉方案； 切痕检测； 多层透明薄膜； 暗场照明

中图分类号：TN91934文献标识码：A文章编号：1004373X(2011)23013304

Method and Implementation of Visual Detection for the Cutting Indentations on

Multilayer Transparent Film

XIANG Bangmao1， CHEN Jiankui1,2， YIN Zhouping1

(1.State Key Lab of Digital Manufacturing Equipment & Technology, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074, China;

2.Department of Control Science & Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract： A new visual scheme based on dark field illumination theory is proposed for the requirement of halfdiecutting indentations detection on the multilayer transparent film, which can be used in flexible film discontinuous transportation systems for precise position control. Two groups of parallel light are involved to illuminate the indentations at a low angle to ensure that clear CCD images can be obtained in reflection and diffuse homogeneous lights. The fitline of indentations can be used to evaluate the film conveying positioning accuracy and calculate the compensation of next step. The scheme can achieve the target of position controlled by detecting the indentation in multilayer transparent film discontinuous transportation system. It is convenient enough to be implemented in the manufacturing process and already used for the membrane electrode assembly of the fuel cell production equipment.

Keywords： visual scheme； cutting indentation detection； multilayer transparent film； darkfield illumination

收稿日期：20110621

基金项目：国家科技支撑计划项目(2009BAF40B04);国家自然科学基金重点项目(51035002)0引言

多层结构透明膜的非连续输送系统被广泛应用在各种工程系统装备中，如RFID电子标签生产装备、燃料电池膜电极生产装备等。工况需求中常对薄膜输送的定位精度提出较高要求，在所输送薄膜上不存在印制标记时，可能需要检测工艺中产生的特征，如薄膜上的切痕。常用的光学测量方法，如利用反射光谱测量法［1］快速测量单层薄膜厚度和折射率，利用傅里叶分析法［2］测量厚度较厚的多层薄膜，利用三角测量法［3］测量膜层厚度及位移，均是针对薄膜自身的一些物理参数进行检测，对多层结构透明膜上切痕特征的检测，上述方法难以胜任。

多层透明结构膜上的切痕特征测量，基于薄膜半切工况下测量透明膜上切线位置、长短以及切痕与切痕之间的间距等参数。薄膜半切是指多层膜中切穿其中的某一层或几层，而其他层不被破坏的情况。这种多层透明薄膜上的半切切痕的检测有以下特点和难点：为避免膜层受到破坏和污染，需要一种非接触式的测量方法，典型的非接触式测量方法，如红外线［4］、超声波［5］和微波［6］探测器均不能实现膜上切痕特征的测量；由于膜层透明，切痕细小，切痕与其他部分的区分度低，一般检测形貌或裂缝的手段，如激光扫描法［7］、结构光［8］等均难以实现；测量精度要求达到微米级，测量稳定性要求高。

针对多层透明薄膜上切痕特征的检测需求，本文提出了一种基于暗场照明［9］的视觉检测方案。该方案拟利用切痕切口对低角度入射光反射和漫射的综合效果，通过视觉系统所采集图像，拟合出切口直线，从而实现对切痕的检测。

1传统机器视觉系统方案

机器视觉系统的应用范围特别广泛，针对不同的要求需要选用不同的组件，但一般来说均由照明部分如光源，光学部分如摄像机、镜头，工控机，执行机构等几个最基本的部分组成［10］。

对物体的检测过程中，在光学部分已满足要求的情况下，好的光源和照明往往是机器视觉应用系统成败的关键。光源与照明方案的配合应尽可能地突出物体特征量，在物体需要检测的部分与那些不重要的部分之间应尽可能地产生明显的区别，增加对比度。同时还应保证足够的整体亮度，物体位置的变化不应该影响成像的质量［11］。

典型的照明系统按其照射方法可分为：背向照明、前向照明等。背向照明是被测物放在光源和摄像机之间，被测物体挡住背光源的光，而其他部分的光进入镜头，这样能获得被测物体的清晰轮廓。它的优点是能获得高对比度的图像。前向照明是光源和摄像机位于被测物的同侧，环形光源将整个视场照亮，利用不同物体的性能不同，得到有区别的图像［12］。但是对于薄膜上的切痕检测来说，以上两种方式并不合适，原因如下：

(1) 前向照明光源中心和相机镜头中心同轴，它是通过反射光进入镜头成像的。然而在检测这种透明薄膜时，膜被展平形成了一个很大的镜面。那么在成像时就拍摄成了光源的镜面图像，并不能拍出膜上切痕。

(2) 要检测膜本身透光性很好，背光检测不能形成通常相对大而清晰的轮廓，切痕的成像只同周围膜有轻微的不同，不利于图像识别。

(3) 切痕的检测对光源调节要求高且切痕位置变化时会产生明显的影响，没有很好的稳定性。

(4) 膜上的划痕，会形成同切痕相近的图像，引入过多的杂点和干扰。

背向照明方案示意图如图1所示。

图1背向照明示意图前向照明系统方案示意图如图2所示。

图2前向照明示意图2基于暗场照明的视觉系统设计

2.1方案原理

暗场成像［1314］是指利用成像系统接收被检测对象的漫反射光，使得在暗背景下获取目标清晰明亮，灵敏度较高的图像。本文所提出的基于暗场照明的视觉系统，使用低角度的平行光代替传统上的前向照明、背向照明，如图3所示。若要形成暗场，则光源的位置应满足以下要求：L>Dtan(θ/2)

H

图3暗场原理图采用暗场照明方式的主要原因包括：

(1) 能突出要检测的切痕特征，从而获得检测部分和非检测部分区别明显、高对比度的图片，同时能减少背景光噪声；

(2) 条形光源能够在直线切痕方向甚至是整个视觉范围内产生均匀光照，图像质量良好，当切痕位置变化时不会影响成像的质量。

薄膜切口在光学显微镜下放大200倍微观结构图片,如图4所示。

由图可知，切口部位微观结构极不规则，光源照射时以漫反射为主。常规前向照明或背向照明时，由于照明光线进入镜头时，切口漫反射产生的效果没有得到显现而被照明光线掩盖，从而较难获取良好成像。基于暗场照明时，周围环境为全黑背景，因此切痕位置的漫反射效果得到很好的体现。

方案中主要硬件组成部分有：摄像机、镜头、条形光源、背景底板等,设计方案原理如图5所示。摄像机和镜头垂直于多层透明膜，视觉中心位于膜上两条切痕的中央。两个条形光源对称于视觉中心安装并以低角度照射，保证膜上两切痕获得均匀光照并使镜面反射的光不进入镜头。多层透明膜两端分别由张紧机构对其张紧，并按图中箭头所指方向步进，每次进给宽度为一个切片的宽度。背景底板为黑色吸光材料平板，其作用为吸收透过薄膜的光使其不对切痕成像产生干扰并阻隔外界干扰。因为条形光源以低角度入射，照在多层透明膜上的光绝大部分以反射光的形式反射掉并不进入镜头，而在切痕位置由于切口微观结构不规则，会产生漫反射光进入镜头，在成像效果上会产生切口位置发亮，而其余位置为黑色的高对比度的图像。

图4切口显微图片(×200)

(图形中央部分为切口，其表面极不规则呈凹凸不平状)图5暗场照明方案示意图2.2硬件选型核算

2.2.1技术参数及要求

物距为D=50 mm；相机视野为F=25 mm×25 mm；切口尺寸规格为199 mm×32 mm；视觉定位精度为VA=±0.025 mm;

2.2.2CCD选型

要求的视觉定位精度VA=±0.025 mm;设光学系统精度为SA，图像算法处理精度为PA，则:VA=SA+PA(2)因此，SA

2.2.3镜头选型

根据CCD选型计算，像素选取为2 448×2 048，则CCD芯片的长宽尺寸为L×W=8.8 mm×6.6 mm，则：

放大倍数：M=L/F=0.352(4)焦距：f=D×M/(1+M)≈13.0 mm(5)因此，与CCD相匹配的镜头选取最接近计算值的镜头焦距值f=12.5 mm，镜头据此可以确定。

核算工作距离：D=f×M/(1+M)≈48.0 mm(6)由于相机座和镜头均可调，因此选型合适。

2.2.4光源选择

因为本文采用的视觉系统是基于暗场照明的，且要求沿着切痕方向获得均匀照明，光源亮度调节范围要求较高，视觉范围为25 mm×25 mm。因此选择亮度较高的白色条形光源，照明宽度和亮度可以履盖视野范围。

3实验结果与分析

实验对象为用于燃料电池膜电极生产的三层结构透明膜，膜总体厚度为100 μm，第一层厚度为20 μm，第二层为25 μm，底层厚度为50 μm。实际生产工艺中需要将第一层和第二层切断，保留底层不切断作为牵引层。拟通过视觉系统对切痕进行测定，用于确定基板输送定位精度，所计算定位误差将作为非连续输送中下一步进位移(薄膜进给长度)的补偿值。

主要实验设备包括一部工业摄像机、镜头、两组LED条形光源、带有切痕的多层透明膜和黑色吸光材料背景底板等。其中摄像机、镜头固定在支架上并能上下调节， 两组LED条形光源从两侧以低角度对膜上两条切痕进行照明，带切痕的透明膜置于黑色吸光材料背景底板上方，并位于摄像机、镜头视野正中央。

图6所示为背光源方案获取的切痕效果图片，图中阴影直线部分为切痕,显然图片效果并不理想。

图6背光源方案切痕图像图7所示为前向环形光源图像效果，从图中可知前向照明不能获取膜上切痕的清晰图像，故此方式不能实现检测。

图7前向照明方案切痕图像图8为摄像机通过暗场照明视觉方案所成的图像。可以看到，通过低角度平行照明光源，可以得到切口位置发亮而其余位置为黑色的高对比度图像。

图8暗场照明方案切痕图像图9为检测拟合直线叠加到二值图上的效果图像。可以看到，图中拟合直线和原切痕完全重合。通过拟合直线的方程表达式，即可获得到待检测直线的参数，从而实现了对透明薄膜上细小切痕的检测。检测结果可用于测定薄膜输送的定位精度。实验说明了本文所提出的基于暗场照明视觉方案的可行性。

图9拟合直线叠加到二值图图像4结语

本文针对多层结构透明薄膜非连续输送工况下，通过切痕检测实现精确定位的需求，提出了一种基于暗场照明的视觉系统设计方案，实现了对透明薄膜上细小切痕的精确判定和测量。与传统视觉系统方案进行对比，该视觉系统具有结构简单，工作可靠，便于实现等优点。对实际薄膜切痕的实验结果显示了本方案的可行性，目前该视觉系统方案已经应用于燃料电池膜电极生产装备中。

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作者简介： 向邦懋男，土家族，1985年出生，湖北宣恩人，硕士研究生。主要研究方向为机械电子装备研发。