光纖面板暗影缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研制與開(kāi)發(fā)＊

王明吉，付冬華，吳 云

（東北石油大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

引 言

光纖面板作為當(dāng)代電子光學(xué)成像器件的關(guān)鍵元件，于20世紀(jì)60年代初在國(guó)外問(wèn)世，中國(guó)則于20世紀(jì)70年代后期由建筑材料科學(xué)研究院首次研制成功。由于光纖面板制造過(guò)程中各種不可控因素的影響（如紅外響應(yīng)、溫度等［1］），使得光纖面板存在各種各樣的缺陷，比如斑點(diǎn)、暗影、雞絲、棋盤(pán)格等，這些缺陷影響了光纖面板的傳像質(zhì)量，因此，開(kāi)發(fā)對(duì)這些缺陷進(jìn)行檢測(cè)的檢測(cè)系統(tǒng)是非常有意義的。國(guó)內(nèi)已經(jīng)有研究人員研制開(kāi)發(fā)了幾種缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，但對(duì)暗影缺陷目前并沒(méi)有檢測(cè)系統(tǒng)，仍采用投影目視判別方式進(jìn)行檢測(cè)，因此科學(xué)性和定位準(zhǔn)確性有一定的欠缺。國(guó)外很多光纖面板生產(chǎn)廠(chǎng)家在提高光纖面板質(zhì)量方面上致力于分析和研究光纖面板的生產(chǎn)技術(shù)和工藝改進(jìn)，尚未見(jiàn)相關(guān)暗影缺陷檢測(cè)的研究報(bào)道。

國(guó)標(biāo)［2］對(duì)暗影的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如下：

暗影定義：暗影為光纖面板在透過(guò)率上產(chǎn)生梯度變化。

暗影測(cè)試方法：用規(guī)定的朗伯光源與光纖面板的一面接觸并照明，用規(guī)定放大倍數(shù)的顯微鏡或其他儀器，在垂直于表面的方向上檢驗(yàn)光纖面板的另一面，對(duì)出現(xiàn)的暗影的亮度進(jìn)行定量測(cè)量。

光纖面板暗影缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)則是利用自動(dòng)控制和圖像處理等現(xiàn)代技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖面板暗影缺陷的自動(dòng)檢測(cè)。

1 硬件系統(tǒng)

光纖面板暗影缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。其中硬件系統(tǒng)包括朗伯光源、光纖面板、顯微放大系統(tǒng)、CMOS采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)，如圖1所示。由朗伯光源發(fā)出漫射光照明光纖面板，用單筒顯微鏡在垂直于光纖面板表面的方向上對(duì)其透光圖像進(jìn)行放大，并成像在面陣CMOS傳感器上。將CMOS采集到的圖像通過(guò)數(shù)字采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成數(shù)字圖像后存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，最后由軟件系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行分析，從而獲得光纖面板暗影缺陷的有關(guān)情況。

1.1 朗伯光源

對(duì)光纖面板暗影缺陷進(jìn)行檢測(cè)，必須有一個(gè)符合國(guó)標(biāo)規(guī)定的朗伯光源。系統(tǒng)的光源由積分球輔以溴鎢燈和可調(diào)電源組成?？烧{(diào)電源選取FLS7100精密直流電源，該電源是高穩(wěn)定度直流線(xiàn)性恒流型功率電源，輸出電壓范圍為0～28V，輸出電流范圍為0～2.5A，具有智能化程度高、穩(wěn)定度好、精度高、使用方便、輸出電流連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)；溴鎢燈色溫為3200K，鎢絲可以“自我再生”，并具有體積小、發(fā)光效率高、色溫穩(wěn)定、光衰小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)［3］；選取F4涂層、直徑為0.2m的積分球，開(kāi)孔尺寸在0～40mm范圍內(nèi)可調(diào)，該積分球可以使光的均勻度達(dá)到98%以上，輸出光照度達(dá)到400lx。

1.2 光纖面板

實(shí)驗(yàn)中用到的光纖面板有五塊，如圖2所示。其主要技術(shù)指標(biāo)：光纖尺寸≤6μm；理論數(shù)值孔徑≥1；準(zhǔn)直光透過(guò)率≥65%；朗伯光透過(guò)率≥57%。

圖1 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Acquisition system structure diagram

1.3 放大及采集系統(tǒng)

系統(tǒng)采用7×～45×連續(xù)變倍BY－002單筒顯微鏡作為放大系統(tǒng)，該顯微鏡的特點(diǎn)在于使用消像差和消色差的組合透鏡作為物鏡，可以高保真地放大光纖面板的透光圖像。采用BY－300CMOS工業(yè)相機(jī)作為數(shù)字采集系統(tǒng)，此相機(jī)采用USB2.0高速接口，最大分辨力為2048×1536，像元尺寸為3.2μm×3.2μm，具有圖像傳輸穩(wěn)定，色彩還原度高，圖像質(zhì)量好，性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。其中獨(dú)有的色彩還原機(jī)制，彌補(bǔ)了CMOS芯片本身色彩還原度差的缺陷，使得圖像色彩更加逼真［4］。

2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)包括“暗影缺陷邊緣檢測(cè)”、“邊緣優(yōu)化”、“暗影缺陷主要參數(shù)計(jì)算”和“系統(tǒng)總控”四個(gè)部分。在“系統(tǒng)總控”程序的控制下，實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，使暗影缺陷的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，如圖3所示。

根據(jù)光纖面板的傳像性能和光纖面板暗影缺陷的特點(diǎn)，利用檢測(cè)光纖面板透光圖像的灰度邊緣的方法來(lái)檢測(cè)暗影缺陷，利用改進(jìn)后的Canny算子對(duì)暗影缺陷進(jìn)行邊緣檢測(cè)。由于改進(jìn)的Canny算子獲取的暗影邊緣仍存在一定缺陷，因此，通過(guò)采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、區(qū)域生長(zhǎng)、骨架提取等方法，對(duì)暗影邊緣進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，最終得到清晰、完整的暗影缺陷邊緣圖像［5］。程序流程如圖4、圖5所示，并在VC＋＋6.0環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了軟件編程。

暗影缺陷主要參數(shù)計(jì)算的具體方法和步驟為：首先，對(duì)顯微成像系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，利用標(biāo)準(zhǔn)刻度尺在顯微鏡下成像，采集圖像，利用軟件計(jì)算圖像中相應(yīng)面積內(nèi)的像素?cái)?shù)，由此可獲得每個(gè)像素代表的實(shí)際尺寸；其次，利用軟件計(jì)算出每個(gè)暗影缺陷中的像素總數(shù)，再利用上述定標(biāo)結(jié)果，計(jì)算得到暗影缺陷的面積；接下來(lái)，利用鏈碼跟蹤技術(shù)對(duì)符合灰度值的像素點(diǎn)進(jìn)行跟蹤、計(jì)數(shù)，得到每個(gè)暗影缺陷的周長(zhǎng)、形狀等特征［6］；最后以表格的形式給出暗影缺陷各主要參數(shù)的檢測(cè)結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

利用該系統(tǒng)對(duì)五塊光纖面板進(jìn)行暗影缺陷檢測(cè)，下面以臺(tái)階板和直板為例，對(duì)其暗影缺陷進(jìn)行檢測(cè)和分析。

直板和臺(tái)階板正中心約1cm2的透光（原始）圖像如圖6所示。

暗影為光纖面板在透過(guò)率上產(chǎn)生的梯度變化，當(dāng)圖像灰度梯度值大時(shí)，可以用肉眼直接觀察。當(dāng)灰度梯度值比較小時(shí)，無(wú)法用肉眼直接區(qū)分，必須利用軟件系統(tǒng)對(duì)原始圖片進(jìn)行處理，得到清晰的暗影缺陷邊緣圖像，如圖7所示。

圖5 暗影缺陷邊緣優(yōu)化Fig.5 Shadow defects edge optimization

圖7 暗影邊緣檢測(cè)圖像Fig.7 Shadow edge detection image

暗影缺陷主要指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果如表1、表2所示。在直板約125mm2的被檢測(cè)區(qū)域（選區(qū)面積）內(nèi)，存在9個(gè)暗影缺陷，其總面積（目標(biāo)區(qū)總面積）為0.092mm2，占被檢測(cè)區(qū)域面積的0.073%。在臺(tái)階板約150mm2的被檢測(cè)區(qū)域（選區(qū)面積）內(nèi)，存在10個(gè)暗影缺陷，其總面積（目標(biāo)區(qū)總面積）為0.145mm2，占被檢測(cè)區(qū)域面積的0.097%。

表1 直板檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Plate panel detection results

表2 臺(tái)階板檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Step panel detection results

4 結(jié) 論

文中研制成功了一套光纖面板暗影缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)了光纖面板暗影缺陷的自動(dòng)檢測(cè)。通過(guò)對(duì)暗影缺陷邊緣的檢測(cè)與優(yōu)化，并通過(guò)軟、硬件系統(tǒng)的有機(jī)整合和整體控制，實(shí)現(xiàn)了光纖面板暗影缺陷的自動(dòng)檢測(cè)。同時(shí)，利用分析軟件，能夠給出暗影缺陷的主要特征、參數(shù)和指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確迅速，性能穩(wěn)定可靠，避免了傳統(tǒng)檢測(cè)方法中人為因素的影響，使測(cè)量結(jié)果更加精確，為改進(jìn)和完善光纖面板設(shè)計(jì)和工藝方法，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量提供了可靠的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

［1］YIE J J，BELLINGHAM R J.Analysis of the influence factors of infrared response of fiber optical plate［C］∥Photo Electronic Detection and Imaging：Technology and Applications′93.Beijing：Central Industrial Optics，1993：454－458.

［2］顧肇業(yè)，林樹(shù)范，朱瑞明，等.GB 11447－1989光纖面板測(cè)試方法［S］.北京：機(jī)械電子工業(yè)部，1989.

［3］高稚允，高 岳.光電檢測(cè)技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995.

［4］HERMAN M G.Electronic imaging resource guide［C］∥Report of Edmund Industrial Optics.Barrington：Edmund Industrial Optics，2001.

［5］王明吉，吳 云，周喜紅.基于邊緣算子和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的光纖面板暗影檢測(cè)［J］.光學(xué)儀器，2008，30（1）：24－28.

［6］朱秀昌，劉 峰，胡 棟.數(shù)字圖像處理與圖像通信［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2002：37－149.