一种光源及其设置方法、光学检测方法及系统与流程

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种光源及其设置方法、光学检测方法及系统。

背景技术：

产品外观缺陷检测设备的构成通常包括照明光源、光源控制器、工业相机、镜头和图像分析处理软件，其中，照明光源的作用是将产品上的缺陷显现出来，显示缺陷的基本原则是突出缺陷区域和缺陷所处产品正常区域在人眼可感知物理量方面的差别，此差别通常为光强度差异和颜色差异。

例如，目前主要用于图像显示的lcd、oled、miniled、microled等面阵发光器件就其自身特点来说是高度灵活、可控的光源。这些发光器件不仅在结构形式上突破了常规面光源的限制，可以实现曲面、球面或自由曲面，而且表现在发光特性数据方面，例如可以在微米级别控制发光单元的颜色和发光强度。一方面，这些特点用于显示应用时，带来的是人们视觉感官方面的友好改善，使得使用者享受高品质图像展示。另一方面，当这些特点结合光学投影设备，用于缺陷检测照明时，使得在照明空间内生成可控光强和颜色分布的光场成为可能，而且可以几乎自由地在照明空间内调整光强、颜色。这些特点无疑会给缺陷检测技术带来新的手段。

现有的缺陷检测技术，存在由于被检测目标区域不同位置反射强度差异大，超过相机响应动态范围的情况，此时，单幅图像局部区域或出现曝光不足，或出现过曝，使得图像的局部信息差异缺失。目前通常采用相机多次曝光的方法来解决，但此方法受到特定检测场合的限制，例如产品处于移动状态。一种与本发明所述技术相关的照明光源形式是在光源前面放置一块具有可变或固定图案的透射模板，模板上的图案被光源和投影光学系统照射在投影平面上，该种形式以条纹结构光为主，大多用于3d轮廓检测。另一种形式是普遍使用的投影机、投影仪，用于显示播放图像及视频，可以将丰富的图像投射在被照明平面上，但其使用目的是显示放映图像，并没有根据放映出的图像进行反馈调整功能。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光源及其设置方法、光学检测方法及系统，通过调整面阵照明光源的发光强度分布以提高被其照射的被检测物体的检测精度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光源设置方法，该方法包括：

获取标准样品在相机视场范围内的图像灰度分布特性数据；

根据图像灰度分布特性数据调整光源的发光强度分布，光源为面阵发光器件，面阵发光器件包括发光强度可控的发光单元；

利用调整后的光源对被检测产品进行照明。

作为本发明的进一步改进，根据图像灰度分布特性数据调整所述光源的发光强度分布包括：

对于图像子区域的平均灰度值低于设定阈值范围，则提高与所述图像子区域对应的发光单元的光强，对于图像子区域的平均灰度值高于设定阈值范围，则降低与所述图像子区域对应的发光单元的光强。

作为本发明的进一步改进，获取标准样品在相机视场范围内的图像灰度分布特性数据包括：

设置发光单元的初始发光强度相同，面阵发光器件成像或投影至照明区域内的标准样品表面，利用相机对标准样品表面拍照以获取图像灰度分布特性数据。

作为本发明的进一步改进，根据图像灰度分布特性数据调整光源的发光强度分布包括：

获取图像各子区域与发光单元之间的对应关系；

获取图像各子区域的平均灰度值与预先设置的灰度参考值之间的偏差，根据偏差设置反馈矩阵，根据反馈矩阵调整对应发光单元的发光强度；

灰度参考值为图像处于均衡状态时的灰度值，均衡状态为图像的平均亮度值达到预设值且图像各子区域之间的亮度差值的绝对值小于第一预设阈值。

作为本发明的进一步改进，根据偏差设置反馈矩阵，具体为：

若偏差为负数且偏差的绝对值大于第二预设阈值，则根据偏差按照比例增强图像子区域对应的发光单元的发光强度；

若偏差为正数且偏差的绝对值大于第二预设阈值，则根据偏差按照比例减小图像子区域对应的发光单元的发光强度；

根据反馈矩阵调整对应发光单元的发光强度，具体为：

根据调整后的发光强度更新标准样品在相机视场范围内的图像灰度分布特性数据，以获得更新后的反馈矩阵，通过迭代，使得获得的图像为均衡状态。

作为本发明的进一步改进，获取标准样品在相机视场范围内的图像灰度分布特性数据包括：

获取预先存储的数据，预先存储的数据包括标准样品在相机视场范围内的图像灰度分布特性数据，或者，预先存储根据标准样品在相机视场范围内的图像灰度分布特性数据获得的用于对各个发光单元进行光强调节的反馈矩阵；

反馈矩阵的设置规则为，对于图像子区域的平均灰度值低于设定阈值范围，则提高与图像子区域对应的发光单元的光强，对于图像子区域的平均灰度值高于设定阈值范围，则降低与图像子区域对应的发光单元的光强。

作为本发明的进一步改进，根据图像灰度分布特性数据调整光源的发光强度分布包括：

根据预先存储的数据获取初始反馈矩阵，根据初始反馈矩阵设置光源的初始发光强度；

根据初始发光强度更新标准样品在相机视场范围内的图像灰度分布特性数据，以获得更新后的反馈矩阵；

通过迭代，使得获得的图像为均衡状态，均衡状态为图像的平均亮度值达到预设值且图像各子区域之间的亮度差值的绝对值小于第一预设阈值。

作为本发明的进一步改进，面阵发光器件发出的光线通过光学组件成像或投影到照明区域，以使得照明区域的各个子区域与面阵发光器件的各个发光单元具有光学共轭关系。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种光学检测方法，光学检测方法包括上述光源设置方法，以及

相机，用于对标准样品或者待测产品进行成像。

作为本发明的进一步改进，该方法还包括：

在获取标准样品在相机视场范围内的图像灰度分布特性数据之前，固定相机模组的可调整参数；

利用固定相机的可调整参数获取标准样品在相机视场范围内的图像灰度分布特性数据。

作为本发明的进一步改进，该方法还包括：

在根据图像灰度分布特性数据调整光源的发光强度分布之后，调整相机模组的可调整参数，使得标准样品反射的图像亮度调节到均衡状态，均衡状态为图像的平均亮度值达到预设值且图像各子区域之间的亮度差值的绝对值小于第一预设阈值。

作为本发明的进一步改进，相机模组的可调整参数包括曝光时间、光圈大小和增益中的一个或多个。

作为本发明的进一步改进，其中，

光源与相机利用包括分光镜的光学组件形成的同轴光照/成像系统，或者

光源的投影光轴与相机的成像光轴之间具有夹角，使得成像系统对被测样品的反射光成像或透射光成像。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种光源，光源为面阵发光器件，面阵发光器件包括发光强度可控的发光单元，

光源用于对被检测产品进行照明，通过根据标准样品在相机视场范围内的图像灰度分布特性数据获得的反馈矩阵调整光源的发光强度分布。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种光学检测系统，该系统包括：

上述的光源；

以及相机，用于在根据图像灰度分布特性数据调整光源的发光强度分布之后，调整相机模组的可调整参数以使得标准样品反射的图像亮度调节到均衡状态，均衡状态为图像的平均亮度值达到预设值且图像各子区域之间的亮度差值的绝对值小于第一预设阈值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明的一种光源及其设置方法、光学检测方法及系统，其根据被检测产品在相机视场范围内的图像灰度分布，调整面阵照明光源的发光强度分布，将补偿后的亮度分布反馈给光源，进行补偿亮度分布的照明，从而使得图像达到灰度均匀状态。在此基础上，还可以通过调节相机的参数，从而调整图像的亮度。通过上述手段，避免高反射区域图像饱和，同时提高低反射区域的图像亮度，使得无论是高反射区域还是低反射区域的缺陷都可以被同时显示出来，其工作原理简单、清晰，使用的各项单元技术成熟，例如成像技术、投影技术、发光元件显示技术、图像灰度分析技术，因此便于工程实现和产品化，而且因为增加了照射光强度的差异，可以使单帧图像获得超出其自身动态范围的检测能力，不需要对反差大的被测产品进行多次曝光，节省了检测时间，从而提高检测效率、降低成本。

附图说明

图1为本发明技术方案的面阵发光器件与照明区域映射关系的示意图；

图2为本发明技术方案的面阵发光器件投影图案的示意图；

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：

1-面阵发光器件、2-成像/投影光学组件、3-照明区域、4-发光单元和5-照明子区域。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

本发明所涉及的技术术语解释如下：

lcos：liquidcrystalonsilicon，即硅基液晶。

在一个实施例中，提供了一种光源设置方法，该方法包括如下步骤：

获取标准样品在相机视场范围内的图像灰度分布特性数据；根据图像灰度分布特性数据调整光源的发光强度分布，光源为面阵发光器件，面阵发光器件包括发光强度可控的发光单元；利用调整后的光源对被检测产品进行照明。

具体地，该方法中所用到的光源为面阵发光器件，面阵发光器件包括发光强度可控的发光单元，这样不同发光单元照射至被检测产品所对应的区域不同，由于被检测产品各个区域的反射特性数据不同，通过相机拍照获取标准样品在相机视场范围内的图像灰度分布特性数据，图像灰度分布特性数据即为各个像素点对应的灰度的分布情况，分析该图像中各个像素点对应的灰度的分布情况就可以得到标准样品在相机视场范围内的图像灰度分布特性数据，通过图像灰度分布特性数据调整光源的发光强度分布，如对于图像子区域的平均灰度值低于设定阈值范围，则提高与所述图像子区域对应的发光单元的光强，对于图像子区域的平均灰度值高于设定阈值范围，则降低与所述图像子区域对应的发光单元的光强，利用调整后的光源对被检测产品进行照明，这样可以避免被检测产品的高反射区域图像过于饱和，同时提高低反射区域的图像亮度，使得无论是高反射区域还是低反射区域的缺陷都可以被同时显示出来。

图1为本发明技术方案的面阵发光器件与照明区域映射关系的示意图。如图1所示，面阵发光器件1由多个发光单元4组成，面阵发光器件的类型包括miniled、oled、microled、lcos等，每个发光单元4可以是单色发光单元，也可以是多色子发光单元的组合，例如rgb单元，面阵发光器件在驱动电路的驱动下，可以按发光单元或发光子单元独立控制发光及发光强度。面阵发光器件1发出的光线经过成像/投影光学组件2成像或投影到照明区域3，照明区域的照明子区域5与发光单元4具有光学共轭关系，其上的照度由对应的发光单元的发光强度决定，将被检测物体放置于照明区域，通过相机拍照被检测物体表面的成像照片，以供后续分析。

作为一个优选的实施例，获取标准样品在相机视场范围内的图像灰度分布特性数据包括：设置发光单元的初始发光强度相同，利用相机对标准样品表面拍照以获取图像灰度分布特性数据。

具体地，标准样品在相机视场范围内的图像可以是事先拍照所得的，也可以是现场拍摄所得，其中拍摄该图像时光源中的发光单元的初始发光强度可以依据需求进行设置，例如，设置面阵发光器件为均匀发光，即设置每个发光单元强度相同，光强为其最大发光强度的一半。面阵发光器件成像或投影至照明区域内的标准样品表面，利用相机对标准样品表面拍照就可以获取图像灰度分布特性数据。由于反射系数与波长相关，例如用同样强度的红色光照明具有红色和蓝色区域的被测品，红色区具有较高的反射，在图像中显示为高灰阶（或过曝），蓝色区显示为低灰阶（或曝光不足）。对于彩色样品，同样可以通过提高图像低灰度区域的光照强度，降低图像近饱和或过曝区域的光照强度，从而达到平衡图像灰度，以得到后续可进行有效处理的图像。

面阵发光器件采用均匀光场照明，利用相机拍摄样品表面（产品的首件标准品）图像，将成像图像的亮区所对应的面阵发光器件的发光单元调暗，将成像图像的暗区所对应的面阵发光器件的发光单元调亮，直到成像图像的平均灰度处于预设的有效范围内（预设的有效范围即为可实现图像有效检测的范围，例如图像饱和值的50%~80%，对应举例中的灰度128~204），由于投影光场并不均匀，其可以将反射率低的区域所对应照明区域的亮度提升，将反射率过高的区域所对应照明区域的亮度降低，以主动的形式补偿面阵发光器件的发光强度使得被检测物体表面的反射强度处于可被检测的有效范围内。

作为一个优选的实施例，根据图像灰度分布特性数据调整光源的发光强度分布包括：获取图像各子区域与发光单元之间的对应关系；获取图像各子区域的平均灰度值与预先设置的灰度参考值之间的偏差，根据偏差获取反馈矩阵，根据反馈矩阵调整对应发光单元的发光强度。灰度参考值为图像处于均衡状态时的灰度值，所均衡状态为图像的平均亮度值达到预设值且图像各子区域之间的亮度差值的绝对值小于第一预设阈值。

具体地，由于获取拍照所得的图像各个子区域与发光单元之间存在对应关系，计算图像子区域的平均灰度值与灰度参考值之间的差值的绝对值，该绝对值大于第一预设阈值范围，即图像子区域的平均灰度值过大或者过小，则根据差值按照比例调整对应的发光单元的发光强度，如若偏差为负数且偏差的绝对值大于第二预设阈值，则说明图像子区域的平均灰度值较小，需要提高对应区域的光照强度，具体地，可以按照比例增强图像子区域对应的发光单元的发光强度，从而提高被检测产品的低反射区域图像的灰度值；若偏差为正数且偏差的绝对值大于第二预设阈值，则说明图像子区域的平均灰度值较大，需要降低对应区域的光照强度，具体地，可以根据偏差按照比例减小图像子区域对应的发光单元的发光强度，从而降低被检测产品的高反射区域图像的灰度值。灰度参考值为图像处于均衡状态时的灰度值，均衡状态为图像的平均亮度值达到预设值且图像各子区域之间的亮度差值的绝对值小于第一预设阈值，作为一个示例，均衡状态下为可实现图像有效检测，例如图像饱和值的50%~80%，对应举例中的灰度128~204。

更优选的，上述调整过程可以是一个迭代过程，根据调整后的发光强度更新标准样品在相机视场范围内的图像灰度分布特性数据，以获得更新后的反馈矩阵，通过迭代，使得获得的图像为均衡状态，均衡状态为图像的平均亮度值达到预设值且图像各子区域之间的亮度差值的绝对值小于第一预设阈值。

通过上述迭代，可以使得面阵发光器件对应的反馈矩阵的值更精确，从而使得获取的图像灰度分布特性数据更加准确，通过控制对应的迭代参量，如控制迭代次数或者两次迭代的误差在预设范围内时终止迭代，从而使得面阵发光器件对应的反馈矩阵的值更加精确，从而使得获取的图像灰度分布特性数据更加准确。例如，对于一个样品表面存在4个反射系数不同的区域，在最亮和最暗区域分别有反射系数与其所处背景相差不大的缺陷，当用均匀分布的光场照明时，可能存在亮区过曝，其他区域正常，或者暗区曝光不足而其他区域正常的情况，使用上述方法，在设定面阵发光器件为均匀发光的设置状态拍照，分析图像，将强度分布反馈矩阵传递给面阵发光器件，调整各区的照射强度（反馈补偿），可以循环拍摄图像和调整各区的照射强度，直到各个区域的照明强度达到图像处理所需要的理想状态；此时记录反馈矩阵，并补偿给面阵发光器件，作为针对此产品、此区域检测缺陷的设置。

作为一个优选的实施例，获取标准样品在相机视场范围内的图像灰度分布特性数据还可以为：获取预先存储的数据，预先存储的数据包括标准样品在相机视场范围内的图像灰度分布特性数据，或者，预先存储根据标准样品在相机视场范围内的图像灰度分布特性数据获得的用于对各个发光单元进行光强调节的反馈矩阵；反馈矩阵的设置规则为，对于图像子区域的平均灰度值低于设定阈值范围，则提高与图像子区域对应的发光单元的光强，对于图像子区域的平均灰度值高于设定阈值范围，则降低与图像子区域对应的发光单元的光强。

具体地，若已知晓标准样品表面各个区域对光线的反射特性数据，例如已知晓标准样品表面各个区域对光线的反射系数，可以依据标准样品表面各个区域对光线的反射系数设置对应的发光单元的初始发光强度，具体地，若对应的区域反射系数较大，则较小与该区域对应的光强，若对应的区域反射系数较小，则增大与该区域对应的光强，从而使得获得的图像达到初步均衡的状态。

更优选的，上述调整过程可以是一个迭代过程，根据预先存储的数据获取初始反馈矩阵，根据初始反馈矩阵设置光源的初始发光强度；根据初始发光强度更新标准样品在相机视场范围内的图像灰度分布特性数据，以获得更新后的反馈矩阵；通过迭代，使得获得的图像为均衡状态，均衡状态为图像的平均亮度值达到预设值且图像各子区域之间的亮度差值的绝对值小于第一预设阈值。通过迭代，可以使得面阵发光器件对应的反馈矩阵的值更精确，从而使得获取的图像灰度分布特性数据更加准确，通过控制对应的迭代参量，如控制迭代次数或者两次迭代的误差在预设范围内时终止迭代，从而使得面阵发光器件对应的反馈矩阵的值更加精确，从而使得获取的图像灰度分布特性数据更加准确。

图2为本发明技术方案的面阵发光器件投影图案的示意图。如图2所示，已知灰度分布特性数据为被检测物体反射系数，被检测物体反射系数分别为a区：10、b区：128、c区：160和d区：240，其中，反射系数为0时对入射光全部吸收，没有反射；反射系数为255时，对入射光有100%的反射。设置反射系数区间为0~255也对应着相机采集图像的灰度值为0~255，图像像素灰度值超过255为饱和或过曝，低于50为曝光不足。则按照样品表面反射系数的分布情况来调整照明区域各个子区域的光照强度，例如，设置照明区域各个子区域的光照强度分别为a区：10x255、b区：255、c区：255和d区：0.5x255，则各个子区域的反射强度（相机拍摄图像对应的灰度值）分别为a区：100、b区：128、c区：160和d区：120，在各个子区域的缺陷（以反射系数减少10%为示例）对应的灰度值分别为a区：（1-10%）*100=90、b区：（1-10%）*128=115、c区：（1-10%）*160=144和d区：（1-10%）*120=108，各个子区域基底与缺陷的灰度差分别为a区：10、b区:13、c区：16和d区：12。可见，相比于各个子区域的缺陷与基底灰度差均衡到10几个灰阶，a区原来1个灰阶的差别放大到10个灰阶，有利于a区的缺陷检出，同时，d区缺陷与基底灰阶差降到12，不影响缺陷检出。

对比于现有技术中，强度为255的照明投影均匀光场照明至被测品表面时，被测品各区的反射强度（灰度值）分别为a区：10、b区：128、c区：160、d区：240，被测品存在缺陷（以缺陷反射系数与各处背景区域相差10%为示例）时，在各区的缺陷（以反射系数减少10%为示例）对应的灰度值分别为a区：（1-10%）*10=9、b区：（1-10%）*128=115、c区：（1-10%）*160=144、d区：（1-10%）*240=216，各区基底与缺陷的灰度差为：a:1，b:13，c:16，d:24。因此，对比于b、c、d区，a区的缺陷与基底灰度差小到1个灰阶，如果相机的图像噪声超过1个灰阶，则通常检测不到a区的缺陷。

与此对应的，本发明还提供了一种光学检测方法，该光学检测方法包括上述光源设置方法。作为一个优选的实施例，通过将投影图案输出给面阵发光器件，以使得面阵发光器件依据该投影图案发光，通过光学系统投射至放置有被检测物体的照明区域，光学系统可以是通过包括分光镜的光学组件构成同轴光照/成像系统，也可以是成像光轴与投影光轴有夹角的倾斜方式形成的光学系统。利用相机对照明区域拍照，利用计算机对图像进行分析，记录曝光不足和曝光过度的区域，形成反馈矩阵并反馈给面阵发光器件，增加曝光不足的照明区域对应发光单元区域的发光强度和降低曝光过渡的照明区域对应发光单元区域的发光强度，利用相机对被检测物体表面再次拍照，以实现后续步骤的分析，如分析该成像图像实现被检测物体的表面缺陷的准确检测。

由于图像亮度还跟相机的参数有关，作为另一个优选的实施例，上述方法还包括：在获取标准样品在相机视场范围内的图像灰度分布特性数据之前，固定相机的参数；利用固定相机的参数获取标准样品在相机视场范围内的图像灰度分布特性数据；在根据图像灰度分布特性数据调整光源的发光强度分布之后，调整相机的参数，使得标准样品反射的图像亮度调节到均衡状态，均衡状态为图像的平均亮度值达到预设值且图像各子区域之间的亮度差值的绝对值小于第一预设阈值，通过调整相机的曝光时间、光圈大小和增益中的一个或多个，可以使得成像图像的平均亮度值达到预设值。

与上述一种光源设置方法相对应的，本发明还提供了一种光源，该光源为面阵发光器件，面阵发光器件包括发光强度可控的发光单元，

该光源用于对被检测产品进行照明，通过获取标准样品在相机视场范围内的图像灰度分布特性数据，根据图像灰度分布特性数据调整光源的发光强度分布。该光源的实现原理、技术效果与上述光源设置方法类似，在此不做累述。

与上述一种光学检测方法相对应的，本发明还提供了一种光学检测系统，该系统包括：

上述光源；

以及相机，用于在获取标准样品在相机视场范围内的图像灰度分布特性数据之前，利用固定参数拍照以获取标准样品在相机视场范围内的图像；还用于在根据图像灰度分布特性数据调整光源的发光强度分布之后，调整参数以使得标准样品反射的图像亮度调节到均衡状态，均衡状态为图像的平均亮度值达到预设值且图像各子区域之间的亮度差值的绝对值小于第二预设阈值。该系统的实现原理、技术效果与上述光学检测方法类似，在此不做累述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。