具体组成结构如下：
[0036] (1)光纤传光子系统
[0037] 光纤传光子系统主要由点光源2、球面聚光反射镜1、聚焦透镜系统3和传光光纤 4组成。点光源2发出的光经球面聚光反射镜1反射后，聚集成一束平行光，再经过聚焦透 镜系统3传入传光光纤4,用以照明被检测物体表面。光纤传光子系统中的传光光纤，不仅 要求其直径尽量小，还应有较高的数值孔径，才能达到较高的耦合效率，进而提高成像视 场的光照度。
[0038] (2)检测端光纤照明子系统
[0039] 如图2所示，在产品检测端，传像光纤8呈圆周形均匀地排布在检测环5上，每根 传像光纤8传递物体圆周上每一个小点的图像信息，这样排列在圆周一圈的传像光纤正好 可以传递物体整个圆周的图像信息；同时，对于每一根传像光纤8,其周围都紧密的排列着 一圈传光光纤4,这样每根传光光纤的光就可以照亮每束传像光纤束的视场，一根传像光纤 与其周围排列的传光光纤开成一条光纤束；排列成一圈的光纤束就可以很清晰地将被测物 体表面信息传输出去。
[0040] 在每一根光纤束中，传像光线8和传光光纤4的具体排列（沿检测环圆周展开） 如图3所示，假设传像光纤8的直径为D，传光光纤4的直径为d，每根传像光线8周围有n 根传光光纤4与其直接接触（一根传光光纤周围有多根传光光纤包围），传光光纤4的总 数为N，传像光纤8的总数为M，光纤束排列所在的圆周直径为〇,则有：
[0041]①排列a，每根传像光纤周围都有传光光纤围成一周，并且相邻的传像光纤共享与 他们都相邻的传光光纤，具体排列见图3-排列a :
[0042] 对于排列a，设每根传像光纤周围有n根传光光纤围成一周，故有0 = 2 Jr /n，又 根据几何关系，sin( 9 /2) = cV(D+d)，所以在排列时n、D和d的约束关系为：
[0043] sin (Jr/n) = d/(D+d)①
[0044] 将光纤束沿检测环周长方向展开，得M和〇的关系约为：
[0045]Jr O= MX(D+d)cos( 9/2)，即 M = Jr0/[(D+d)cos( 9/2)]②
[0046] 由传光光纤和传像光纤的排列关系，易得N和M的关系约为：
[0047] N = (n-2) XM ③
[0048] 因此，若D、d和〇已知，则由①、②和③可得每根传像光纤周围排列的传光光纤数 目n、传像光纤的总数M以及传光光纤的总数N。
[0049] ②排列b，传像光纤紧密的排成一周，传光光纤分别紧密的排列在这一圈传光光纤 的上下两面上：
[0050] 对于排列b，假设对于每一根传像光纤的上半圆周，有（n/2-l) 0 +2 a = 31，又根 据几何关系sin( 0/2) = d/(D+d), cos(a ) = D/(D+d),所以在排列时n、D和d的约束关 系为：
[0051] (n/2-1)*2arcsin (d/(D+d))+2arccos (D/(D+d)) =n④
[0052] 将光纤束沿检测环周长方向展开，得M和&的关系约为：
[0053] Ji O= MXD，即 M= Jr O/D⑤
[0054] 由传光光纤和传像光纤的排列关系，易得N和M的关系约为：
[0055] N = (n-2) XM ⑥
[0056] 同样，若D、d和〇已知，则由④、⑤和⑥可得每根传像光纤周围排列的传光光纤数 目n、传像光纤的总数M以及传光光纤的总数N。
[0057] 总之，对于以上两种排列，通过以上公式便可确定光纤束的尺寸规格，以及光纤束 的数量。
[0058] (3)传像子系统
[0059] 如图1所示，传像子系统是由自聚焦棒透镜6、传像光纤8、圆柱透镜9组成。自聚 焦棒透镜6排列在传像光纤8的光线采集端，用以聚焦光线到传像光纤8,圆柱透镜9排列 在传像光纤8的光路输出端，用以聚焦光线到CCD感光原件。传像子系统的设计是体现系 统性能的关键部分，它的合理设计可以保证系统具有理想的视场角、分辨率和景深。系统 的景深主要与入瞳尺寸和成像透镜的焦距有关，本工作所用的成像透镜为近年来发展起 来的自聚焦棒透镜，这种透镜不同于传统的球面透镜，其折射率由透镜中心沿径向梯度分 布。棒透镜尺寸和焦距可以小到毫米量级，并具有较大的数值孔径和较小的像差。
[0060] 传像光纤束的传像原理图如附图4示，传像光纤束是将多根一定长度的光纤有规 则地集合成束而达到能传递图像的纤维光学元件。每根光纤都有良好的光学绝缘，其独立 传光面不受邻近其它光纤的影响。在本发明中，每根传像光纤8还与一个自聚焦帮透镜6 对应，自聚焦透镜6能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小， 从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点，聚焦给传像光纤，自聚焦棒透镜6的直径 应大于传像光纤的直径，一般为D+2d。这样，光纤的传光面（即光纤芯层）就可看作为1个 取样孔，在独立的传光过程中携带着1个像元。像元的大小为取样孔的大小，像元的数目等 于端面上光纤的根数。传像束两端必须相关排列，一一对应。
[0061] (4)数据采集与处理子系统
[0062] 该部分与通用图像采集系统类似，由线阵CCD10和计算机11组成。传像光纤输 出的图像经由圆柱透镜9成像在线阵CCD11的靶面上，由图像采集卡采集到计算机后进 行图像处理并实时显示。在本工作的传像子系统中，图像不仅被实时采集显示，而且可存 储到计算机中以备后期处理，进而可以大大地提高诊断的可靠性。同时可利用计算机进行 图像数据的管理，为以后实现诊断系统的智能化打下基础。
[0063] 下面结合附图3(排列a)对本发明的检测方法用实例作详细说明。
[0064] 假设光纤束所在圆周直径为〇= 100mm，则周长C=itC>=100jtmm。就排列a 而言，若选取传像光纤直径（外径）D = 640um，传光光纤直径（外径）d = 280um，因为每根 传像光纤对应一个自聚焦帮透镜，所以取自聚焦棒透镜的直径dl = D+2d = 1. 1mm，这样就 可以采用直径为1mm的自聚焦帮透镜。
[0065] 由公式①，得：
[0066]
【主权项】
1. 一种基于光纤图像传输的圆柱面表面微痕缺陷的检测系统，其特征在于，该检测系 统包括光纤传光子系统、检测端光纤照明子系统、传像子系统，以及数据采集与处理子系 统，其中： 所述光纤传光子系统包括点光源（2)、球面聚光反射镜（1)、聚焦透镜系统（3)和传光 光纤（4);点光源（2)发出的光经球面聚光反射镜（1)反射聚焦后，经过聚焦透镜系统（3)， 形成一束平行光导入传光光纤（4)，传光光纤（4)在出射端围绕外圆柱面轴线同心地均匀 排列，并将照明光传递到被检测的外圆柱周围，形成环状的均匀照明区域，用以照明被检测 外圆柱的外表面； 所述检测端光纤照明子系统包括检测环（5)、传光光纤（4)、自聚焦棒透镜（6)和传像 光纤（8);传光光纤（4)及传像光纤（8)呈圆周状均匀地排布在检测环（5)上，每根传像光 纤（8)传递被检测物体圆周上某一个对应位置的微小区域的图像信息，排列在圆周一圈的 传像光纤（8)的组合将传递被检测圆柱外表面一圈环形区域的图像信息；对于每一根传像 光纤（8)，其周围紧密的有规律地排列着一组传光光纤（4)，若干根传光光纤（4)的组合，便 可照亮每根传像光纤（8)的视场，一根传像光纤（8)与其周围排列的传光光纤（4)形成一 条光纤束，有规律整齐地排列安放在检测环（5)上； 所述传像子系统包括自聚焦棒透镜(6)、传像光纤（8)和圆柱透镜（9);自聚焦棒透镜 (6)排列在传像光纤（8)的光线采集端，用以聚焦由被测表面反射回来的光线到传像光纤 (8)中，圆柱透镜（9)排列在传像光纤⑶的光路输出端，用以聚焦光线到线阵CCD (10)上， 以得到被测表面的图像； 所述数据采集与处理子系统，包括线阵CCD(IO)和计算机（11)，传像光纤（8)输出的图 像经由圆柱透镜（9)成像在线阵CCD(Il)的靶面上，由图像采集卡采集并传输到计算机后 (11)显示并进行图像处理。
2. 如权利要求1所述的基于光纤图像传输的圆柱面表面微痕缺陷检测系统，其特征在 于，所述光纤束的排列方式为： 每根传像光纤（8)周围都有传光光纤（4)围成一周或半圈，并且相邻的传像光纤（8) 共享与它们都相邻的传光光纤（4); 每根传像光纤周围排列的传光光纤（4)数目n、传像光纤（8)的总数M以及传光光纤 (4)的总数N分别为： sin(Ji /n) = cV(D+d)，M = Ji ?/[ (D+d) cos ( 9 /2) ]，N = (n-2) XM，D 为传像光纤（8) 的直径，d为传光光纤（4)的直径，?为光纤束排列所在的圆周直径。
3. 如权利要求1所述的基于光纤图像传输的圆柱面表面微痕缺陷的检测系统，其特征 在于，所述光纤束的排列方式为： 传像光纤（8)紧密的排成一周，传光光纤（4)分别紧密的排列在这一圈传像光纤（8) 的上下两面上； 每根传像光纤周围排列的传光光纤（4)数目n、传像光纤（8)的总数M以及传光光纤 (4)的总数N分别为： (n/2-l)*2arcsin(d/(D+d))+2arccos(D/(D+d)) = JT，M = Jr C>/D，N = (n_2) XM，D 为传像光纤（8)的直径，d为传光光纤（4)的直径，?为光纤束排列所在的圆周直径。
【专利摘要】本发明公开了一种基于光纤图像传输的圆柱面表面微痕缺陷的检测系统，运用光纤束传像原理，将传像光纤有规则地排列在一个同心圆周上，实现外圆柱表面一周的图像采集及缺陷检测。该装置主要包括球面聚光反射镜、点光源、聚焦透镜系统、传光光纤、自聚焦棒透镜、传像光纤、柱面透镜和线阵CCD。本发明一方面通过光纤将外界照明光引入，使被检测表面的环状检测区域被充分照明；另一方面利用传像光纤把被检测表面的反射光传递给CCD聚焦透镜系统；最后通过图像采集卡和计算机软件分析检测圆柱类物体外表面的缺陷。该装置结构简单，在对封闭回转表面进行检测时，不需要待测物体或线阵CCD的旋转，便可完成对圆柱表面整个圆周微痕缺陷的实时检测。
【IPC分类】G01N21-952
【公开号】CN104849288
【申请号】CN201510236170
【发明人】王平江, 邹尚波, 刘权
【申请人】华中科技大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月11日