一种基于机器视觉的透光容器壁厚检测装置及方法
【专利摘要】本发明提供一种基于机器视觉的透光容器壁厚检测装置及方法。所述透光容器壁厚检测装置包括：光源、分光系统、检测镜头、光谱检测仪以及数据处理单元。本发明的透光容器壁厚检测装置通过具有较大轴向色散的镜头使得入射光线在轴向上不同波长的聚焦点分开，且分布在垂直于玻璃瓶待测点切线方向。采用大数值孔径的镜头确保玻璃瓶一定程度的离心旋转下也能检测到准确的厚度信息。采用白色LED白光光源使其可适用于各色透明玻璃瓶。本发明装置适用于机器视觉在线快速、准确的实时检测。本发明的装置和方法可以准确稳定地测量出在线旋转运动瓶体的厚度信息，为玻璃瓶及其他透光容器质量检测提供依据。本设备还可用于对玻璃板等平板状物体的厚度检测。
【专利说明】
一种基于机器视觉的透光容器壁厚检测装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光学检测领域，具体涉及一种进行非接触式机器视觉在线玻璃瓶壁厚 的检测装置及方法。
【背景技术】
[0002] 目前，空瓶、医药行业发展迅速，但国内企业生产工艺相对的落后，在生产过程中 容易出现不合格产品。为了保证产品质量，需要在瓶体出厂之前进行各种检测，而玻璃容器 产品壁厚的一致性是保证玻璃瓶质量的一个重要指标。国内玻璃瓶生产加工商目前主要采 用接触式玻璃瓶测厚的方式进行检测，不过这种检测方式存在低精度、低速度及高检测成 本的缺点，一种更稳定、高速的非接触式的在线检测方式迫在眉睫。
[0003] 已有的非接触式测厚检测设备主要是激光成像法，即基于激光在玻璃瓶前后壁反 射光点距离来计算壁厚。该设备的光源为半导体激光，使其向玻璃瓶表面发射一束光，一部 分光在外壁发生镜面反射，另外一部分光则穿过外壁进入瓶体，在内壁反射后从外壁折射 而出，在符合入反射规律的方向上可以通过CCD相机接收到该两点光斑A、B，由于瓶体厚度 的存在，则两光斑存在一定的间距，通过一定的数学算法可以得到瓶体厚度与两光斑间距、 激光入射角度及瓶折射率之间的关系，如此在设备搭建完毕后，瓶体厚度可以通过变量光 斑间距来得到。原理上来看很简单，但是实际中，CCD采集到的光点数不止两个，另外还有激 光发射点〇点相对内、外壁的两个镜面成像光点〇'和〇"，CCD成像面上0'点与A点、0"点与B点 位置很近，对A、B点光斑的分辨形成一定的干扰，直接造成壁厚不准确。此外，瓶体旋转中轻 微的不同心会使得入射光点在瓶体上位置不稳定，存在CCD靶面无法采集到的情况。由此可 见，此种光学检测方法具有测厚不准确，及较低的检测精度的缺点。
[0004] 因此，目前所采用的基于激光成像法进行容器壁厚检测的方法存在比较严重的问 题，难以满足工业生产上准确、高效、易用的优点。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在提供一种能够高效、准确地通过非接触的方式对透光容器，尤其是玻 璃瓶体的壁厚进行检测的装置及相应的检测方法。
[0006] 具体而言，一方面，本发明提供一种基于机器视觉的透光容器壁厚检测装置，其特 征在于，所述透光容器壁厚检测装置包括:光源、分光系统、检测镜头、光谱检测仪、数据处 理单元，
[0007] 所述光源用于产生具有连续或准连续光谱的可见光波段的照射光；
[0008] 所述分光系统用于接收所述照射光、传送至所述检测镜头，并且将来自所述检测 镜头的反射光送至所述光谱检测仪；
[0009] 所述检测镜头用于将所述照射光聚焦至待测透光容器并将来自所述透光容器的 反射光传送至所述分光系统；
[0010]所述光谱检测仪实时采集所述反射光的光谱，并将所获得的光谱信息发送至所述 数据处理单元；
[0011] 所述数据处理单元基于所述光谱信息确定所述透光容器的壁厚。
[0012] 进一步地，所述检测镜头为轴向色散镜头，所述轴向色散镜头将所述照射光中的 不同波长光聚焦在光轴上的不同位置处。
[0013] 进一步地，所述分光系统包括3组透镜和1组分光器件，第一组透镜将来自所述光 源的光束转变为一个准直光束，照射到所述分光器件，光束透过所述分光器件到达第二组 透镜汇聚后，输出给所述检测镜头；当光束从所述检测镜头返回后，到达第二组透镜并成为 准直光束，经过分光器件的反射界面，大部分光反射到第三组透镜，经过所述第三组透镜汇 聚后，输出给所述光谱检测仪。
[0014] 进一步地，所述数据处理单元基于所述反射光光谱中对应于容器内壁、外壁的反 射峰的波长值，计算所述透光容器的壁厚。
[0015] 进一步地，所述检测镜头与所述分光系统之间通过第一传输光波导彼此光通信， 所述第一传输光波导的两端分别通过光波导接口耦合在所述检测镜头的输入端和所述分 光系统的输出端。
[0016] 进一步地，所述分光系统与所述光源之间通过第二传输光波导彼此光通信，所述 第二传输光波导的两端分别通过光波导接口親合在所述分光系统的输入端和所述光源的 输出端。
[0017] 另一方面，本发明提供一种基于机器视觉的透光容器壁厚检测方法，其特征在于， 所述方法包括：
[0018] 步骤1)、产生具有连续光谱或准连续光谱的可见光波段的照射光；
[0019] 步骤2)、将所述照射光通过检测镜头照射在被检透光容器上；
[0020] 步骤3)、接收从所述被检透光容器反射的反射光并将所述反射光送至光谱检测仪 以获得所述反射光的光谱；
[0021] 步骤4)、提取所述反射光的光谱中对应于所述透光容器的内壁和外壁的两个反射 峰处的波长；
[0022] 步骤5)、基于两个反射峰处的波长计算所述被检透光容器的壁厚。
[0023] 进一步地，所述检测镜头为轴向色散镜头，所述轴向色散镜头将所述照射光中的 不同波长光聚焦在光轴上的不同位置处。
[0024] 进一步地，所述照射光通过一分光系统照射在所述检测镜头上，从所述检测镜头 反射回的所述反射光经所述分光系统分光后输送至所述光谱仪。
[0025] 在一种优选实现方式中，所述检测方法还包括基于下述步骤确定两个反射峰的波 长：
[0026] 步骤(5.1)对所测得的光谱数据进行暗噪声去除；
[0027] 步骤(5.2)利用高斯滤波对去除暗噪声的光谱数据进行平滑处理；
[0028] 步骤(5.3)设定用于判定曲线上升或者下降的阈值T(T>0);
[0029] 步骤(5.4)选定感兴趣区域，并从所选定感兴趣区域以预定间隔提取数组，以感兴 趣区域的数组中的起始点出发，依次计算当前值的后继光谱值与前驱光谱值的差值；
[0030] 步骤(5.5)如果所述差值大于Τ则认定光谱曲线处于上升状态并标记为1，如果该 差值小于-Τ则认为光谱曲线处于下降状态并标记为-1，如果该差值大于-Τ且小于Τ则认为 曲线处于水平状态并标记为ο;
[0031]步骤(5.6)对标记后的数据通过设计滤波核找出左侧标记值连续为1右侧标记值 连续为-1的值所对应的数组下标；
[0032]步骤(5.7)将所得到的所有极大值中前两个大于预定阈值的极大值，作为双峰值。
[0033] 本发明的检测装置作为机器视觉在线检测系统，具备高速、稳定、高精度的优点。
[0034] 本发明采用共焦测厚技术，以便取得更稳定、高精度的测量效果，精度可以达到微 米级。本发明通过具有连续光谱的白光经过轴向色散光学系统，在瓶壁垂线方向出现色散 光斑，通过前后壁反射回的两波长计算出壁厚。
[0035] 通过具有较大轴向色散的镜头使得入射光线在轴向上不同波长汇聚点分开，且分 布在垂直于玻璃瓶待测点切线方向。采用大数值孔径的镜头确保玻璃瓶一定程度的离心旋 转下也能检测到准确的厚度信息;并且使得玻璃瓶待测点相对镜头光轴±15度内均可被检 测到，具有较高的测量稳定性，针对国内玻璃瓶流水线的略低精度的机械系统下具有很好 的适应性，可以稳定测量玻璃瓶周期旋转的厚度值。
[0036] 采用本发明的分光系统，实现了良好地的方向隔离性，大大减小光源的回光干扰， 保证光谱仪获得较高信噪比信息。该分光系统具有光路共辄对称性。
[0037] 白色光源可适用于各色透明玻璃瓶。优选LED白光光源。本发明装置适用于机器视 觉在线快速、准确的实时检测。本发明的装置和方法可以准确稳定地测量出在线旋转运动 瓶体的厚度信息，为玻璃瓶质量检测提供依据。
【附图说明】
[0038] 图1为本发明实施例中的检测装置的结构示意图；
[0039] 图2为待检测玻璃瓶在传送装置上被检测镜头照射时的示意图；
[0040] 图3为本发明实施例中的检测装置的详细构造示意图；
[0041 ]图4为待测玻璃瓶在被照射过程中的光路示意图；
[0042]图5为检测获得的光谱示意图。
[0043]图中各标记分别为：
[0044] 1:待测玻璃瓶
[0045] 2:检测镜头
[0046] 3:分光系统
[0047] 4:光源模块
[0048] 5:光纤光谱仪
[0049] 6:计算机
[0050] 7:传输光波导
[0051 ] 8:数据线
[0052] 21:光波导接口
[0053] 30:自转装置
[0054] 31:透镜
[0055] 32:分光器件
[0056] 33:光波导接口
[0057] 40:在线传送装置
[0058] 41: LED白光灯珠
【具体实施方式】 [0059] 实施例1
[0060]如图1所示，在本实施例中，检测装置包括:检测镜头2、分光系统3、高亮LED白光光 源4、光纤光谱仪5及光谱数据处理模块6(在本实施例中由计算机实现）。图1中还示出了待 测玻璃瓶1、传输光波导7和数据线8。
[0061 ]高亮LED白光光源4能够作为连续光谱光源发出白光，可以适用各色瓶，且具有较 强的出光功率。当然，本领域技术人员应该理解，光源可以是不同色温的白光，也可以采用 卤素光源或其他光源。
[0062] 高亮LED白光光源4产生的照射光经传输光波导7传送，传输光波导7的一端与高亮 LED白光光源4耦合，另一端与分光系统3耦合。分光系统3接收照射光，并将所接收到的照射 光经另一个传输光波导7传送至检测镜头2。分光系统3具有很好的隔离度。本发明所采用的 传输光波导优选为传输可见光波段的多模光波导。
[0063] 检测镜头2将照射光聚焦至待测玻璃瓶1的外表面上。检测镜头2优选采用轴向色 散镜头，这样，由于高亮LED白光光源4发出的是连续光谱的光，经轴向色散镜头聚焦后，使 得可见光不同波长光斑的最小聚焦点纵向分布在一条线上，该线垂直于瓶体待测面。入射 到玻璃瓶表面的光一部分在外壁发生反射，一部分折射进玻璃并在内壁发生反射从外壁折 射出去，两次返回的光斑颜色不同，或者说返回的光斑波长不同。聚焦在待测玻璃瓶1的外 表面和内表面上的两种波长的光会发生较强的反射，两个表面的反射光反射回来之后，会 入射至检测镜头2,检测镜头2对反射光准直之后经传输光波导7,返回到分光系统3中。 [0064]轴向色散镜头的工作距离范围为从长波长汇聚点到短波长汇聚点的轴向距离，也 称为测量范围，待测玻璃瓶的内外壁处于该范围内才能有效检测，所以在搭建系统时，对于 不同粗细的瓶体，检测时需要确保待测壁处于测量范围内。
[0065]分光系统3将来自高亮LED白光光源4的入射光与来自检测镜头2的反射光进行分 光，使得反射光从分光系统的另一个光出口出射，经传输光波导7进入到光纤光谱仪5。 [0066]光纤光谱仪5实时测量反射光的光谱，并且将所测得的光谱传输至光谱数据处理 模块6。光谱数据处理模块6基于所述反射光的光谱确定所述透光容器的壁厚。光谱数据处 理模块6将光纤光谱仪记录下的强度信息中极大值处波长与玻璃瓶厚度建立联系，并得到 厚度信息。
[0067] 轴向色散镜头对于所采用的LED白光光源4的轴向色散效果是可以通过预先测量 获得的，即可以明确了解到不同波长的光经过轴向色散镜头聚焦后，焦点所处的位置以及 任意两个波长的光在轴向上的距离差。本发明就是利用这个原理，一旦确定了聚焦在待测 玻璃瓶1的内表面和外表面的光的波长，即被待测玻璃瓶1所反射的光的波峰，就可以基于 两个波峰确定玻璃瓶内壁和外壁之间的距离。
[0068] 如图2所示为在对玻璃瓶进行检测时的状态示意图。在进行检测时，玻璃瓶为连续 传送，在检测装置处，设置自传装置30，将待测玻璃瓶1置于自转装置30上，而自转装置30则 随着传送带40而运动。检测镜头2的光轴方向过玻璃瓶中心，这样测量厚度值更为准确，如 图4所示。
[0069] 实施例2
[0070] 在本实施例中，给出了一种更具体的实现方式。
[0071 ]图3中画出了各个部件的详细的构造。如图所示，光源4包括LED白光灯珠41、第一 透镜组31-1、第一光波导接口 33-l(SMA905)。分光系统3包括:第二光波导接口 33-2、第三光 波导接口 33-3和第四光波导接口 33-4,第二透镜组31-2、第三透镜组31-3和第四透镜组31-4以及分光器件32,光学镜头2包括第五光波导接口 21。分光系统2与光源4、光纤光谱仪5以 及检测镜头2之间通过传输光波导7-1、7-2以及7-3连通。
[0072] LED白光灯珠41发出的光经第一透镜组31-1准直后成为平行光，该平行光经50μπι 芯径的传输光波导7-1和第二透镜组31-2,第二透镜组将来自高亮LED白光光源4的光束转 变为一个准直光束，进入到分光器件32,照射光透过分光器件32并经过与上述同类型的第 三透镜组31-4出射，光束汇聚为一个光斑，该汇聚位置放置第二光波导7-2;第二光波导7-2 将照射光输送至检测镜头2,检测镜头为轴向色散镜头，通过轴向色散镜头的作用产生轴向 色散，接收到经检测镜头透射回来的反射光后经过透镜组成为一束平行光，通过分光器件 反射到相同类型的透镜组，并汇聚成一个光斑耦合进入连接光纤光谱仪的光波导7-3中。分 光器件32为反射面具有偏振选择性的棱镜或者分光片。
[0073] 待检测玻璃瓶1被传送带送至检测位置，此时瓶内、外壁均落在检测镜头的测量范 围内，且传送装置上安装有自转装置，瓶体放置在该自转装置上。LED白光光源发出的光经 过分光系统3从检测镜头2端口出射，经过瓶内、外壁反射后返回检测镜头2,再次经过分光 系统3到达光纤光谱仪5,计算机控制系统通过从光纤光谱仪5获得的两个极大强度的波长 计算得到待检测玻璃瓶上待测点处的壁厚。
[0074] 如图5所示，本申请的发明人发现，测量玻璃瓶壁厚与测量普通玻璃是存在比较显 著区别的。发明人找到了测量玻璃瓶时，其中两个极大值处的波长与玻璃瓶壁厚存在数值 关系。
[0076] Η为玻璃瓶待测点的厚度值；
[0077] fXWfXh)为两个极大值处波长的工作距离，即测量透镜出光端面到汇聚最小光 斑点距离；
[0078] Θ为产生第二个极大值的入射光在玻璃瓶外壁的入射角大小；
[0079] η为玻璃瓶折射率值。
[0080]虽然按照上面方式，可以获得玻璃壁厚的距离，但是上面并没有考虑到信号噪声 问题。
[0081]为了获得更准确的数据，获得光谱信息数据后，光谱数据处理模块6需要进行一定 的处理得到更准确的光谱信息。所做的处理有光谱图像中暗噪声的去除、厚度周期显示及 其中无效点的去除。
[0082]暗噪声的来源有三种，一是连接检测镜头的光波导另一端插头端面返回的反射 光;二是环境光的干扰，环境光从检测镜头端进入从而形成干扰;三是光波导親合传输中形 成的杂散光，其大小受到光波导类型、光波导长短及光源的影响;其中以第一种来源影响最 大。如此暗噪声形成造成光纤光谱仪获得的光谱信息具有一个固定的底噪，且其大小随着 光谱仪中CCD积分时间，光源强度，光波导耦合效率等变化，光谱形状为LED白光光源的光谱 信息。去除暗噪声的过程包括:首先在检测范围内无瓶体时，进行信号采集，该信号为暗噪 声信号;然后放上待测玻璃瓶，得到一个加有瓶体信息的信号，后者减去前者，则得到的是 单一玻璃瓶的信号。
[0083]去除暗噪声后待测瓶体待测点内外壁返回的光谱信息如图5所示，其中双峰值的 准确提取是精准测得厚度值的基础。
[0084]双峰值的提取思路为光谱仪CCD阵列1XN这个一维数据中找到比较明显的两个峰 值所对应横坐标值，也就是说找到一维数据中所有极大值中前两个较大值所对应的横坐标 的值。
[0085] 首先得到待测瓶体的实际光谱数据，即原始光谱数据减去暗噪声后的光谱数据， 并利用高斯滤波来平滑数据消除噪声，完成对数据的预处理。然后设定一个用于判定曲线 上升或者下降的阈值Τ(Τ>0)，从所选定感兴趣区域的起始点出发，依次计算当前值的后继 光谱值与前驱光谱值的差值，如果该差值大于Τ则认为光谱曲线处于上升状态并标记为1， 如果该差值小于-Τ则认为光谱曲线处于下降状态并标记为-1，如果该差值大于-Τ且小于Τ 则认为曲线处于水平状态并标记为〇;之后对标记后的数据通过设计滤波核就可以找出那 些左侧标记值连续为1右侧标记值连续为-1的值所对应的数组下标。最后将得到的两个数 组下标即一维数据中所有极大值中前两个较大值，即为双峰值。该方法对于定位双峰值定 位准确率高，极大地避免了噪声对于峰位提取的干扰。
[0086] 在此基础上进行待测瓶体与检测镜头相对位置的调节，做到系统搭建更为准确快 速有效。
[0087] 厚度单点值及其周期值的在线显示相对比获得的双峰光谱曲线图，更为直观的了 解待测瓶每时刻下的待测点的厚度信息。在得到双峰对应的波长值后，进行上述数学运算 便可得到厚度值，随着瓶体的旋转，则可以得到瓶体厚度的周期值；同时可输出时间与厚度 值的数据列，为在线检测系统的需求做参考，如提取周期值中的最大最小值，以此做差得到 待测瓶厚薄差值，即量化不均匀性。此外，模封线处或者深色瓶体可能存在有待测点内壁反 射光弱或者反射方向偏离大从而无法被检测到的现象，如此数据处理后的厚度值为无效， 无效点相对于正常值往往过大，算法中设定固定的阈值，在阈值范围之外的值可以做出无 效点的判定。
[0088]需要说明的是，虽然上面结合玻璃瓶来对本发明进行的描述，但是本领域技术人 员应该理解，不排除可以将本发明应用于表面光滑物体的距离测量，被测物体的材质可以 为塑料、纸质、玻璃、陶瓷、金属。
[0089]虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技 术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包 含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和 范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在 本发明保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于机器视觉的透光容器壁厚检测装置，其特征在于，所述透光容器壁厚检测 装置包括:光源、分光系统、检测镜头、光谱检测仪、数据处理单元， 所述光源用于产生具有连续或准连续光谱的可见光波段的照射光； 所述分光系统用于接收所述照射光、传送至所述检测镜头，并且将来自所述检测镜头 的反射光送至所述光谱检测仪； 所述检测镜头用于将所述照射光聚焦至待测透光容器并将来自所述透光容器的反射 光传送至所述分光系统； 所述光谱检测仪实时采集所述反射光的光谱，并将所获得的光谱信息发送至所述数据 处理单元； 所述数据处理单元基于所述光谱信息确定所述透光容器的壁厚。2. 根据权利要求1所述的基于机器视觉的透光容器壁厚检测装置，其特征在于，所述检 测镜头为轴向色散镜头，所述轴向色散镜头将所述照射光中的不同波长光聚焦在光轴上的 不同位置处。3. 根据权利要求1所述的基于机器视觉的透光容器壁厚检测装置，其特征在于，所述分 光系统包括3组透镜和1组分光器件，第一组透镜将来自所述光源的光束转变为一个准直光 束，照射到所述分光器件，光束透过所述分光器件到达第二组透镜汇聚后，输出给所述检测 镜头；当光束从所述检测镜头返回后，到达第二组透镜并成为准直光束，经过分光器件的反 射界面，大部分光反射到第三组透镜，经过所述第三组透镜汇聚后，输出给所述光谱检测 仪。4. 根据权利要求1所述的基于机器视觉的透光容器壁厚检测装置，其特征在于，所述数 据处理单元基于所述反射光光谱中对应于容器内壁、外壁的反射峰的波长值，计算所述透 光容器的壁厚。5. 根据权利要求1所述的基于机器视觉的透光容器壁厚检测装置，其特征在于，所述检 测镜头与所述分光系统之间通过第一传输光波导彼此光通信，所述第一传输光波导的两端 分别通过光波导接口耦合在所述检测镜头的输入端和所述分光系统的输出端。6. 根据权利要求5所述的基于机器视觉的透光容器壁厚检测装置，其特征在于，所述分 光系统与所述光源之间通过第二传输光波导彼此光通信，所述第二传输光波导的两端分别 通过光波导接口耦合在所述分光系统的输入端和所述光源的输出端。7. -种基于机器视觉的透光容器壁厚检测方法，其特征在于，所述方法包括： 步骤1 )、产生具有连续光谱或准连续光谱的可见光波段的照射光； 步骤2 )、将所述照射光通过检测镜头照射在被检透光容器上； 步骤3)、接收从所述被检透光容器反射的反射光并将所述反射光送至光谱检测仪以获 得所述反射光的光谱； 步骤4)、提取所述反射光的光谱中对应于所述透光容器的内壁和外壁的两个反射峰处 的波长； 步骤5)、基于两个反射峰处的波长计算所述被检透光容器的壁厚。8. 根据权利要求7所述的基于机器视觉的透光容器壁厚检测方法，其特征在于，所述检 测镜头为轴向色散镜头，所述轴向色散镜头将所述照射光中的不同波长光聚焦在光轴上的 不同位置处。
【文档编号】G01B11/06GK106017340SQ201610525734
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月6日
【发明人】李庆梅, 俞迪, 刘婕宇, 毛建森, 朱江兵, 潘津, 田立勋, 王亚鹏, 陈绍义
【申请人】北京大恒图像视觉有限公司