一种基于机器视觉的透光容器壁厚检测设备的制作方法

本实用新型涉及光学检测领域，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设备。

背景技术：

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。

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点相对内、外壁的两个镜面成像光点，这些光点对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。

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。

技术实现要素：

本实用新型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设备。

具体而言，一方面，本实用新型提供一种基于机器视觉的透光容器壁厚检测设备，其特征在于，所述透光容器壁厚检测设备包括：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、所述分光系统、所述检测镜头以及待测透光容器顺序排布，所述检测镜头位于所述分光系统的一个出口处，所述光谱检测仪位于所述分光系统的另一个出口处，

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所述待测透光容器并将来自所述待测透光容器的反射光传送至所述分光系统，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；

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。

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，部分反射到第三组透镜，经过所述第三组透镜汇聚后，输出给所述光谱检测仪。

进一步地，所述数据处理单元与所述光谱检测仪相连。

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。

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耦合在所述分光系统的输入端和所述光源的输出端。

进一步地，所述透光容器壁厚检测设备还包括自转装置，所述待测透光容器设置于所述自转装置上。

进一步地，所述透光容器壁厚检测设备还包括传送装置，所述自转装置安装在所述传送装置上。

本实用新型的检测设备作为机器视觉在线检测系统，具备高速、稳定、高精度的优点。

本实用新型采用共焦测厚技术，以便取得更稳定、高精度的测量效果，精度可以达到微米级。本实用新型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。

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。

采用本实用新型的分光系统，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轭对称性。

白色光源可适用于各色透明玻璃瓶。优选LED白光光源。本实用新型设备适用于机器视觉在线快速、准确的实时检测。本实用新型的设备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

图1为本实用新型实施例中的检测设备的结构示意图；

图2为待检测玻璃瓶在传送设备上被检测镜头照射时的示意图；

图3为本实用新型实施例中的检测设备的详细构造示意图；

图4为待测玻璃瓶在被照射过程中的光路示意图；

图5为检测获得的光谱示意图。

图中各标记分别为：

1：待测玻璃瓶

2：检测镜头

3：分光系统

4：光源模块

5：光纤光谱仪

6：计算机

7：传输光波导

8：数据线

21：光波导接口

30：自转装置

31：透镜

32：分光器件

33：光波导接口

40：在线传送装置

41：LED白光灯珠

具体实施方式

实施例1

如图1所示，在本实施例中，检测设备包括：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。

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。

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。本实用新型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。

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，准直光经传输光波导7，返回到分光系统3中。

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。

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。

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。

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。本实用新型就是利用这个原理，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。

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，在检测设备处，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。

实施例2

在本实施例中，给出了一种更具体的实现方式。

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33-1(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。

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50μm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。

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。

如图5所示，其中两个极大值处的波长与玻璃瓶壁厚存在数值关系。

$H=\frac{\[f\left({\mathrm{\λ}}_2\right)-f\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\]tan\mathrm{\θ}}{tan\[\arcsin \frac{sin\mathrm{\θ}}{n}\]}$

H为玻璃瓶待测点的厚度值；

f(λ₁)、f(λ₂)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；

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；

n为玻璃瓶折射率值。

需要说明的是，虽然上面结合玻璃瓶来对本实用新型进行的描述，但是本领域技术人员应该理解，不排除可以将本实用新型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。

虽然上面结合本实用新型的优选实施例对本实用新型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实用新型的示意性实现方式的解释，并非对本实用新型包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本实用新型范围的限制，在不背离本实用新型的精神和范围的情况下，任何基于本实用新型技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本实用新型保护范围之内。