一种微棱镜切割崩边的多方向暗场检测方法及系统与流程

本发明涉及外观缺陷检测，具体涉及一种微棱镜切割崩边的多方向暗场检测方法及系统。

背景技术：

1、在微型光学元件制造领域，机器视觉技术广泛应用于微棱镜的外观缺陷检测。通常利用物理装载平台承载光学元件，并结合自动化显微成像设备采集元件的工作面图像。通过在检测系统中预设固定的全局坐标基准，图像处理算法能够定位微棱镜的待测面并提取边缘轮廓，进而根据轮廓的灰度特征判定微棱镜是否存在切割崩边缺陷，具备非接触和自动化程度高的技术特点。

2、然而，在实际产线的连续运行中观察到，当检测设备对微棱镜执行工作面翻转以进行跨面流转检测时，监控系统界面上原本精准套合的检测基准框经常会随机偏离微棱镜的实际物理轮廓，导致在提取图像特征时抓取到错误的像素区域，进而将正常的边缘形貌误判为严重的崩边缺陷。触发分拣机构的错误执行动作，导致流水线上大量完全合格的高价值光学元件被当成次品强制剔除并做报废处理，这不但造成了精密器件的成批非正常损耗，还会引发下游光通信模块组装车间因关键光学物料突然断供而陷入全线停机的严重后果。因此，在微型光学元件跨面流转检测过程中如何解决检测基准框偏离元件实际轮廓问题，是本领域亟需解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种微棱镜切割崩边的多方向暗场检测方法，通过定姿载具确立机械像素零点，利用空间角度时序进行多方向暗场掠射以获取双面散射图像集，构建跨曲率空间映射矩阵将物理平移与面内旋转偏差转化为数学映射参数以生成对齐响应图像集，并采用非对称形态畸变参数联合面内缺陷登记表执行缺陷分类判定，达到消除机械漂移误差、精准解耦内部缺陷与边缘崩口光晕混叠的效果，为微米级缺陷的精准分类提取与形位偏差判定提供可靠数据支撑，从而提升多曲率元件外观检测的稳定性与识别率。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种微棱镜切割崩边的多方向暗场检测方法，包括：

4、将待测微棱镜定位于定姿载具的检测工位，通过定姿载具确立机械像素零点，对待测微棱镜的端面执行掠射，采集并执行图像序列最大值投影，得到双面散射图像集；

5、对双面散射图像集进行解析与特征轮廓提取，得到动态光学锚点，联合动态光学锚点与机械像素零点构建跨曲率空间映射矩阵，利用跨曲率空间映射矩阵对双面散射图像集执行坐标映射与插值操作，得到对齐响应图像集；

6、基于对齐响应图像集提取高亮连通域，对高亮连通域执行缺陷类型解耦区分，得到面内缺陷登记表，并基于对齐响应图像集计算非对称形态畸变参数，联合非对称形态畸变参数与面内缺陷登记表执行缺陷分类判定，得到表面缺陷类型集合。

7、进一步地，所述机械像素零点的确立方法包括：

8、获取待测微棱镜并将其装载至定姿载具的检测工位，控制气动推杆依次对待测微棱镜中的三个正交物理限位面施加推靠力并获取实时输出的三路贴靠接触压力值；

9、获取预设的贴合压力区间，若三路贴靠接触压力值落入贴合压力区间内，则以三个正交物理限位面建立三维空间直角坐标系，并将三个正交物理限位面在三维空间直角坐标系中的交点定义为机械坐标原点；

10、获取手眼映射参数矩阵，提取机械坐标原点的三维坐标数值并补充常数一构成目标列向量，利用手眼映射参数矩阵左乘该目标列向量计算得到三维列向量，经齐次化归一后提取横向像素列坐标数值与纵向像素行坐标数值组合为机械像素零点。

11、进一步地，所述双面散射图像集的获取方法包括：

12、获取空间角度时序，控制显微成像组件与具有多个可独立通断的方位扇区的暗场照明光源，依据空间角度时序循环接通单个方位扇区并触发曝光，得到当前工作面的一组单方位散射图像；

13、构建二维图像坐标系，针对二维图像坐标系中的每一个像素坐标位置，提取各帧单方位散射图像在该像素坐标位置上的灰度数值，筛选出最大灰度数值并将其赋值，得到平面暗场散射图像；

14、控制定姿载具旋转待测微棱镜，使待测微棱镜中的凸球面工作面朝向显微成像组件，再次执行循环采集与赋值操作，生成球面暗场散射图像，并将其与平面暗场散射图像组合为双面散射图像集。

15、进一步地，所述动态光学锚点的获取方法包括：

16、针对平面暗场散射图像中的每一个像素位置，计算梯度幅值，并组合为梯度幅值图，并构建梯度幅值图的灰度直方图；

17、设置遍历阈值，计算灰度直方图在不同遍历阈值下的类间方差，选取使得类间方差达到最大值时所对应的遍历阈值作为梯度分割门限，生成二值梯度掩膜；

18、对二值梯度掩膜执行八邻域连通域标记运算获取各个连通域，对各连通域中边缘轮廓坐标集合执行最小外接圆拟合得到外接圆半径，并统计极坐标系下的圆周占用格数以及径向厚度；

19、将径向厚度除以外接圆半径得到径向扁平比数值，若圆周占用格数大于或等于预设圆周连续度门限且径向扁平比数值小于预设径向扁平比门限，则将连通域登记为环状候选区域。

20、进一步地，所述动态光学锚点的获取方法还包括：

21、获取外接圆圆心坐标并作为基准点生成多条径向射线，计算相同径向距离位置上的像素灰度算术平均值并组合为径向平均灰度剖面曲线；

22、统计径向平均灰度剖面曲线上的局部极值点个数，若局部极值点个数大于或等于二，则筛选出对应径向距离数值最大的目标极值点，将该目标极值点对应的半径位置及其预设扩展范围内的所有连通域像素集合登记为衍射环特征轮廓；

23、若局部极值点个数等于一，则计算该局部极值点的半峰全宽值，若大于或等于预设实心环宽度门限，则将环状候选区域的全部像素集合登记为高亮实心环特征轮廓，并在球面暗场散射图像中对应登记高亮实心环特征轮廓；

24、分别计算各特征轮廓的几何中心列坐标与行坐标，组合为平面动态光学锚点与球面动态光学锚点，统称为动态光学锚点。

25、进一步地，所述跨曲率空间映射矩阵的构建方法包括：

26、将平面动态光学锚点的列坐标与行坐标分别减去机械像素零点的列坐标与行坐标，得到平面横向位移分量与平面纵向位移分量；

27、设置基准环半径，将衍射环特征轮廓的外接圆半径除以基准环半径得到平面尺度因子；在平面暗场散射图像中提取定位切割直棱边对应的直线段特征的极角，并减去预设的基准棱边极角得到面内旋转角；

28、若平面尺度因子落入预设尺度因子允许区间且面内旋转角的绝对值小于或等于预设面内旋转角允许门限，则利用平面尺度因子与面内旋转角的三角函数构建两行两列矩阵，左乘由平面动态光学锚点坐标构成的列向量得到锚点线性变换中间坐标；

29、将机械像素零点坐标减去锚点线性变换中间坐标，组合得到跨曲率空间映射矩阵。

30、进一步地，所述对齐响应图像集的获取方法包括：

31、提取平面暗场散射图像中像素的列坐标与行坐标并补充常数一构成三行一列的齐次列向量，以机械像素零点为坐标零点构建基准检测坐标系；

32、利用跨曲率空间映射矩阵左乘齐次列向量，计算得到基准检测坐标系中的目标列坐标与目标行坐标并组合定义为目标像素坐标；

33、若目标像素坐标包含非整数数值，则提取原平面暗场散射图像中周围相邻的四个整数网格像素点的灰度数值，先后在水平方向与垂直方向执行线性插值计算出插值灰度数值，并写入目标像素坐标对应的网格位置，遍历生成平面对齐响应图像；

34、采用相同的重算逻辑生成球面对齐响应图像，并将平面对齐响应图像与球面对齐响应图像组合为对齐响应图像集。

35、进一步地，所述高亮连通域的获取方法包括：

36、设置内缩比例与外扩比例，以机械像素零点为圆心，以衍射环特征轮廓的外接圆半径与内缩比例的乘积为半径划定圆形的面内检测域，并以外接圆半径与外扩比例的乘积为外边界划定环形的边缘检测带；

37、计算面内检测域内所有像素灰度数值的算术平均值与标准差，设置高亮倍率，基于算术平均值、标准差与高亮倍率，计算得到高亮判定阈值；

38、将面内检测域内灰度数值大于高亮判定阈值的像素位置赋值为一，生成面内散射二值图，对面内散射二值图执行八邻域连通域标记运算；

39、设置最小有效面积门限，提取面内散射二值图中像素总数大于或等于最小有效面积门限的连通像素集合，得到若干个独立的高亮连通域。

40、进一步地，所述面内缺陷登记表的获取方法包括：

41、计算高亮连通域的质心坐标、等效圆直径、长短边比与填充率，设置形态区分门限与填充率门限；

42、若长短边比小于形态区分门限且填充率大于或等于填充率门限，当其到其余高亮连通域质心坐标的最小欧几里得距离大于或等于等效圆直径三倍时登记为污染麻点缺陷；当小于三倍时对连通域质心拟合直线，计算单个质心到拟合直线的垂直空间距离作为拟合残差，若拟合残差的均方根值，小于或等于预设共线残差门限则整体登记为表面划痕缺陷，反之独立登记为污染麻点缺陷；

43、若长短边比大于或等于形态区分门限且填充率小于填充率门限，则执行闭运算，得到骨架中心线，统计骨架中心线像素数作为划痕长度并拆分登记为表面划痕缺陷，若长短边比与填充率均大于或等于对应门限则登记为污染麻点缺陷；汇总得到面内缺陷登记表。

44、进一步地，所述非对称形态畸变参数的计算方法包括：

45、在边缘检测带内以机械像素零点为极点生成多条径向射线，提取各射线上灰度数值的最大灰度数值；

46、若最大灰度数值大于高亮判定阈值，将最大灰度数值所在像素位置到极点的欧几里得距离记录为边界散射半径，反之则将边界散射半径赋值为空值并标记为轮廓断裂角度，排列得到边界散射光轮廓；

47、提取边界散射光轮廓中边界散射半径不为空值的像素点集执行最小二乘圆拟合，得到理论基准边界半径；

48、将相隔180度的两个角度构成直径对称配对，筛选两侧边界散射半径均不为空值的有效角度对并统计有效对称角度对数量；

49、将所有有效角度对中两侧边界散射半径的差值绝对值累加求和，依次除以理论基准边界半径与有效对称角度对数量，计算得到非对称形态畸变参数。

50、进一步地，所述表面缺陷类型集合的获取方法包括：

51、设置畸变率零判定门限与崩角角度跨度门限；

52、若非对称形态畸变参数大于畸变率零判定门限且轮廓断裂角度数量大于零，将相邻轮廓断裂角度聚类为断裂角度区间段，若断裂角度区间段的角度跨度小于或等于崩角角度跨度门限则输出物理崩角缺陷，反之输出物理崩边缺陷；

53、若非对称形态畸变参数大于畸变率零判定门限且轮廓断裂角度数量为零，输出形位偏差告警；

54、若非对称形态畸变参数小于或等于畸变率零判定门限且轮廓断裂角度数量大于零，则标注为边缘附着污染，反之标记为待复检异常；

55、若非对称形态畸变参数小于或等于畸变率零判定门限且轮廓断裂角度数量为零，判定无崩边缺陷；

56、汇总所有缺陷条目得到表面缺陷类型集合。

57、第二方面，本发明提供一种微棱镜切割崩边的多方向暗场检测系统，其用于实现上述一种微棱镜切割崩边的多方向暗场检测方法，所述系统包括：

58、位姿锁定模块：用于将待测微棱镜定位于定姿载具的检测工位，通过定姿载具确立机械像素零点，对待测微棱镜的端面执行掠射，采集并执行图像序列最大值投影，得到双面散射图像集；

59、曲率图像模块：用于对双面散射图像集进行解析与特征轮廓提取，得到动态光学锚点，联合动态光学锚点与机械像素零点构建跨曲率空间映射矩阵，利用跨曲率空间映射矩阵对双面散射图像集执行坐标映射与插值操作，得到对齐响应图像集；

60、缺陷判定模块：用于基于对齐响应图像集提取高亮连通域，对高亮连通域执行缺陷类型解耦区分，得到面内缺陷登记表，并基于对齐响应图像集计算非对称形态畸变参数，联合非对称形态畸变参数与面内缺陷登记表执行缺陷分类判定，得到表面缺陷类型集合。

61、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

62、本发明通过定姿载具、动态光学锚点与机械像素零点构建跨曲率空间映射矩阵，实现了物理位姿锁定与像素基准确立的双重目标，解决传统方案中全局空间坐标基准在跨工作面检测流转后极易产生错位与失效的问题；非对称形态畸变参数将传统对物理崩边与崩角的定性判断，转化为度量边界散射光轮廓沿直径方向半径失衡程度的定量计算，精准识别物理崩边缺陷、物理崩角缺陷及形位偏差，降低缺陷误判率；图像序列最大值投影与同心分区隔离策略实现了缺陷方向选择性散射保留与边缘区域解耦，既压制暗背景干扰，又为微小缺陷分类提供精准数据支撑，缩短检测周期，提升产品良率与检测经济性。