王明吉，付冬華，吳 云

（東北石油大學 電子科學學院，黑龍江 大慶 163318）

引 言

光纖面板作為當代電子光學成像器件的關(guān)鍵元件，于20世紀60年代初在國外問世，中國則于20世紀70年代后期由建筑材料科學研究院首次研制成功。由于光纖面板制造過程中各種不可控因素的影響（如紅外響應、溫度等［1］），使得光纖面板存在各種各樣的缺陷，比如斑點、暗影、雞絲、棋盤格等，這些缺陷影響了光纖面板的傳像質(zhì)量，因此，開發(fā)對這些缺陷進行檢測的檢測系統(tǒng)是非常有意義的。國內(nèi)已經(jīng)有研究人員研制開發(fā)了幾種缺陷檢測系統(tǒng)，但對暗影缺陷目前并沒有檢測系統(tǒng)，仍采用投影目視判別方式進行檢測，因此科學性和定位準確性有一定的欠缺。國外很多光纖面板生產(chǎn)廠家在提高光纖面板質(zhì)量方面上致力于分析和研究光纖面板的生產(chǎn)技術(shù)和工藝改進，尚未見相關(guān)暗影缺陷檢測的研究報道。

國標［2］對暗影的檢驗標準如下：

暗影定義：暗影為光纖面板在透過率上產(chǎn)生梯度變化。

暗影測試方法：用規(guī)定的朗伯光源與光纖面板的一面接觸并照明，用規(guī)定放大倍數(shù)的顯微鏡或其他儀器，在垂直于表面的方向上檢驗光纖面板的另一面，對出現(xiàn)的暗影的亮度進行定量測量。

光纖面板暗影缺陷自動檢測系統(tǒng)則是利用自動控制和圖像處理等現(xiàn)代技術(shù)，實現(xiàn)對光纖面板暗影缺陷的自動檢測。

1 硬件系統(tǒng)

光纖面板暗影缺陷自動檢測系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。其中硬件系統(tǒng)包括朗伯光源、光纖面板、顯微放大系統(tǒng)、CMOS采集系統(tǒng)和計算機，如圖1所示。由朗伯光源發(fā)出漫射光照明光纖面板，用單筒顯微鏡在垂直于光纖面板表面的方向上對其透光圖像進行放大，并成像在面陣CMOS傳感器上。將CMOS采集到的圖像通過數(shù)字采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成數(shù)字圖像后存儲在計算機中，最后由軟件系統(tǒng)對圖像進行分析，從而獲得光纖面板暗影缺陷的有關(guān)情況。

1.1 朗伯光源

對光纖面板暗影缺陷進行檢測，必須有一個符合國標規(guī)定的朗伯光源。系統(tǒng)的光源由積分球輔以溴鎢燈和可調(diào)電源組成?？烧{(diào)電源選取FLS7100精密直流電源，該電源是高穩(wěn)定度直流線性恒流型功率電源，輸出電壓范圍為0～28V，輸出電流范圍為0～2.5A，具有智能化程度高、穩(wěn)定度好、精度高、使用方便、輸出電流連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點；溴鎢燈色溫為3200K，鎢絲可以“自我再生”，并具有體積小、發(fā)光效率高、色溫穩(wěn)定、光衰小、壽命長等優(yōu)點［3］；選取F4涂層、直徑為0.2m的積分球，開孔尺寸在0～40mm范圍內(nèi)可調(diào)，該積分球可以使光的均勻度達到98%以上，輸出光照度達到400lx。

1.2 光纖面板

實驗中用到的光纖面板有五塊，如圖2所示。其主要技術(shù)指標：光纖尺寸≤6μm；理論數(shù)值孔徑≥1；準直光透過率≥65%；朗伯光透過率≥57%。

圖1 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Acquisition system structure diagram

1.3 放大及采集系統(tǒng)

系統(tǒng)采用7×～45×連續(xù)變倍BY－002單筒顯微鏡作為放大系統(tǒng)，該顯微鏡的特點在于使用消像差和消色差的組合透鏡作為物鏡，可以高保真地放大光纖面板的透光圖像。采用BY－300CMOS工業(yè)相機作為數(shù)字采集系統(tǒng)，此相機采用USB2.0高速接口，最大分辨力為2048×1536，像元尺寸為3.2μm×3.2μm，具有圖像傳輸穩(wěn)定，色彩還原度高，圖像質(zhì)量好，性價比高等優(yōu)點。其中獨有的色彩還原機制，彌補了CMOS芯片本身色彩還原度差的缺陷，使得圖像色彩更加逼真［4］。

2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)包括“暗影缺陷邊緣檢測”、“邊緣優(yōu)化”、“暗影缺陷主要參數(shù)計算”和“系統(tǒng)總控”四個部分。在“系統(tǒng)總控”程序的控制下，實現(xiàn)硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的有機結(jié)合，使暗影缺陷的檢測實現(xiàn)自動化，如圖3所示。

根據(jù)光纖面板的傳像性能和光纖面板暗影缺陷的特點，利用檢測光纖面板透光圖像的灰度邊緣的方法來檢測暗影缺陷，利用改進后的Canny算子對暗影缺陷進行邊緣檢測。由于改進的Canny算子獲取的暗影邊緣仍存在一定缺陷，因此，通過采用數(shù)學形態(tài)學、區(qū)域生長、骨架提取等方法，對暗影邊緣進行了進一步優(yōu)化，最終得到清晰、完整的暗影缺陷邊緣圖像［5］。程序流程如圖4、圖5所示，并在VC＋＋6.0環(huán)境下實現(xiàn)了軟件編程。

暗影缺陷主要參數(shù)計算的具體方法和步驟為：首先，對顯微成像系統(tǒng)進行標定，利用標準刻度尺在顯微鏡下成像，采集圖像，利用軟件計算圖像中相應面積內(nèi)的像素數(shù)，由此可獲得每個像素代表的實際尺寸；其次，利用軟件計算出每個暗影缺陷中的像素總數(shù)，再利用上述定標結(jié)果，計算得到暗影缺陷的面積；接下來，利用鏈碼跟蹤技術(shù)對符合灰度值的像素點進行跟蹤、計數(shù)，得到每個暗影缺陷的周長、形狀等特征［6］；最后以表格的形式給出暗影缺陷各主要參數(shù)的檢測結(jié)果。

3 實驗及結(jié)果

利用該系統(tǒng)對五塊光纖面板進行暗影缺陷檢測，下面以臺階板和直板為例，對其暗影缺陷進行檢測和分析。

直板和臺階板正中心約1cm2的透光（原始）圖像如圖6所示。

暗影為光纖面板在透過率上產(chǎn)生的梯度變化，當圖像灰度梯度值大時，可以用肉眼直接觀察。當灰度梯度值比較小時，無法用肉眼直接區(qū)分，必須利用軟件系統(tǒng)對原始圖片進行處理，得到清晰的暗影缺陷邊緣圖像，如圖7所示。

圖5 暗影缺陷邊緣優(yōu)化Fig.5 Shadow defects edge optimization

圖7 暗影邊緣檢測圖像Fig.7 Shadow edge detection image

暗影缺陷主要指標的檢測結(jié)果如表1、表2所示。在直板約125mm2的被檢測區(qū)域（選區(qū)面積）內(nèi)，存在9個暗影缺陷，其總面積（目標區(qū)總面積）為0.092mm2，占被檢測區(qū)域面積的0.073%。在臺階板約150mm2的被檢測區(qū)域（選區(qū)面積）內(nèi)，存在10個暗影缺陷，其總面積（目標區(qū)總面積）為0.145mm2，占被檢測區(qū)域面積的0.097%。

表1 直板檢測結(jié)果Tab.1 Plate panel detection results

表2 臺階板檢測結(jié)果Tab.2 Step panel detection results

4 結(jié) 論

文中研制成功了一套光纖面板暗影缺陷自動檢測系統(tǒng)，首次實現(xiàn)了光纖面板暗影缺陷的自動檢測。通過對暗影缺陷邊緣的檢測與優(yōu)化，并通過軟、硬件系統(tǒng)的有機整合和整體控制，實現(xiàn)了光纖面板暗影缺陷的自動檢測。同時，利用分析軟件，能夠給出暗影缺陷的主要特征、參數(shù)和指標。實驗證明該系統(tǒng)操作簡便，數(shù)據(jù)處理準確迅速，性能穩(wěn)定可靠，避免了傳統(tǒng)檢測方法中人為因素的影響，使測量結(jié)果更加精確，為改進和完善光纖面板設計和工藝方法，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量提供了可靠的理論和實驗依據(jù)，具有較高的實用價值。

［1］YIE J J，BELLINGHAM R J.Analysis of the influence factors of infrared response of fiber optical plate［C］∥Photo Electronic Detection and Imaging：Technology and Applications′93.Beijing：Central Industrial Optics，1993：454－458.

［2］顧肇業(yè)，林樹范，朱瑞明，等.GB 11447－1989光纖面板測試方法［S］.北京：機械電子工業(yè)部，1989.

［3］高稚允，高 岳.光電檢測技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1995.

［4］HERMAN M G.Electronic imaging resource guide［C］∥Report of Edmund Industrial Optics.Barrington：Edmund Industrial Optics，2001.

［5］王明吉，吳 云，周喜紅.基于邊緣算子和數(shù)學形態(tài)學的光纖面板暗影檢測［J］.光學儀器，2008，30（1）：24－28.

［6］朱秀昌，劉 峰，胡 棟.數(shù)字圖像處理與圖像通信［M］.北京：北京郵電大學出版社，2002：37－149.